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1、题目 10 水箱液位串级控制一、课程设计主要任务及要求1、通过实验了解水箱液位串级控制系统的结构组成与原理。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. THJ-FCS型高级过程控制系统实验装置。2. 计算机及相关软件。三、实验原理本实验为水箱液位的串级控制系统，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，控制对象为中水箱，中水箱的液位为系统的主控制量。副控回路中的调节 器称副调节器，控制对象为上水箱，又称副对象，上水箱的液位为系统的副控制量。主调节 器的输出作为副调节器的给定，因而副
2、控回路是一个随动控制系统。副调节器的的输出直接 驱动气动调节阀，从而达到控制中水箱液位的目的。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。本实验系统结构图和方框图如图5-2所示。四、实验控制系统流程图本实验控制系统流程图如图5-3 所示。图 5-3 实验控制系统流程图 本实验主要涉及三路信号，其中两路是现场测量信号上水箱和中水箱液位，另外一路是 控制阀门定位器的控制信号。上水箱和中水箱液位检测信号 LT1 和 L
3、T2 为标准的模拟信号，直接传送到 SIEMENS 的模拟量输入模块SM331, SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到 PROFIBUS-DP 总线上，PROFIBUS-DP 总线上挂接有控制器 CPU315-2 DP （CPU315-2 DP 为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。本实验的执行机构为带PROFIBUS-PA通讯接口的阀门定位器，挂接在PROFIBUS-PA 总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总 线交换数据，PROFIBUS-DP总线上
4、挂接有控制器CPU315-2 DP，这样控制器CPU315-2 DP 发出的控制信号就经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构气动调 节阀。五、实验内容与步骤 本实验选择上水箱和中水箱串联作为被控对象（也可选择中水箱和下水箱）。实验之前 先将储水箱贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9、中水 箱出水阀门F1-10开至适当开度（要求阀F1-9稍大于阀F1-10）,其余阀门均关闭。1、接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，进入的实验主界面2、在实验主界面中选择本实验项即“水箱液位串级控制实验”，系统进入正常的测试 状
5、态，呈现的实验界面如图5-4 所示。图 5-4 实验界面3、在上位机监控界面中将输出值设置为一个合适的值。4、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， 使中水箱的液位平衡于设定值，且上水箱液位也稳定于某一值（此值一般为35cm，以免 超调过大，水箱断流或溢流）。5、整定调节器参数，并按整定得到的参数进行调节器设定。6、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）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（2）将阀 F1-5、 F1-12 开至适当开度（改变负载）；（3）将气动调节阀的旁路
6、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515，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（后面两种干扰方法仍稳定在原设定值）。记录此时的设定值、输出值和 参数，中水箱液位的响应过程曲线将如图5-5 所示。7、适量改变主、副控的PID参数，重复步骤6,通过实验界面下边的切换按钮，观察 计算机记录不同参数时系统的响应曲线。六、设计报告要求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参数时对系统的性能产生的影响。
水箱液位串级控制
