过程控制—上水箱液位与进水流量串级控制系统.doc

1、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感器检测其温度。 盘管：

2、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PROFIBUSPA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PROFIBUS-PA通讯协议

3、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PROFIBUSPA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PROFIBUSPA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：本装置采用SIEMENS带PROF

4、IBUS-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16CQ8P,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3152DP，本CPU既具有能进行多点通讯功能

5、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。（3） 温度变送器： PA温度变

6、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、副调节器所起的作用是不同的。主调节器

7、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,求取第二次副调节器的整定参数值，然后再

8、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法的整定公式，计算主、副调节器的比

9、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种参数整定方法来整定主调节器的参数

10、。（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 上水箱液位与进水流量串级控制系统3.1 实验设备：1. THJFCS型高级过程控制系统实验装置。2. 计算机及相关软件。3。2 液位流量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+-+-Q1图3。1液位流量串级控制系统的结构框图3.3 系统工作原理本系统的主控量为上水箱的液

11、位高度H,副控量为气动调节阀支路流量Q,它是一个辅助的控制变量。系统由主、副两个回路所组成.主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量H等于给定值，因而系统的主调节器应为PI或PID控制.副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律,以达到对主控制量H的控制目的，因而副调节器可采用P控制。但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI控制规律.引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时,通

12、过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。3。4 控制系统流程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液位和管道流量,另外一路是控制阀门定位器的控制信号。本实验中的上水箱液位信号是标准的模拟信号，与SIEMENS的模拟量输入模块SM331相连，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CPU3152 DP（CPU3152 DP为PROFIBUSDP总线上的DP主站)，这样就完成了现场测量信号向控制器CPU3152 DP的传送。 本实验

13、中的流量检测装置（电磁流量计）和执行机构（阀门定位器）均为带PROFIBUSPA通讯接口的部件，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。由于PROFIBUSPA总线和PROFIBUSDP总线中信号传输是双向的，这样既完成了现场检测信号向CPU的传送，又使得控制器CPU3152 DP发出的控制信号经PROFIBUSDP总线到达PROFIBUSPA总线，以控制执行机构阀门定位器。3。5 实验过程本实验选择上水箱和气动调节阀支路组成串级

14、控制系统（也可采用变频器支路)。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F11、F12、F1-6全开,将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度，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“上水箱液位与进水口流量串级控制实验"，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图3.3所示.图3.3 实验界面3、在上位机监控界面中，将副调节器设置为“手动”，并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/减少副调节器的输出量，使上水箱的液位稳定于设定值。5、整定调节器的参数，并按整定得到的

15、参数对调节器进行设定。6、待上水箱进水流量相对稳定，且其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） 将气动调节阀的旁路阀F13或F14（同电磁阀)开至适当开度；(3） 将阀F1-5、F1-13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。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,水箱液位稳定于新的设定值（后面两种干扰方法仍稳定在原设定值）。通过实验界面下边的切换按钮，观察计算机记录的设定值、输出值和参数,上水箱液位的

16、响应过程曲线将如图3.4所示。图3。4 上水箱液位阶跃响应曲线7、适量改变调节器的PID参数，重复步骤6，观察计算机记录不同参数时系统的响应曲线。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

17、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

18、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。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

19、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PID调节（2） 主调节器参数不变，副调节器分别采用P调节，PI调节和PID调节系统响应曲线如图所示：图3.10 副调节器采用P调节图3。11副调节器采用PI调节图3。12 副调节器采用PID调节分别比较图3。7和3。8，图3。10和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

20、.9，图3。11和3.12可知，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PID调节器是最为理想的调节器，它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。但具体的系统使用何种调节器根据系统控制要求而定。在此系统中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。3。6.4 主、副调节器采用不同PID参数时对系统动态性能的影响副调节器变化各个曲线如下图所示：图3.13 副调节器图3。14 比例度变化的副调节器图3。15 积分时间变化的副调节器图3.与图3.14比例度发生变化,图3.14与图3.15积分时间发生变化，其具体参数变化对控制系统的影响