一、串级水箱的特点被控对象水箱由两个水箱组成，分别为：THPFSY-2型双容水箱液位对象和THPFDY-1型双容水箱水箱液位对象。其主体由2个长方体型玻璃容器、1个回收水槽、1个手动连接阀门、2个手动泄水阀门、2个压力式液位传感器、1个水泵及连接构件组成。串级控制系统的目的是使系统具有良好的动态性能和稳态性能，确保主被控量的控制质量，实现无差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主被控对象的时间常数大于副被控对象的时间常数，因而当主被控量未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对主被控量的影响。此外，如果扰动作用于主被控对象，由于副回路的存在，使副被控对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。二、串级水箱的结构和工作原理Figure.1Figure.2液位串级是复杂的过程控制系统，由主、副两个回路组成，每个回路中有各自的调节器和被控对象，即主回路中的调节器称主调节器，被控象为下水槽，作为系统的主被控对象，下水槽的液位为主控制量。副回路中的调节器称副调节器，被控对象为上水槽，为系统副被控对象，上水槽液位为副被控量。二阶双容液位被控对象V1Q1液位控制水箱手动设定LTH1V2Q2液位控制水箱LTH2V3Q3Figure.3二阶双容液位被控对象对于二阶被控对象，流人量Q1的变化首先引起上水箱的液位h1的变化，显然，流入量Q1对被控变量的h2的影响过程更为间接和复杂，所以采用简单的单回路控制系统很难达到满意的控制效果。采用双回路串级控制的方法来实现对双容水箱中下水箱h2的有效控制。控制原理图4所示为二阶双容水箱液位串级控制方框图。串级调节系统是一个双回路系统，实质是把俩个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被调量准确保持为给定值。串级调节主要是用来克服落在副环内的扰动。这些扰动能在中间变量反应出来，很快就被副调节器抵消了。与单回路系统相比，干扰对被调量的影响可以减少许多倍。对于中间变量并无特殊要求，它的选择应该是，既能迅速反应扰动作用，又能使副环包括更多的，特别是幅度大而频繁的扰动。扰动扰动给定+下水箱液位+主控制器副控制器电动调节阀上水箱下水箱--液位变送器液位变送器Figure.4二阶双容水箱液位串级控制方框图主调节器的任务主要是克服落在副环以外的扰动，并准确保持被调量为给定值。由于副回路的存在，串级系统可以看做一个闭合的副回路代替了原来一部分的对象，起了改善对象特性的作用。与单回路系统相比，除了克服落在副环内的扰动以外，还提高了工作频率，加快了过渡过程。串级控制系统必须保证无扰动切换，采用先副回路后主回路的投运方式，即将主回路置于手动状态，以上水箱液位为控制对象，调整设置好副回路的PID参数，然后再调整设置主回路的PID参数。三、串级水箱的数学模型串级水箱的示意图如FIGURE.5所示。其中Q1代表入水量，入水靠水泵打入，Q2代表水箱1的出水量同时也是水箱2的入水量，Q3代表水箱2的出水量，h1代表水箱1的液位高度，h2代表水箱2的液位高度。出水管与连通管近似与水箱底面平行，忽略出水量的重力与所受摩擦力。建模过程中用到的各参数如下Km——流量系数Q1——水箱1的入水量Q2——水箱1的出水量，水箱2的入水量Q3——水箱2的出水量h1——水箱1的液位高度h2——水箱2的液位高度Lmax——水箱1、水箱2和水箱3的最高液位高度A1——水箱1的横截面积A2——水箱2的横截面积a1——水箱1的出水孔横截面积a2——水箱2的出水孔横截面积Q1h1Q2水箱1h2Q3水箱2FIGURE.5双容水箱示意图若设定水泵的输入电压为U，则水箱1的入水量为Q1KmU(1)根据托里拆利公式可得Q2a12gh1(2)Q3a22gh2(3)根据动态物质平衡关系有dh11(Q1Q2)(4)dtA1dh21(Q2Q3)(5)dtA2若取如下状态x1h1,x2h2其中x1——水箱1的液位高度x2——水箱2的液位高度则根据式(1)-(5)的系统的非线性状态空间方程为Kam1x1u2gx1A1A1(6)aax12gx22gx212A2A2若上面未知参数取如下值63Km4.610m/sec/VoltLmax0.3m42A115.517910m42A215.517910m42a10.308710m