单容水箱串级控制

1、沈阳理工大学课程设计论文1 过程控制系统简介1.1 系统组成本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380V交流）磁力驱动泵、气动调节阀、直流电磁阀、PA电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。1、被控对象水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传

2、感器检测其温度。 盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。2、检测装置压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。六个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PR

3、OFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成4 20mADC电流信号。流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。3、执行机构调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。变频器：本装

4、置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。 电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580。4、控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型号为315-2DP

5、，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。5、空气压缩机1.2 电源控制台电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。1.3 总线控制柜总线控制柜有以下几部分构成：(1) 控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单元和DP从站供电。(2) 控制站：控制站主要包含CPU、以太网通讯模块、DP链路、分布式I/O DP从站和变频器DP从站构成

6、。(3) 温度变送器： PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。2 串级控制系统简介2.1 串级控制系统的概述图2.1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2.1串级控制系统方框图2.2 串级控制系统的特点(1) 改善了过程的动态特性；(2) 能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力；(3) 提高了系统的鲁棒性；(4) 具有一定的自适应能力。2.3 主、副调节器控制规律的选择在串级控制系统中，主、副

7、调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、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或PI调节器。2.4 串级控制系统的整定方法在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：1、逐步逼近法：在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，把副调节器的参数设置在所求的数值上，然后使主回路闭合，仍按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。尔后，将主调节器参数设置在所求得的数值上，再进行整定，求取

8、第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至满足动态品质指标要求为止。2、两步整定法：两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。整定的具体步骤为： (1) 在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于100%，然后用单回路控制系统的衰减（如4：1）曲线法来整定副回路。记下相应的比例度2S和振荡周期T2S。(2) 将副调节器的比例度置于所求得的2S值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度1S和振荡周期T1S。(3) 根据求取的1S、T1S和2S、T2S值，按单回路系统衰减曲线

9、法的整定公式，计算主、副调节器的比例度、积分时间TI和微分时间Td的数值。(4) 按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当地调整，直到过程的动态品质达到满意为止。3、一步整定法：一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为：(1) 在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/20.5这一关系式，通过副回路的放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。(2) 按照单回路控制系统的任一

10、种参数整定方法来整定主调节器的参数。(3) 改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1 和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数的动态品质指标最佳。(4) 如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度或增大积分时间常数TI，即可得到改善。3 水箱液位串级控制3.1 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。3.2 水箱液位串级控制系统的结构框图 主调节器调节器副调节器气动阀管道上水箱流量变送器液位变送器h（液位）一次干扰二次干扰给定值+-+-h1图3.1液位-流量串级控制系统的结构框图3.3 系统工作原理本实

11、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。3.4 控制系统流程

12、图控制系统流程图如图3.2所示。 图3.2 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LT2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

13、，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），

14、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：（

15、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。图5-5 水箱液位的响应过程曲线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

16、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。3.6 实验结果分析3.6.1 整定过程分析3.5 主调节器设定(1) 如图3.5所示，在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于100%，然后用单回路控制系统的衰减（如4：1）曲线法来整定副回路。置副调节时间为最大值，微分时间为0，比例带为较大值，将系统投入运行。待系统稳

17、定之后，做设定值阶跃扰动，观察响应，若系统衰减太快，则减小比例带；若过慢，则增大比例带。如此反复直到系统出现4：1衰减震荡过程。记下相应的比例度2S和振荡周期T2S。(2) 将副调节器的比例度置于所求得的2S值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度1S和振荡周期T1S。(3) 根据求取的1S、T1S和2S、T2S值，按单回路系统衰减曲线法的整定公式，计算主、副调节器的比例度、积分时间TI和微分时间Td的数值。(4) 按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当地调整，直到过程的动态品质达到

18、满意为止。上述过程为根据图形进行的理论计算，在试实验中用试凑法进行整定。其方法为设置几组参数，分别投入运行，观察系统的响应曲线。原则为先整定副回路再整定主回路，先进行比例积分最后进行微分，比较各个步骤的曲线找出每组最优。将所得的各个参数结合起来，得到最终的整定参数。3.6.2 扰动下的响应分析将设定值改变之后得到如下图所示的响应曲线图3.6 响应曲线则系统受到设定值干扰之后，其稳态值变大。同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。例如此控制系统中有一次干扰和二次干扰，则二次干扰就影响前面的调节阀，副调节器灯扰动点前的环节。

19、3.6.3 主、副调节器采用不同调节器时对系统动态性能的影响(1) 副调节器参数不变，主调节器分别采用P调节，PI调节和PID调节系统响应曲线如下图所示：图3.7主调节器采用P调节，图3.8 主调节器采用PI调节图3.9 主调节器采用PD调节图3.10 主调节器采用PID调节(2) 主调节器参数改变，将比例系数由1变为2，副调节器参数不变时，PID调节系统响应曲线如图所示：图3.11 主调节器参数改变时分别比较图3.7和3.8，图3.11可知，纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。引入积分作用之后，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，最大动态偏差减小，使系统响应更加理想。比较图3.8和3.9，引入微分作用之后，由于微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态误差。但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和调节变快，调节阀变化速度加快。而且抑制被调量的振荡，能够提高控制系统稳定性。综上所述PI