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双容水箱液位串级PID控制实验

一、实验目的

1、进一步熟悉PID调节规律

2、学习串级PID控制系统的组成和原理

3、学习串级PID控制系统投运和参数整定

二、实验设备

1、四水箱实验系统DDC实验软件

2、PC机（Window2000Professional操作系统）

三、实验原理

1、控制系统的组成及原理

一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制

器称为“串级”控制器。两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自

己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串

级控制系统。本仿真系统的双容水箱串级控制系统如下图所示：

干扰干扰

设定r1×e1PID控制器1r2×e2PID控制器2上水箱y2下水箱y1

＋＋

--

ym2

测量电路2

ym1

测量电路1

图17－1本仿真系统的双容水箱串级控制系统框图

串级控制器术语说明

主变量：y1称主变量。使它保持平稳使控制的主要目的

副变量：y2称副变量。它是被控制过程中引出的中间变量

副对象：上水箱

主对象：下水箱

主控制器：PID控制器1，它接受的是主变量的偏差e1，其输出是去改变副控

制器的设定值

副控制器：PID控制器2，它接受的是副变量的偏差e2，其输出去控制阀门

副回路：处于串级控制系统内部的，由PID控制器2和上水箱组成的回路

主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入，以副变量y2为输出

的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。

串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作

用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是串级

控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成

了一个回路，因此具有一系列的特点。串级控制系统的主要优点有：

1）副回路的干扰抑制作用

发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正

2）主回路响应速度的改善

副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回

路的相应速度

3）鲁棒性的增强

串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性

4）副回路控制的作用

副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制

由此可见，串级控制是改善调节过程极为有效的方法，因此得到了广泛的应用。

2、串级PID控制系统投运

串级控制系统和简单控制系统的投运要求一样，必须保证无扰动切换，采用先

副回路后主回路的投运方式。这里以我们的串级控制系统为例，给出具体的操作步

骤：

A.将主、副控制器的切换开关都置于手动位置，副回路处于内给定

B.用副控制器的输出控制阀门，使主变量接近设定值，当工况比较平稳时，

将副控制器设成自动——无扰动切换，因为手动状态时副控制器的设定值

跟踪副变量

C.手动设定主控制器的输出值等