实验3单回路控制系统2014

1、实验三实验三 单回路控制系统运行与研究单回路控制系统运行与研究2014年年 4月月自动化系统与装置实验室自动化系统与装置实验室液位单回路自动控制系统液位单回路自动控制系统o 目的：通过对一个液位单回路控制系统的构建与操作，目的：通过对一个液位单回路控制系统的构建与操作，更深入理解一个工业自控系统的结构、工作原理以及投更深入理解一个工业自控系统的结构、工作原理以及投运步骤；掌握控制系统的调整方法运步骤；掌握控制系统的调整方法工程工程参数整定；参数整定；o 了解控制系统的几个环节：了解控制系统的几个环节：o 被控参数：二级水槽中所贮存的液体容量被控参数：二级水槽中所贮存的液体容量下水箱水位；下水箱

2、水位；o 控制量：由控制阀操作的、进入水箱的管路流量。控制量：由控制阀操作的、进入水箱的管路流量。o 对控制系统的要求对控制系统的要求：使被控参数（液位）能保持在设定值上，抵御一定的外部扰动，满足质量与安全的要求。o 实验项目实验项目：构建构建一个满足上述基本要求的（单回路）控制系统，平稳地将其运行运行到自动状态自动状态；调整调整控制器的参数，以满足控制的质量要求。1.实验目的与要求实验目的与要求o 进行系统信号连线，构建一个单回路控制系统；o 启动计算机与实验设备，手动操作该系统达到稳定，然后进行手动-自动的无扰动切换无扰动切换，o 调整控制器的参数，寻找满足控制要求的控制器参控制器参数数（

3、P P、I I、D D ）；）；o 进行测试，判断是否达到希望的控制质量要求质量要求，通，通常应是一个常应是一个渐进的稳定过程渐进的稳定过程（如 4:1衰减过程)；o 通常衰减比n应大于4。o 测试应以随动（内部扰动）和定值（外部扰动）两种情况验证。2.本实验的主要内容本实验的主要内容液位单回路自动控制系统液位单回路自动控制系统液位单回路自动控制系统o 右图是控制系统的结构图；右图是控制系统的结构图；o 红色虚线及蓝色点画线代表红色虚线及蓝色点画线代表待连接的信号线；待连接的信号线；o 下图是从方通过框图来表示下图是从方通过框图来表示的单回路控制系统及需要连的单回路控制系统及需要连线的部分；线

4、的部分；3. 单回路控制实验信号连线单回路控制实验信号连线广义对象广义对象液位单回路自动控制系统o 系统连线如下：两控制器中系统连线如下：两控制器中，左侧控制器为实验，左侧控制器为实验PID控控制器，其输入端连接到下液制器，其输入端连接到下液位变送器，输出端接到控制位变送器，输出端接到控制阀的输入端口；阀的输入端口；o 右侧的控制器仅作为辅助监右侧的控制器仅作为辅助监视视-操作器，实验中始终置于操作器，实验中始终置于手动，其输入接中液位变送手动，其输入接中液位变送器，输出连接在变频器的输器，输出连接在变频器的输入端口；入端口；输出值输出值输出值输出值LT103LT102FV101UT1013.

5、 单回路控制实验信号连线单回路控制实验信号连线液位单回路自动控制系统o 4 4. .实验的具体步骤实验的具体步骤：o 完成自动控制系统连线，做好系统运行的准备：o 操作同上次，首先检查管路、阀门（包括闸板的高度），启动实验软件，点击控制器，置成手动手动状态；调整控制器的输出为50%左右，启动水泵2。等待系统达到平稳，此过程不要频繁调整阀门的开度；o 手动手动- -自动无扰动切换自动无扰动切换： 待下水箱的液位达到稳定，调整设定值（SP），等于始终等于测量值（PV），在系统无偏差的情况下，将控制器切换到自动。o 特别提示特别提示：工业控制操作中一般是调整测量值等于设定值，实验中为了缩短等候时间，

6、才采用调整设定值等于测量值的；液位单回路自动控制系统o 工程参数整定也有多种方法，使用较多的有反应曲线法，临界比例度法，衰减曲线法等。在过控中我们推荐使用的是衰减曲线法(衰减比为410:1)。它的最大好处就是适合在现场调整，且安全性较高。因为工业设备都具备一定的操作余量，反馈控制系统具有一定的鲁棒性，因此没有必要求控制器参数整定的十分精确。o 参数整定的具体步骤如下：o (1)为了找到控制器的合适参数，我们需要简化搜索范围，以便在现场复杂的情况下尽快找到合适的参数。o 首先是将积分和微分作用去掉；注意积分时间积分时间与微分时微分时间间的设置(I=3600,D=0)。5. 控制器参数的工程整定控

7、制器参数的工程整定液位单回路自动控制系统o 这样控制器就变成纯比例控制器。把搜索三个适合参数的任务简化成寻找一个比例度P的任务。为了安全，要从较安全的参数开始搜起，通常先设为一较大的值，比如可设置P为100（即100%）。（注意：P与Kp的关系）o (2)若系统是一直稳定就无从判断控制器参数是否合适。只有“打破” 稳定状态，才能判断出控制作用是否满足要求。现场多是通过改变设定值，给系统施加一幅度为510%的阶跃变化，观察被控制参数能否较快地跟上并稳定在设定值附近。这个过程中不应产生过大的偏差和过长的偏离时间及过多的震荡。液位单回路自动控制系统o (3)施加干扰时，设定值应在稳态工作点附近做往返

8、变化，具体先向哪个方向变化取决于当时的水位高度。一般希望工作点在水箱液位的中部。每次变化后要等到系统确实稳定后再向相反方向变化。o (4)然后可将比例度P分别改为50% 、30%，每改变一次P，都应在设定值加干扰进行测试，观察过渡过程曲线的变化，找到更接近4:1衰减振荡过程，记下对应的P值；o (5)以该比例度为基础，将比例度P乘以1.2倍，并以P所对应的曲线振荡周期（两个波峰之间的时间）的一半时间为积分时间积分时间TiTi，将控制器改置PI（比例+积分）控制器；液位单回路自动控制系统o 在此PI参数下再次改变设定值，测试控制器的PI参数是否满足要求，即控制的效果和质量。若不合适还可对PI参数

9、再作调整，直至达到要求。o 若有时间，可根据前面的P，查表得到P、I、D作用，使控制器成为P+I+D的三作用控制器。然后再次施加干扰，观察其控制效果；液位单回路控制系统o系统整定过程是通过改变系统给定值系统内部干扰，按照随动随动系统系统整定的；但在实用中，自控系统是为克服外部干扰，作为定定值系统值系统工作的，系统的波动情况还并不一样。为了更客观、更真实地评价系统质量，最好能对外部干扰进行测试验证。o 外部干扰测试，应采用可测量又方便调整的非控制量作为扰动输入。在液位系统中，能影响液位的除了控制流量外，还有另一路流量作为扰动。该流量由变频器调整，其值可计量，但为减少参数间的影响，应手动操作加干扰

10、，故应使用手动信号发生器，或用置于“手动”的控制器施加干扰输入信号。o 在此实验装置中，通过手动切换阀，选择扰动流量加在系统的两个位置更靠近控制阀，或更控制测量端进入中水箱或进入下水箱。6. 单回路控制的质量研究单回路控制的质量研究液位单回路自动控制系统o 每个位置的干扰最好至少一增一减，反复扰动两次。每次测试都要等待系统完全稳定后再进行下一次。扰动的幅度可取510%。o 若是系统的过渡过程不能满足质量要求，可对PID参数再次稍作调整，直至合适。单回路控制质量研究操作步骤单回路控制质量研究操作步骤F(s)液位单回路自动控制系统o因为有两路流量可进入水箱影响液位，所以需对另外一路流量进行操因为有

11、两路流量可进入水箱影响液位，所以需对另外一路流量进行操作，该流路可通过作，该流路可通过变频器变频器进行操作。先对变频器进行连线。进行操作。先对变频器进行连线。o 启动变频器，接通变频器电源，然后接通变频器电源，开启启动开关，还要注意打开1#电磁阀，检查手动阀开闭状态是否正确，确保流水能流入指定的水箱。o 操作变频器输入，置于较低的数值上（例如在20%）。待系统稳定后，检查控制器参数是否都在整定好的位置，然后改变变频器数值510%。待系统稳定后，再向反向变化一次，综合两次控制决定控制器参数是否需调整。o 改变两手动阀的开闭，关闭进入该水箱的流路，开启进入另一水箱的流路。待系统稳定后，重复刚才的测试步骤，改变变频器的输入升降各一次。单回路控制质量研究操作步骤单回路控制质量研究操作步骤液位单回路自动控制系统o 实验思考：实验思考：o 1）单回路控制系统的结构及基本工作原理，本实验中测量变送器是什么原理，控制阀是什么作用，控制系统的需连接的信号是什么？o 2）如何保证自动控制系统是负反馈的，控制器的正、反作用是指的什么，该系统的控制器是什么作用？o 3）为什么要实行手动到自动状态的无扰动切换，无扰动切换的一般操作步骤；o 4）常用的工程参数整定法有哪些，其本质是什么，各有什么特点；液位单回