过程控制上水箱液位与进水流量串级控制系统.docx

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过程控制上水箱液位与进水流量串级控制系统

1过程控制系统简介.....................................................2

1.1系统组成.......................................................2

1.2电源控制台.....................................................3

1.3总线控制柜.....................................................3

2实验原理.............................................................4

2.1单容水箱设备工作原理...........................................4

2.2双容水箱设备工作原理............................................7

2.3系统工作原理....................................................9

2.4控制系统流程图..................................................9

3实验结果分析.........................................................11

3.1实验过程.......................................................11

3.2实验分析.......................................................12

3.2.1单容水箱实验结果分析......................................12

3.2.2双容水箱实验结果分析......................................14

3.2.3单容双容水箱比较..........................................16

3.3实验结论.......................................................17

总结...................................................................18

参考文献...............................................................19

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、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、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。

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通讯协议的电动调节阀，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4～20mA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：

－5～80℃。

4、控制器

控制器采用SIEMENS公司的S7300CPU，型号为315-2DP，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/ODP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

单容实验系统结构图和方框图如图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检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。

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结构图（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Q1，改变阀1的开度可以改变Q1的大小。

其流出量为Q2，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变Q2。

液位h的变化

反映了Q1与Q2不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程.若Q1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Q1之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有

Q1-Q2=A

将公式（2-1）表示成增量式为dhdt（2-1

∆Q1-∆Q2=Ad∆h

dt（2-2

在静态时，Q1=Q2；当Q1发生变化时，液位h随之变化，贮蓄出口处的静压随之变化，Q2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Q2与h成正比关系，而与阀2的阻力R2成反比。

为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量Q2。

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。

2

（a）

X

0t0

图2-2液位被控过程及其阶跃响应

单容液位过程的传递函数为：

W0（s=

K0H（sR2==Q1（sR1Cs+1T0s+1（2-3

式中：

T0——过程的时间常数，T0=R2c；

K0——过程的放大系数，K0=R2；

C——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2-2（b）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R2不但影响过程的时间常数T0，而且还影响过程的放大系数K0，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、管道反应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曲线

图2-3所示，流量Q1通过长度为l的管道流入贮罐。

当进水阀开度产生扰动后，Q1需要流经管道长度为l的传输时间t0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相同，仅差一纯时延t0。

具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为d∆hT0+∆h=K0Q1（T-t0dtW0（s=

K0H（s=e-t0sQ1（sT0s+1（2-4

式中：

T0——过程的时间常数，T0=R2c；

K0——过程的放大系数，K0=R2；

t0——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

双容实验系统结构图和方框图如图1所示。

被控量为上水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。

将压力传感器LT1检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。

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2.5双容水箱图（a结构图（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h2，输入量为Q1与上述分析方法相同，根据物料平衡关系可以列出下列方程∆Q1-∆Q2=C1d∆h1（2-5dt

∆Q2=

∆h1R2（2-6d∆h2

dt（2-7∆Q2-Q3=C2

∆Q3=

∆h2R3（2-8

为了消去双容过程的中间变量h1、Q2、Q3，将上述方程组进行拉氏变换。

W0（s=

K0H2（s=Q1（s（T1s+1（T2s+1（2-9式中：

R1——第一只水箱的时间常数，T1=R2C1；

T2——第二只水箱的时间常数，T2=C2R3；

K0——过程的放大系数，K0=R3；

C1,C2——分别是两只水箱的容量系数。

流量Q1有一阶跃变化时，被控量h2的响应曲线。

与单容过程比较，多容过程受到扰动后，被控参数h2的变化速度并不是一开始就最大，而是要经过一段时延之后才达到最大值。

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h2的响应时间向后推移。

容量时延可用作图法求得，即通过h2响应曲线的拐点D作切线，与时间轴相交与A，与h2相交与C，C点在时间轴上的投影B，OA即为容量时延时间tc，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h2，输入量为Q1。

Q1产生阶跃变化时，液位h2并不立即以最大的速度变化，由于中间具有容积和阻力。

h2对扰动的响应有他、一定的时延和惯性。

W0（s=H2（s11（2-10=Q1（sT0s（Ts+1

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

W0（s=11（2-11T0s（Ts+1n

当然无自衡多容过程具有纯时延时，则其数学模型为

11-t0s（2-12enT0s（Ts+1W0（s=

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CPU315-2DP（CPU315-2DP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CPU315-2DP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CPU315-2DP。

由于PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP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CPU315-2DP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，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3.1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5％～15％，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

3.2.1单容水箱实验结果分析

图3.3PI控制下液位阶跃响应曲线1

图3.4PID控制下液位阶跃响应曲线

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。

两图比较可以看出，阶跃响应曲线基本没有改变，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3.5PI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。

两图比较可以看出，超调量明显减小，并且曲线到达稳态的时间明显缩短。

图3.6PI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。

两图比较可以看出，超调量略微减小，并且曲线振荡周期明显增长。

3.2.2双容水箱实验结果分析

图3.7PI控制下液位阶跃响应曲线A

图3.8PI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。

两图比较可以看出，超调量略微增大，并且曲线振荡周期明显减小。

图3.8PI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。

两图比较可以

看出，超调量略微减小，并且曲线振荡周期略微增大。

图3.9PID控制下液位阶跃响应曲线

在比例度，积分时间，微分时间都进行的PID控制的情况下，其液位阶跃响应曲线如图3.9所示。

可以看出，由于是双容水箱，系统存在较大的延迟，进行PID操作不容易得到良好的阶跃响应曲线。

并且由于显示有限，图中不能看到完整的到达稳态的曲线。

3.2.3单容双容水箱比较

图3.10双容PI控制下液位阶跃响应曲线

图3.11单容PI控制下液位阶跃响应曲线

如上图3.10、3.11所示，两图都由比例度K和积分时间I共同作用，两图的P参数都为0.2，I参数都为200000。

两图比较可以看出，双容水箱到达稳态时间要比单容水箱要短，双容水箱的超调要略大于单容水箱，双容水箱的振荡周期要略大于单容水箱。

3.3实验结论

在本次实验中，我们可以得出以下结论：

（1）对比例度K进行整定时，随着比例度的增大，阶跃响应曲线的超调减小，并且曲

线到达稳态的时间缩短。

（2）对积分时间I进行整定时，随着积分时间的增大，阶跃响应曲线的超调量略微减

小，并且曲线振荡周期明显增长。

（3）由于液位变化迅速，延迟较短，微分时间D对于阶跃响应曲线的影响较小。

（4）由于双容水箱比之单容水箱存在延迟，所以双容水箱到达稳态时间要比单容水箱

要短，超调要略大于单容水箱，振荡周期要略大于单容水箱。

总结

通过这次课程设计，我们接触到了过程控制在实验系统中的应用、调试，这让我对过程控制的实现方法，应用领域都有了较深的印象。

在设计过程中我们遇到了很多困难，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，同时也增长了许多在课堂上没学到的知识，使我大开眼界。

自己今后将会更加的把理论知识和实际应用结合起来，提高自己的能力。

参考文献

[1]金以慧.过程控制.清华大学出版社，1993

[2]蒋慰孙.俞金寿.过程控制工程.电子工业出版社，1988

[3]孙洪程.李大字.翁维勤.过程控制工程.高等教育出版社，2006

[4]潘立登.过程控制.机械工业出版社，2008