图8-2 智能仪表控制水箱液位串级控制实验接线图

步骤2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表1及电动调节阀上电。

步骤3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验十、水箱液位串级控制系统”，进入实验十的监控界面。

步骤4．在上位机监控界面中点击“启动仪表1”、“启动仪表2”。将主控仪表设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。

步骤5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主调节器的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且中水箱液位也稳定于某一值（此值一般为3～5cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。

步骤6．按本章第一节中任一种整定方法整定调节器参数，并按整定得到的参数进行调节器设定。

步骤7．待液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：

（1） 突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；

（2）打开阀门F2-1、F2-4（或F2-5），用变频器支路以较小频率给中水箱(或下水箱)打水。（干扰作用在主对象或副对象）

（3）将阀F1-5、F1-13开至适当开度（改变负载）；

（4）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）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（后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，下水箱液位的响应过

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程曲线将如图8-3所示。

图8-3 下水箱液位阶跃响应曲线

步骤8．适量改变主、副控调节仪的PID参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。 8.5 实验报告要求

1．画出水箱液位串级控制系统的结构框图。

2．用实验方法确定调节器的相关参数，并写出整定过程。

3．根据扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。

4．分析主、副调节器采用不同PID参数时对系统性能产生的影响。 6．综合分析五种控制方案的实验效果。 8.6 思考题

1．试述串级控制系统为什么对主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量的影响是否仍很小，为什么？

2．当一次扰动作用于主对象时，试问由于副回路的存在，系统的动态性能比单回路系统的动态性能有何改进？

3．串级控制系统投运前需要作好那些准备工作？主、副调节器的正反作用方向如何确定？

4．为什么本实验中的副调节器为比例（P）调节器？

5．改变副调节器的比例度，对串级控制系统的动态和抗扰动性能有何影响，试从理论上给予说明。

6．评述串级控制系统比单回路控制系统的控制质量高的原因？

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9 三闭环液位控制系统

9.1 实验目的

1．通过实验了解三闭环液位控制系统的组成与工作原理。 2．掌握三闭环液位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。 4．主、副调节器参数的改变对系统性能的影响。

5．掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。 9.2 实验设备（同前） 9.3 实验原理

图9-1 三闭环液位控制系统 (a)结构图 (b)方框图

图9-1为三闭环串级控制系统的结构图和方框图。本实验系统是由上、中、下三个水箱串联组成，下水箱的液位为系统的主控制量，其余两个水箱的液位均为副控制量。与前面的双闭环液位控制系统相比，本系统多了一个内回路，其目的是减小上水箱的时间常数，以加快系统的响应。

本系统的控制目的，不仅要使下水箱的液位等于给定值，而且当扰动出现在上、中水箱时，由于它们的时间常数均小于下水箱，故在下水箱的液位未发生明显变化前，扰动所产生的影响已通过内回路的控制及时地被消除。当然，扰动若作用于下水箱，系统的被控制量必然要受其影响，但由于本系统有两个内回路，因而大大减小了上、中水箱的时间常数，使它比具有上、中、下三个水箱串接的单回路系统动态响应快得多。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI或PID控制。由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。 9.4 实验内容与步骤

本实验将上、中、下三只水箱串联组成三闭环液位控制系统。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将阀门F1-9、F1-10、F1-11开至适当开度（要求阀门开度F1-9 > F1-10 > F1-11），其余阀门均关闭。

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图9-2 智能仪表控制三闭环液位串级控制实验接线图

9.5 实验报告要求

1．画出三闭环水箱液位串级控制系统的结构框图。

2．用实验方法确定调节器的相关参数，并写出整定过程。

3．根据扰动分别作用于三个对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。

4．分析主、副调节器采用不同PID参数时对系统性能产生的影响。 5．综合分析五种控制方案的实验效果。 9.6 思考题

1．试述串级控制系统为什么对主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量的影响是否仍很小，为什么？

2．当一次扰动作用于主对象时，试问由于副回路的存在，系统的动态性能比单回路系统的动态性能有何改进？

3．串级控制系统投运前需要作好那些准备工作？主、副调节器的正反作用方向如何确定？

4．为什么本实验中的副调节器为比例（P）调节器？

5．改变副调节器的比例度，对串级控制系统的动态和抗扰动性能有何影响，试从理论上给予说明。

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