实验三串级控制实验
一、实验目的
1．熟悉串级控制系统的结构与特点。

2．掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。

3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主变量的影响。

二、实验设备
1．PCS-C型过程控制综合实验装置(DDC控制单元、信号及控制板)。

2．计算机及MCGS组态软件(PCS-C-DDC.MCG)。

3．实验专用线若干及九芯通讯线两根。

三、实验原理
本实验采用计算机控制,将下水箱液位控制在设定高度。

串级回路是由内反馈组成的双环控制系统，属于复杂控制范畴。

在计算机中设置了两个虚拟控制器作为主副控制器。

将上水箱的液位信号输出作为主控制器输入，主控制器的输出作为副控制器的输入，在串级控制系统中，两个控制器任务不同，因此要选择控制器的不同调节规律进行控制，副控制器主要任务是快速动作，迅速抵制进入副回路的扰动，至于副回路的调节不要求一定是无静差。

主控制器的任务是准确保持下水箱液位在设定值，因此，主控制器采用PI控制器也可考虑采用PID控制器。

上下水箱液位串级控制系统的方块原理图如图4.2所示。

图4.1 液位串级控制系统块原理图
串级控制系统的参数整定参考本章概述部分内容。

四、实验步骤与内容
1．了解实验装置中的对象，流程图如图4.2所示。

图4.2 上下水箱液位串级控制系统流程图
2．按图4.3接好实验导线和通讯线。

图4.3上下水箱双容串级控制实验接线图（高联实验台）
上下水箱双容串级控制实验接线图（云创实验台）
3．将控制台背面的通讯口与上位机连接。

4．将手动阀门1V1、V4、V6打开，将手动阀门1V6、1V7、LV关闭。

5．先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开直流电压和DDC控制单元电源。

6．打开计算机上的MCGS运行环境，选择“系统管理”下拉菜单中的“用户登录”，出现如下界面。

图4.4 用户登录界面
7．点击“确认”，用户登录完毕。

选择“串级控制实验”下拉菜单中的“上下水箱双容控制实验”。

出现如下的“上下水箱双容串级控制实验”界面。

8．点击“参数设置”，出现如下界面。

图4.6 参数设置界面
9．将AI0、AI1都设置为0–50。

点击退出，参数设置完毕。

10．按本章第一节中的整定法，选择控制规律，并按整定后的PID参数进行调节器参数设置。

Ts=1 （参考值）SV=20 （参考值）Kc1=5 （参考值）Ti1=100 （参
考值）
Td1=0 （参考值）Kc2=1.5 （参考值）Ti2=100 （参考值）Td2=0 （参考值）
11.选择计算机控制方式。

12．在信号板上打开电动调节阀输入信号、上水箱1输出信号、下水箱输出信号。

13．在控制板上打开水泵1、电动调节阀。

14．观察计算机上的实时曲线和历史曲线。

15．待系统稳定后，给定加个阶跃信号，观察其液位变化曲线。

16．再等系统稳定后，给系统加个干扰信号，观察液位变化曲线。

五、实验建议
调节器的PID参数可以反复凑试，逐步逼近达到最佳的整定，实际中，采用串级调节系统是为了提高主被调量（下水箱）精度和改善动态特性而设置的，因此对副调回路的质量指标没有要求。

而对主回路的质量指标要求高。

牺牲副回路的质量，保证主回路的调节质量。

所以副调节器比例作用强一些，取消积分作用，主调节器设置P、I、D参数即可。

六、实验报告要求
1．写出常规实验报告，画出液位串级控制系统的结构框图。

2．用实验方法整定控制器的相关参数，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、副控制器采用不同PID参数时对本实验系统性能的影响。

七、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？。