过程控制-上水箱液位及进水流量串级控制系统

1、-. z.目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc4050524281 过程控制系统简介 PAGEREF _Toc405052428 h 2HYPERLINK l _Toc4050524291.1 系统组成 PAGEREF _Toc405052429 h 2HYPERLINK l _Toc4050524301.2 电源控制台 PAGEREF _Toc405052430 h 3HYPERLINK l _Toc4050524311.3 总线控制柜 PAGEREF _Toc405052431 h 3HYPERLINK l _Toc4050524322 实验原理 PAGE

2、REF _Toc405052432 h 3HYPERLINK l _Toc4050524332.1 单容水箱设备工作原理 PAGEREF _Toc405052433 h 3HYPERLINK l _Toc4050524342.2 双容水箱设备工作原理 PAGEREF _Toc405052434 h 3HYPERLINK l _Toc4050524352.3 系统工作原理 PAGEREF _Toc405052435 h 3HYPERLINK l _Toc4050524362.4 控制系统流程图 PAGEREF _Toc405052436 h 3HYPERLINK l _Toc4050524373

3、实验结果分析 PAGEREF _Toc405052437 h 3HYPERLINK l _Toc4050524383.1 实验过程 PAGEREF _Toc405052438 h 3HYPERLINK l _Toc4050524393.2实验分析 PAGEREF _Toc405052439 h 3HYPERLINK l _Toc405052440单容水箱实验结果分析 PAGEREF _Toc405052440 h 3HYPERLINK l _Toc405052441双容水箱实验结果分析 PAGEREF _Toc405052441 h 3HYPERLINK l _Toc405052442单容双容

4、水箱比拟 PAGEREF _Toc405052442 h 3HYPERLINK l _Toc4050524433.3实验结论 PAGEREF _Toc405052443 h 3HYPERLINK l _Toc405052444总结 PAGEREF _Toc405052444 h 3HYPERLINK l _Toc405052445参考文献 PAGEREF _Toc405052445 h 31 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局部组成。系统动力支路分两路：一路由三相380V交流磁力驱动泵、电动调节阀、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、

5、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。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，彻底防止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。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展测量。本装置采用两套流量传感器、

6、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进展测量，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通讯协议的电动调节阀，用来进展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

7、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，本CPU既具有能进展多点通讯功能的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：充分考虑人身平安保护，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

8、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局部构成：(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温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。2 实验原理2.1 单容水箱设备工作原理单容实验系统构造图和方框图如图1所示。被控量为中水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的

9、中水箱液位信号作为反响信号，在与给定量比拟后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以到达控水箱液位的目的。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，系统的调节器应为PI或PID控制。图2.1 单容水箱图 (a)构造图 (b)方框图所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。一、自衡过程的建摸所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。图2-1所示为一个单容液位被控过程，其流入量，改变阀1的开度可以改变的大小。其流出量为，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变。液位h的变化反

10、映了与不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程.假设作为被控过程的输入变量,h为其输出变量,则该被控过程的数学模型就是h与之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有 (2-1)将公式2-1表示成增量式为 (2-2)在静态时，；当发生变化时，液位h随之变化，贮蓄出口处的静压随之变化，也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线形关系2。但为了简化起见，经线形变化，则可近似认为与h成正比关系，而与阀2的阻力成反比。为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量。消去中间变量的方法很多，如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。这里，介绍后一种方法。1h12a*htt00图2-

11、2液位被控过程及其阶跃响应单容液位过程的传递函数为： (2-3)式中：过程的时间常数，；过程的放大系数，；过程的容量系数，或称过程容量。被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。其物理意义:是：引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大小。图2-2b所示为单容液位被控过程的阶跃响应曲线。从上述分析可知，液阻不但影响过程的时间常数，而且还影响过程的放大系数，而容量系数C仅影响过程的时间常数。在工业生产过程中，过程的纯时延问题是经常碰到的。如皮带运输机的物料传输过程，管道输送、管道反响和管道的混合过程等。下面讨论纯时延过程的建模。图2-3 纯时延单容过程及其响应

12、曲线图2-3所示，流量通过长度为l的管道流入贮罐。当进水阀开度产生扰动后，需要流经管道长度为l的传输时间后才流入贮罐，才使液位h发生变化。具有纯时延单容过程的阶跃响应曲线如图2-2曲线2所示，它与无时延单容过程的阶跃响应曲线在形状上完全一样，仅差一纯时延。具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为 (2-4) 式中：过程的时间常数，；过程的放大系数，；过程的纯时延时间。二、无自衡过程的建模所谓无自衡过程，是指过程在扰动的作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身能力不能重新恢复平衡的过程。2.2 双容水箱设备工作原理双容实验系统构造图和方框图如图1所示。被控量为上水箱的液

13、位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的中水箱液位信号作为反响信号，在与给定量比拟后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以到达控水箱液位的目的。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，系统的调节器应为PI或PID控制。主调节器调节器电动阀上水箱中水箱液位变送器h液位一次干扰二次干扰给定值+-+Q1图2.5 双容水箱图 (a)构造图 (b)方框图在工业生产过程中，被控过程往往是由多个容积和阻力构成，这种过程称为多容过程。现在，以具有自衡能力的双容过程为例，来讨论其建立数学模型的方法。其被控量是第二只水箱的液位，输入量为与上述分析方法一样，根据物料平衡关系可以

14、列出以下方程 (2-5) (2-6) (2-7) (2-8)为了消去双容过程的中间变量、，将上述方程组进展拉氏变换。 (2-9)式中：第一只水箱的时间常数，；第二只水箱的时间常数，；过程的放大系数，；分别是两只水箱的容量系数。流量有一阶跃变化时，被控量的响应曲线。与单容过程比拟，多容过程受到扰动后，被控参数的变化速度并不是一开场就最大，而是要经过一段时延之后才到达最大值。即多容过程对于扰动的响应在时间上存在时延，被称为容量时延。产生容量时延的原因主要是两个容积之间存在阻力，所以使的响应时间向后推移。容量时延可用作图法求得，即通过响应曲线的拐点D作切线，与时间轴相交与A，与相交与C，C点在时间轴

15、上的投影B，OA即为容量时延时间，AB即为过程的时间常数T。对与无自衡能力的双容过程，被控量为，输入量为。产生阶跃变化时，液位并不立即以最大的速度变化，由于中间具有容积和阻力。对扰动的响应有他、一定的时延和惯性。 (2-10)式中：T0过程积分时间常数，T0 = C2； T第一只水箱的时间常数。同理，无自衡多容过程的数学模型为 (2-11)当然无自衡多容过程具有纯时延时，则其数学模型为 (2-12)2.3 系统工作原理本系统的主控量为上水箱的液位高度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

16、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，以到达对主控制量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，通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。2.4 控制系统流程图控制系统流程图如图2.6所示。图2.6 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

17、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CPU315-2 DPCPU315-2 DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站，这样就完成了现场测量信号向控制器CPU315-2 DP的传送。本实验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PROFIBUS-PA通讯接口的部件，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通

18、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PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP总线*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CPU315-2 DP发出的控制信号经PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线，以控制执行机构阀门定位器。3实验结果分析3.1 实验过程本实验选择上水箱和气动调节阀支路组成串级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F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度

19、，其余阀门均关闭。1、接通控制系统电源，翻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3.1所示。图3.1 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适宜的值。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，并按整定得到的参数对调节器进展设定。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

20、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F1-3或F1-4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。参加干扰后，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，上水箱液位的响应过程曲线将如图3.2所示。图3.2 上水箱液位阶跃响应曲线3.2实验分析单容水箱实验结果分析图3.3 PI控制下液位阶跃响应曲线1图3.4 PID控制下液位阶跃响

21、应曲线在单容水箱条件下，即水管直接对中水箱供水，调整比例度K参数为0.2，积分时间I参数为120000，得到的中水箱液位阶跃响应曲线如图3.3所示。在保持K,I参数不变的情况下，增加积分时间D的作用，设置D参数为10000，得到的中水箱液位阶跃响应曲线如图3.4所示。两图比拟可以看出，阶跃响应曲线根本没有改变，故可分析得出：在本次实验中微分时间D对中水箱液位的影响不大。图3.5 PI控制下液位阶跃响应曲线2在保持图3.3中I参数不变的情况下，增加比例度K的作用，设置K参数为1.5，得到的中水箱液位阶跃响应曲线如图3.5所示。两图比拟可以看出，超调量明显减小，并且曲线到达稳态的时间明显缩短。图3

22、.6 PI控制下液位阶跃响应曲线3在保持图3.3中P参数不变的情况下，增加积分时间I的作用，设置I参数为200000，得到的中水箱液位阶跃响应曲线如图3.6所示。两图比拟可以看出，超调量略微减小，并且曲线振荡周期明显增长。双容水箱实验结果分析图3.7 PI控制下液位阶跃响应曲线A图3.8 PI控制下液位阶跃响应曲线B如上图3.7、3.8所示。在保持图3.7中P参数不变的情况下，减小积分时间I的作用，设置I参数为100000，得到的中水箱液位阶跃响应曲线如图3.8所示。两图比拟可以看出，超调量略微增大，并且曲线振荡周期明显减小。图3.8 PI控制下液位阶跃响应曲线C如上图3.8、3.9所示。在保持图3.8中I参数不变的情况下，减小比例度K的作用，设置K参数为0.1，得到的中水箱液位阶跃响应曲线如图3.9所示。两图比拟可以看出，超调量略微减小，并且曲线振荡周期略微增大。图3.9 PID控制下液位阶跃响应曲线在比例度，积分时间，微分时间都进展的P