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二阶双水箱对象特性测试与串级控制实验

一、实验目的

测量双容水箱特性曲线；构成串级控制双闭环回路

二、实验内容

1、生产过程（二阶液位）的建模试验（测试不同流阻下的响应曲线，注意

过程的非线性特性，）；

2串级（二阶液位）控制系统的投运，用2种以上的方法整定主副控制器的

PID参数，记录下的系统品质指标，通过实验掌握根据运行状态和系统指标调整

PID参数的方法。

三、实验过程

1通过对二阶模型工作点的寻找过程的曲线分析，二阶模型时间常数比一阶

模型大，滞后大。

K

双容过程的传递函数：W(S)

TTS2(TT）S1

1212

K

或W(S)

（TS1）(TS1）

12

特性参数为K、T1、T2

开度40%的曲线如图1

图1

2构成串级双闭环回路后

上水箱液位作为副调节器调节对象，下水箱液位做为主调节器调节对象。控

制框图如图

图2

(1)、串级控制系统的组成

图示为液位串级控制系统。这种系统具有2个调节器、2个闭合回路和两个

执行对象。2个调节器分别设置在主、副回路中，设在主回路的调节器称主调节

器，设在副回路的调节器称为副调节器。两个调节器串联连接，主调节器的输出

作为副回路的给定量，副调节器的输出去控制执行元件。主对象的输出为系统的

被控制量中下水箱液位，副对象的输出是一个辅助控制变量。

(2)、串级系统的抗干扰能力

串级系统由于增加了副回路，对于进入副环内的干扰具有很强的抑制作用，

因此作用于副环的干扰对主被控量的影响就比较小。系统的主回路是定值控制，

而副回环是一个随动控制。在设计串级控制系统时，要求系统副对象的时间常数

要远小于主对象。此外，为了指示系统的控制精度，一般主调节器设计成PI或

PID调节器，而副调节器一般设计为比例P控制，以提高副回路的快速响应。在

搭实验线路时，要注意到两个调节器的极性（目的是保证主、副回路都是负反馈

控制）。

(3)、串级控制系统与单回路的控制系统相比

串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效对象的时间

常数减小，系统的工作频率提高，改善了系统的动态性能，使系统的响应加快，

控制及时。同时，由于串级系统具有主副两只控制器，总放大倍数增大，系统的

扰干扰能力增强。因此，它的控制质量要比单回路控制系统高。

(4)、串级控制系统的投运和整定有一步整定法，也有两步整定法，即先整定副

回路，后整定主回路。

我们采用两部整定法。

先整定副回路，即上水箱的PID参数整定，将主调节器设置为手动。副回

路整定一般使用P或PI控制，不采用微分控制。通过手动调节主调节器的输出

给副调节器输入给定值，得到曲线如图3

图3

通过整定P=4，ID为0，副回路整定完毕。将主调节器设置为自动，再整

定主回路，即下水箱的PID参数整定。通过给定主调节输入，得到如图4曲线

图4

P=10，放大倍数大，系统出现震荡，应该增大比例度。如图5

图5

P=15，震荡仍然存在，继续增大比例度，如图6

图6

P=17.5，只