实验四串级控制系统实验一、实验目的1．通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。2．掌握水箱液位串级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。二、实验设备1．THPCAT-2型现场总线过程控制对象系统实验装置；2．AT-I智能调节仪表挂件、RS485/232转换器及RS485通讯线；3．PC机。三、实验原理图4-1是串级控制系统的方框图，该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。图4-1串级控制系统方框图R-主参数的给定值；C1-被控的主参数；C2-副参数；f1(t)-作用在主对象上的扰动；f2(t)-作用在副对象上的扰动。本实验要求针对水箱液位控制系统设计串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，副控回路中的调节器称副调节器，主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。副调节器的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制主对象液位的目的。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调节器。四、实验内容与要求1.实验前的准备工作：1）实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书，了解实验目的、项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按实验项目准备记录等。2）实验前应了解实验装置中的对象、水泵和所用控制组件的名称、作用及其所在位置,如图4-2所示，以便于在实验中对它们进行操作和观察。3）熟悉实验装置面板图，要求做到由面板上的图形、文字符号能准确找到该设备的实际位置；4）熟悉工艺管道结构、每个手动阀门的位置及其作用。5）将“AT-I智能调节仪”挂件挂到网孔板上，并将挂件的通讯线插头通过RS485通讯线与RS485/232转换器连接到计算机串口1。（注意串口连线时至少保证一方断电）6）将储水箱中贮足水量。图4-2THPCAT-2型现场总线过程控制对象系统实验装置图2.实验内容：该实验要求学生利用串级控制理论相关知识，针对分布控制实验室“THPCAT-2型现场总线过程控制对象系统实验装置”，设计水箱液位串级控制系统。具体为：选择水箱作为被控对象，智能调节仪作为控制器，PC机作为上位机，运用MCGS组态软件对系统运行进行监控，独立完成硬件管路与线路的连接，整定PID参数，使主对象的液位值稳定于目标给定值，记录过程曲线，完成水箱液位串级控制系统的调试。3.实验设计要求：1）根据题目设计水箱液位串级控制系统，包括调节器的选择，控制对象的选择、检测变送单元的选择、执行器的选择等，并画出系统的流程图和结构框图。2）设计方案的确定及审核a.本实验可选择上小水箱和下水箱串联作为被测对象，也可选择上大水箱和下水箱或者上小水箱和上大水箱。根据所选的被测对象系统，确定主、副被控对象，主、副被控变量，主、副调节器等。b.主控制回路是一个定值控制系统，而副控制回路是随动控制系统，请根据主副控制回路的特点选择各控制回路的控制规律。c.方案经指导教师审核后，连接实验线路图，并设置仪表参数，准备系统投入运行。3）方案实施，记录过渡过程曲线系统投入运行，主副调节器PID参数整定，使主要被控参数稳定于给定值，记录系统的响应过程曲线。4.实验操作步骤参考：1）强电连线：单相I电源L、N端对应接到AT-1智能调节仪表挂件电源输入L、N端。2）弱电连线：根据方案所选择的主副被控对象、压力变送器、主副调节仪表、执行器等，完成线路连接。3）管路连接：各水箱进出口管路连接。4）管路、阀门、接线检查无误并经指导教师确认后接通总电源开关，打开实验所需的各电源开关。5）检查智能调节仪基本参数设置：包括SN、DIL、DIH、OP1、OPL、OPH、CF、ADDR、RUN等主要参数的设置，具体参考实验室宇光智能仪表手册。6）打开上位机MCGS组态环境，打开“THPCAT-2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“水箱液位串级控制实验”，进入监控界面。7）根据自己设计的控制方案，在监控界面中选中被控变量和设定主对象液位给定值，将主副调节仪表设置为“手动”，并将仪表输出值设置为一个合适的值。8）将磁力泵开关打到手动档，磁力驱动泵上电打水。同时，根据方案所选择的控制规律，设定PID三个参数值。9）当主被控对象液位趋