总结串级控制系统实验

文件编号： AC -40-58-81-D5
整理人 尼克 串级控制系统实验
辽宁省高等教育自学考试（应用本科）
《过程控制工程（实践）》
一、实验题目：水箱液位与进水流量串级控制实验
二、实验目的：
1．了解液位-流量串级控制系统的组成原理。

2．掌握液位-流量串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。

3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。

三、仪器设备：
DDD-Z05-I 实验对象一台、DCS网络控制柜、DDD-Z05-III 电源控制柜一台、计算机一台、万用表一个；
四、注意事项：
1．实验之前确保所有电源开关均处于“关”的位置。

2．接线或拆线必须在切断电源的情况下进行，接线时要注意电源极性。

完成接线后，正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确，并请指导老师确认无误后，方能通电。

3．在投运之前，请先检查管道及阀门是否已按实验指导书的要求打开，储水箱中是否充水至三分之二以上，以保证磁力驱动泵中充满水，磁力驱动泵无水空转易造成水泵损坏。

4．在进行温度试验前，请先检查锅炉内胆内水位，至少保证水位超过液位指示玻璃管上面的红线位置，无水空烧易造成电加热管烧坏。

5．实验之前应进行变送器零位和量程的调整，调整时应注意电位器的调节方向，并分清调零电位器和满量程电位器。

6．小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏设备。

五、实验原理：
本实验系统的主控量为上水箱的液位高度h，副控量为电动调节阀支路流
量，它是一个辅助的控制变量。

系统由主、副两个回路所组成。

主回路是一个
定值控制系统，要求系统的主控制量h 等于给定值，因而系统的主调节器应
为PI或PID控制。

副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速
地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量h 的控制目的，因而副
调节器可采用P控制。

但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例
带必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI
控制规律。

引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。

显然，由
于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常数，因而当主扰动（二次
扰动）作用于副回路时，通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。

本实
验系统结构图和方框图如图所示。

上水箱液位与进水流量串级控制系统
(a) 结构图(b) 方框图
六、实验步骤：
1．本实验选择上水箱和电动调节阀支路组成串级控制系统。

实验之前先将储水箱中贮足水量，并确保电源控制柜与对象正确连接（两根航空电缆线），DCS 网络控制柜主控单元正常运行，然后将阀门F1-1、F1-6、F2-14全开，将上水箱出水阀门F1-9 开至适当开度（50%-80%），其余阀门均关闭。

2．打开电源控制柜的空气开关，然后打开钥匙开关，并按下启动按钮。

3．运行操作员在线软件，输入用户名和密码登陆（按第一章第五节网络实验步骤进行登陆），在对象选择窗口中选择控制对象，进入相应的对象主菜单中点击“实验九、水箱液位与进水流量串级控制”实验。

4．在实验九监控界面中点击“开始实验”按钮，设置液位设定值和主、副调节器的P、
I、D 参数，按本章第一节中任一种整定方法整定调节器的参数，并按整定得到
的参数对调节器进行设定（见实验图例），然后主调节器点击“自动”按钮，副调节器点击“串级”按钮。

5．打开三相磁力泵开关，磁力驱动泵上电打水。

6．待上水箱进水流量相对稳定，且其液位稳定于给定值后，通过以下几种方式加
干扰：
（1）突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（2）将电动调节阀的旁路阀F1-2（同电磁阀）开至适当开度；
（3）将阀F1-5、F1-13 开至适当开度；
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系
统不稳定。

加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定
至新的设定值，记录此时的设定值、输出值和P、I、D参数，
7．适量改变调节器的PID参数，重复步骤6，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。

七、思考题：
1、过程控制系统的基本组成主要包括哪些部分？
2、过程控制系统的相关术语解释
3、控制阀有四种流量特性，分别是什么？
4、说明生产过程中软保护措施与硬保护措施的区别。

5．前馈控制主要应用在什么场合？
6、怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律?
7、简述均匀控制系统的控制方案。

8、分程控制系统的主要应用场合有哪些?
9、电气阀门定位器有哪些作用？
10、简述串级控制系统的设计原则
11、简单控制系统由几个部分组成？各部分的作用是什么？
12、前馈控制和后馈控制各有什么特点？为什么采用前馈-后馈复合系统将能较大地
改善系统的控制品质？
参考答案：
1、检测及变送装置、控制器（调节器）、执行机构、被控对象
2、被控变量：生产工艺要求维持恒定的物理量，即控制的目标。

它是被控对象环
节的输出量
操纵变量：在控制作用下能引起被控变量变化的物理量。

它是被控对象环节的输入量。

干扰量：又称扰动量或噪声，是指除了操纵变量意外能引起被控变量变化的一起
因素。

它是控制系统的一种输入量，但在控制过程中要被客服的。

设定值：工艺要求被控制变量必须达到的某个数值。

它是控制系统的一种输入量偏差：过程控制系统中，规定变差是设定值与测量值之差。

反馈控制系统：把系统输出信号通过测量及变送装置又引回输入端，这种做法成为反馈，过程控制系统有称为反馈控制系统。

当反馈信号与设定值相减时，称为负反馈，反之，称为正反馈。

3、快开型、直线型、抛物线型、等百分比型
4、答：所谓生产的软保护措施，就是当生产短期内处于不正常情况时，无须像硬
保护措施那样硬性使设备停车，而是通过一个特定设计的自动选择性控制系统，以适当改变控制方式来达到自动保护生产的目的。

这样就可以减少由于停车而带来的巨大经济损失。

而硬保护措施将使得生产设备停车。

5、答：前馈控制主要用于下列场合：(1)干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，
单纯反馈控制达不到要求时；(2)主要干扰是可测不可控的变量；(3)对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈一反馈控制系统，以提高控制质量。

6、答：串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有
余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用。

串级控制系统中对副变量的要求不严。

在控制过程中，副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的，所以副控制器一般采用比例控制规律就行了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是不需要的。

7、答：以液位与流量的均匀控制为例，其控制方案有简单均匀控制与串级均匀控制两种。

从
结构上来讲，简单均匀控制与一般的液位控制系统一样，串级均匀控制与一般的液位-流量串级控制系统一样。

其区别在于均匀控制与一般的控制系统目的不一样。

之所以能够使两个变量间的关系得到协调，是通过控制器参数整定来实现的。

均匀控制系统中的控制器一般都采用纯比例作用，且比例度很大，必要时才引入少量的积分作用。

8、答：分程控制系统的应用场合主要有：(1)用于扩大控制阀的可调范围，改善控
制品质；(2)用于控制两种不同的介质流量，以满足工艺生产的要求，(3)用作生产安全的防护措施。

9、改善阀的静态特性，改善阀的动态特性，改善阀的流量特性，用于分程控制，
用于阀门的反向动作
10、（1）副回路的选择必须包括主要扰动，而且应包括尽可能多的扰动
（2）主、副对象的时间常数应匹配
（3）应考虑工艺上的合理性和可能性
（4）要注意生产上的经济性
11、简单控制系统由一个被控对象，一个检测元件和变送器，一个调节阀和一个调
节器组成。

检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准
信号，输出到控制器，控制器用于将检测变送器的输出信号与设定值进行比较，得出偏差并把偏差信号按一定的控制规律运算，运算结果输出到执行器。

执行器是控制系统回路中的最终元件，直接用于改变操纵量，以克服干扰，达到控制的目的。

12、前馈控制的特点是：根据干扰工作，及时，精度不高，实施困难，只对于某个
干扰有克服作用。

反馈的特点作用一居室偏差，不及时，精度高，实施方便，对所有干扰都有克服作用。

由于两种控制方式优缺点互补，所以前馈-反馈复合系统能较大地改善系统的控制品质。

整理丨尼克
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