一、實驗目的進一步熟悉串級控制系統的定義、組成、結構和工作原理。掌握串級控制系統主、副控制器PID控制規律的選擇掌握串級控制系統的投運方法。掌握串級控制系統主、副控制器參數的整定方法。二、實驗設備實驗四串級控制系統

過程控制系統實驗裝置、連接導線三、串級控制系統定義、組成、框圖、原理1、定義2、組成由7個部分組成（即1臺主調、1臺副調，1臺執行器、1個主對象，1個副對象、

1臺主變送器、1臺主變送器）3、框圖由主、副兩臺控制器、一臺執行器、主、副兩個被控對象和主、副兩臺測量變送器組成的雙閉環負反饋控制系統叫串級控制系統。（1）調節閥確定為氣開閥（電開閥）“+”，副對象為“+”，則副調節器選“－”

；由于主對象“+”、則主調節器為“－”（2）二次干擾下，若D1→△h2↓→調節閥“+”開度↑→測量值PV2↓→e2↓→副調節器“－”輸出↑進入水槽流量↑△h2↑（平穩）4、工作過程8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干擾D180%30%內給SP2－2水槽副被控對象PV20～10mA副調節器副變量h2

e2副測量變送器主變量

h30～10mA+－PV1主調節器給定SV1MV13水槽主被控對象

e1主測量變送器30%80%（3）若D2→△h3↓→測量值PV1↓→e1↓→主調節器(－)輸出↑水槽1進水流量↑△h3↑（平穩）→副調節器(+)輸出↑→e2↓調節閥(+)開度↑8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干擾D1(s)80%30%內給SP2－1水槽副被控對象PV20～10mA副調節器副變量h1

e2副測量變送器主變量

h20～10mA+－PV1主調節器給定SV1MV12水槽主被控對象

e1主測量變送器30%80%4、工作過程D2流量計Ⅱ液位Ⅰ液位Ⅱ液位Ⅲ主調節器Ⅰ記錄儀伺服放大器1流量計ⅠLT3LT2LT1mAmA35電動閥流量計手動閥2461水龍頭水泵加法器副調節器Ⅱ水槽恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ伺服放大器2Ⅰ

Ⅱ切換開關電動閥四、實驗接線流量計Ⅱ液位Ⅰ液位Ⅱ液位Ⅲ變頻器S500主調節器Ⅰ記錄儀牛頓模塊A/DI-7017流量計ⅠLT3LT2LT1mAmA35電動閥流量計手動閥2461水龍頭水泵加法器副調節器Ⅱ水槽設置U2按鈕五、實驗步驟及實驗記錄5.啟動兩臺水泵。2、將水龍頭1、2打開，其余關閉，使干擾作用落在副回路內。4、主、副控制器均搬到“硬手動”，主控制器打內給定，副控制器打外給定。副控制器輸出調為30％（3mA）。主、副調節器的正、反作用開關都搬到“反”位置。調節副調節器手動撥盤使其輸出表頭指示30％（3mA）處。3、開關K搬到Ⅰ端，調恒流器Ⅰ輸出=3mA。K搬到Ⅱ端，調恒流器Ⅱ輸出=8mA

3、鼠標單擊實驗界面中的“設置U2”按鈕，調U2=25%鼠標單擊“水箱3液位控制器”，調手動輸出值MV=50%4、將主、副控制器設為手動，即用鼠標單擊實驗界面中主、副控制器的“手動”按鈕。6.（模擬系統）主調節器設定為PI控制（δ＝85%~90％（0.8）、Ti＝220~230秒、Td＝0），副調節器設定為P

控制（δ＝35％、Ti

＝∞

秒、Td

＝0）。當液位穩定，按先主后副把主、副調節器以無擾動的方式投入自動。曲線4:1波形較好6.（計算機系統）（1）將主控制器設定為PI控制,副控制器設為P控制（具體PID參數見下表）（2）當液位穩定后，按先主后副把主、副調節器以無擾動的方式投入自動。7.開關K從Ⅱ打到加入Ⅰ干擾

（鼠標單擊“設置U2”按鈕，調U2=（38%）

，觀察記錄儀曲線主、副被控參數h3h2是否達到4∶1衰減，若達到，則副調節器PI參數整定完畢，否則，適當改變δ值、Ti值重新整定，直到4∶1衰減出現。這一次曲線記入下表第1次表格H2內給SP1副測量變送器DBC－211－水槽ⅡPV20～10mA副調節器DTL－321主被控參數H30～10mA+－主測量變送器DBC－211PV1水槽Ⅲ主調節器DTL－321給定值SP6.5mA4mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干擾MV2MV1主、副控制器PID參數設定實驗得到的曲線對實驗曲線進行分析做第1次副調節器（P）δ＝80％KC=1TI＝∞

TI＝∞TD＝0TD＝0主調節器（PI）δ＝35％KC=1.5TI＝185s

TI＝15sTD＝0

TD＝0副被控參數分析結論：由上述數據可知衰減比n=3:1＜4:1，即副被控參數h2沒有達到4:1衰減，即主、副控制器PID整定得不合適。調整PID參數后，重新做第二次整定，直到n≥4:1為止3主被控參數分析結論：由上述數據可知衰減比n=2.5:1＜4:1，即主被控參數h3也沒有達到4:1衰減，即主副調節器PID整定得不合適。調整PID參數后，重新做第二次整定，直到

n≥4﹕1為止。2.5主、副調節器PI參數設定實驗得到的曲線對實驗曲線進行分析做第2次副調節器δ＝85％KC=1TI＝∞TI＝∞TD＝0TD＝0主調節器δ＝35％KC=1.1TI＝160STI＝12sTD＝0TD＝0副被控參數分析結論：由上述數據可知衰減比n=4:1，即副被控參數h2達到了4:1衰減，即副調節器PID整定得比較合適。滿足了PID參數整定要求，達到了實驗要求。主被控參數分析結論：由上述數據可知衰減比n=4.5:1＞4:1，即主被控參數h3也達到4:1衰減，即主調節器PID整定得比較合適。滿足了PID參數整定要求，達到了實驗要求。副調節器PID參數保持上一步的不變，則用上述方法整定主調節器PID參數整定。這一次曲線記入上表第2次做表格重新確定干擾通道上的水龍頭開關位置，使干擾落在副環之外，主環之內。等主副參數穩定后，開關K從Ⅱ打到加入Ⅰ干擾[鼠標單擊實驗界面中的“設置U2”按鈕，調U2=4mA（40%）]

，加入一個階躍干擾，記錄下該調節過程，這一次曲線記入上表第3次做表格。被控參數h30～10mA+－測量變送器DBC－211PV1水槽Ⅲ主調節器DTL－321給定值SP干擾h2內給SP1測量變送器DBC－211－水槽ⅡPV20～10mA副調節器DTL－321MV第1次做U1=50%U2=25%~40%第2次做U1=50%U2=25%~40%主控制器副控制器第3次做U1=50%U2=25%~40%主控制器副控制器第3次做U1=50%U2=38%主控制器副控制器第4次做U1=50%U2=25%~40%第5次實驗調節U1=50%干擾U2=28%~38%結果：效果比較好五、回答思考題

1.干擾落在副回路之外，即主環之內有什么結果？答:（1）干擾落在副回路之外，即主回路之內時可用下圖表示：H2內給SP1副測量變送器DBC－211－水槽ⅡPV20～10mA副調節器DTL－321被控參數H30～10mA+－主測量變送器DBC－211PV1水槽Ⅲ主調節器DTL－321給定值SP干擾

（2）上圖中干擾是作用在副回路之外，主回路之內，雖然是串級調節系統，但并沒有發揮其副回路對干擾的“預先調節”、“粗調”的作用。所以這種情況只會有單回路系統的調節效果，而不會有串級調節系統的調節效果。2、串級控制統中主、副變量應如何選擇？副變量的選擇原則是：（1）主、副變量間應有一定的內在聯系，副變量的變化應在很大程度上能影響主變量的變化。（2）通過對副變量的選擇，使所構成的副回路能包含系統的主要干擾。（3）在可能的情況下，應使副回路包含更多的主要干擾，但副變量又不能離主變量太近。

（4）副變量的選擇應考慮到主、副對象時間常數的匹配，以防“共振”的發生。答：主變量的正確選擇是關系到系統能否達到預期控制效果的重要因素，選擇原則是：（1）主變量應是反映工藝操作狀態的重要變量。（2）主變量應是工藝生產過程中經常變化，因而需要加以頻繁控制的變量。（3）主變量應是能測量的、變化靈敏的、獨立可控的變量。（4）還應考慮工藝的合理性與經濟性。3、如何選擇串級控制系統中主、副控制器的正、反作用？答(1)副控制器

正、反作用的選擇與單回路控制系統選擇方法相同。即：(副調節器±)(調節閥

±)(副對象

±)＝(－)（1）主控制器

正、反作用的選擇方法是：即：(主調節器±)(副對象

±)(主對象

±)＝(－)（2）(2)本實驗中，用電開閥（＋）閥開大，水槽液位上升，故副對象是（＋）主對象是（＋）