1、第六節(jié) 水箱液位串級控制實驗一、實驗目的 1. 熟悉串級控制系統(tǒng)的結構與特點 2. 掌握串級控制系統(tǒng)的投運與參數(shù)的整定方法 3. 研究階躍擾動分別作用于副對象和主對象時對系統(tǒng)主控制量的影響 二、實驗設備 1. THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置 2. 計算機、上位機MCGS組態(tài)軟件、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根 3. 萬用表 1只 三、實驗原理 圖6-1 液位串級控制系統(tǒng)的結構圖圖6-2 液位串級控制系統(tǒng)的方框圖 本實驗為水箱液位的串級控制系統(tǒng)，它是由主、副兩個回路組成。每一個回路中都有一個屬于自己的調(diào)節(jié)器和控制對象，即主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對象為下水箱，作為系統(tǒng)的被控

2、對象，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對象為中水箱，又稱副對象，它的輸出是一個輔助的控制變量。 本系統(tǒng)控制的目的不僅使系統(tǒng)的輸出響應具有良好的動態(tài)性能，且在穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)的被控制量等于給定值，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。當有擾動出現(xiàn)于副回路時，由于主對象的時間常數(shù)大于副對象的時間常數(shù)，因而當被控制量（下水箱的液位）未作出反映時，副回路已作出快速響應，及時地消除了擾動對被控制量的影響。此外，如果擾動作用于主對象，由于副回路的存在，使副對象的時間常數(shù)大大減小，從而加快了系統(tǒng)的響應速度，改善了動態(tài)性能。圖6-1為實驗系統(tǒng)的結構圖，圖6-2為相應控制系統(tǒng)的方框圖。四、實驗內(nèi)容與步驟1.按

3、圖6-1要求，完成實驗系統(tǒng)的接線。 2.接通總電源和相關儀表的電源。 3.打開閥F1-1、F1-2、F1-7、F1-10、F1-11，且使閥F1-10的開度略大于F1-11。 4.按經(jīng)驗數(shù)據(jù)預先設置好副調(diào)節(jié)器的比例度。 5.調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)器的比例度，使系統(tǒng)的輸出響應出現(xiàn)4：1的衰減度，記下此時的比例度S和周期TS。據(jù)此，按經(jīng)驗表查得PI的參數(shù)對主調(diào)節(jié)器進行參數(shù)整定。 6.手動操作主調(diào)節(jié)器的輸出，以控制電動調(diào)節(jié)閥支路給中水箱送水的大小，等中、下水箱的液位相對穩(wěn)定，且下水箱的液位趨于給定值時，把主調(diào)節(jié) 器切換為自動。 7.打開計算機，運行MCGS組態(tài)軟件，并進行如下的實驗： 1）當系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，突加

4、階躍擾動（將給定量增/減5%15%），觀察并記錄系統(tǒng)的輸出響應曲線。 2）適量打開閥F2-4，觀察并記錄階躍擾動作用于副對象（中水箱）時，系統(tǒng)被控制量（下水箱液位）的響應過程。 3）將閥F2-4關閉，去除副對象的階躍擾動，且待系統(tǒng)再次穩(wěn)定后，再適量打開閥F2-5，觀察并記錄階躍擾動作用于主對象時對系統(tǒng)被控制量的影響。 8.通過反復對主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較滿意的動、靜態(tài)性能。用計算機記錄此時系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線。 副P=4 主P=3 I=100000 D=11000副P=4 I=100000 主P=3 I=100000 D=11000五、思考題1.試述串級控制系統(tǒng)為什么對主擾動（二次

5、擾動）具有很強的抗擾能力？如果副對象的時間常數(shù)與主對象的時間常數(shù)大小接近時，二次擾動對主控制量的影響是否仍很小，為什么？答：在串級控制系統(tǒng)中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克服進入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進一步提升。如果副對象的時間常數(shù)與主對象的時間常數(shù)大小接近時，很有可能發(fā)生共振現(xiàn)象，使得副環(huán)的工作頻率處于諧振頻率，其相角接近180，從而使得副環(huán)的增益為負，形成正反饋，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，二次擾動對主控變量的影響將會很大。2.為什么本實驗中的副調(diào)節(jié)器可設置為比例（P）調(diào)節(jié)器？答：由于副控回路的輸出要求能快速、準確地復現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P調(diào)節(jié)器。3.改變副調(diào)節(jié)器的比例度，對串級控制系統(tǒng)的動態(tài)和抗擾動性能有何影響，試從理論上給予說明。答：在一定范圍內(nèi)，副控制器P參數(shù)增大，副回路輸出最大動態(tài)偏差增大，振蕩和恢復周期更短，振蕩更劇烈，使得副控制器的輸出更加有利于及時跟蹤主控制器的輸出，及時調(diào)節(jié)執(zhí)行器的輸出，從而使得串級控制系