过程控制实验报告.docx
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过程控制实验报告
《过程控制实验》
实验报告
第一章、过程控制实验装置的认识
一、过程控制实验的基本内容及概述
本次过程控制实验主要是对实验室的水箱水位进行控制。
水箱液位控制系统是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元〔检测元件及变送器〕、以个控制器和一个执行器〔控制阀〕所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。
简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。
图1-1水箱液位控制系统的原理框图
这是单回路水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。
二、主要设备
1）水路装置的认识
过程控制实验用的水路装置图如下
图1-2水路图
由水路装置图我们看到，装置主要有水箱，交流电动泵，热炉，管道，电动阀，电磁阀，流量计，液位传感器，温度传感器组成，可以构成一个完整的过程控制实验平台。
从上图我们可以看出，装置主要分为两大部分，第一水路，管道，热炉，水箱等等物理对象，第二是传感器，执行机构等等的控制部分的装置。
实验装置具体介绍如下：
装置
简介
加热控制器
功率1500W电源220V〔单相输入〕
泵
Q:
40-150L/min50HzHz:
50
H:
2.5-7rpm:
2550
VL:
450VICL：
B
IP:
44MODELBLC120/110S
全自动微型家用增压泵
型号：
15WZ-10单相电容运转马达
最高扬程10m最大流量20L/min
极数：
2转速：
2800rpm
功率：
80W绝缘等级E
SBWZ温度传感器PT100
量程0—100摄氏度
精度0.5%FS
输出：
4-20MADC
电源：
24VDC
智能电动调节阀
压力：
1.6Mpa电源：
220VAC
输入信号：
4-20mA反馈信号：
4—20mA
阀门控制精度：
0.1%-8%可调
电磁阀
MODELUW-15VOLTS:
220V
ORIFICE:
15CYCLES:
60Hz
PIPESIZE:
1/2’OPERATINGPRESSURE:
MINI0KG/cm^2–MAX8KG/cm^2
2WY–C型涡街流量计
防护等级：
IP54
ADONIS+TAMAIDINSTRUMENT压力传感器
YMC303P-1-A-3RANGE：
0-6kPa
OUT：
4-20MA
SUPPLY：
24VDCRED：
SUP+
IP65BLUE：
OUT+/V-
b）电气连接图
由电气装置的图我们可以看到，所有的电器连接都在这里，主要是一些传感器信号，电动驱动信号，用于电动装置的驱动。
见附件
c〕操作面板图：
从操作面板上我们可以看到主要是由四个表，由P909构成，用于测量控制压力、流量、液位、温度的测量以及控制，PV代表反馈测量，外给定可以用于串级控制，OUT用于输出信号，以上接口均使用4-20mA标准
见附件
第二、三章、实验系统的认知〔包括力控软件，P909，实验装置〕
a）力控软件的安装
首先使用光盘里的Setup.exe安装力控软件的主题部分，然后将IOServers文件夹拷到力控软件的安装目录下，安装IOServers驱动
然后打开力控软件，寻找到力控软件的目录，点击开发模式，然后找到COM设置的部分，如图
然后点开相应的目录，然后配置串口参数，即可进行通信测量和控制。
保存后编译工程文件。
然后我们就可以开始使用力控软件了。
运行接界面。
力控软件的功能相当之强大，可以监控各个窗口仪表的状态，并且具有绘制历史曲线的功能。
这个功能可以很方便我们使用，绘制飞升曲线,观察系统模型。
b）液位控制系统的认识：
液位控制系统有水箱、进水阀、分水阀、气泵、压力表、电动阀构成。
系统原理框图如下
c）系统模型的认识
我们整个实验的目的就是在于控制液位，所以我们需要水箱液位的模型来帮助我们整定参数。
而对于实际模型最好的建模方式就是实验建模，给予模型一个阶跃信号后，观察系统的反应，然后建立出模型的传递函数。
同时，需要注意到系统不仅仅是液位有一个模型，电动阀的模型也会对系统产生影响。
电动阀20%-90%
有上述的飞升曲线我们可以看出电动阀的模型也是一个一阶环节，曲线上出现的一个个阶梯状的主要是由于采样周期的影响，由于电动阀的反应速度相对于液位而言是比较快的，所以采样的效果还是很明显的。
由于电动阀的时间常数远小于液位，实际参数调整的时候可以忽略调节阀的参数。
液位飞升曲线
首先建立增益系数K，由最初与最终的稳态结果可知，
然后是时间常数，当液位飞升曲线到达67.5%的时候，此时的时间就是我们的时间常数，所以可得我们的系统的传递函数。
得到了传递函数对我们整定PID参数有极大的益处。
d〕P909的认识
我们实验的主要控制器就是P909高精度微电脑控制器，它主要具有如下特点:
双PID控制功能，可以控制加热和冷却
通用输入，可以输入56种不同的信号
输出信号种类多，可以满足各种需要。
有外部设定SV功能呢，用于多机同步设定
可选配RS-485通信功能或主副控制器
抗干扰能力强，可用于各种工控场合
输出百分比控制，手动/自动切换
自整定、自诊断功能。
由上可见，P909功能十分强大，可以用来实现试验中的种种功能。
我们主要使用的功能有：
1、设定输出值的百分比：
按SET键到OUTL显示后，使用光标确认输出的百分比。
2、确认控制器的SV设定值，按下<键直到SV值在闪烁，使用光标修改SV的数值。
3、设定显示的高点低点：
按下set键5秒之内按下<键进入第三层，按下set键找到ANL1和ANH1，同时输入相应的电流信号，然后设定想要显示的数值即可。
P909具体功能图：
系统总框图
第一层
第二层
第三层
第三层
第四章、单回路控制系统：
单回路控制器一种以微处理器为计算、控制核心，配以相应软件，在外观及使用上类似常规模拟控制器的数字式控制仪表，又称单回路数字控制器。
单回路控制器一般可接受多个输入信号，一般只有两个，设定值和检测值，用于偏差计算，但只输出一个模拟量信号，构成单回路直接数字控制。
我们的单回路液位控制系统框图如下
所谓的单回路，就是只有一个控制回路，只去检测一个量的控制，这在实际控制系统中占了绝大多数。
我们就一次来进行液位控制。
控制结果如下
K=12P=1D=1
可以看出我们的控制效果并不是很好，实际上主要是系统的增益比较大，很容易就震荡了，而且由于控制效果过于强烈，同时P909在检测值大于设定值的时候立刻停止控制作用，导致控制过于频繁启动，使得控制处于一种开关控制的状态。
不利于控制器的控制。
实验过程：
i.使用P909说明书中间的矫正手段，通过其他的P909输出电流信号至PV，然后用第三层中的矫正功能，完善两点的矫正。
ii.连接系统，然后使用P909进行参数整定。
iii.首先整定P参数，当P=15是系统响应出现震荡，让后适当减少P的值，加入P=1获得比较不错的控制效果
iv.加入D=1，增强的效果不是很明显。
第五、六章、串级控制：
串级控制系统-----两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。
串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。
这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。
主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。
由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。
实际控制工程中一般只要抑制主要的扰动即可，扰动回路用得过多，对于参数整定，系统稳定等等会有影响。
串级控制的原理方框图如下：
实验一：
本次实验的主要目的在于整定P909控制器的PV参数。
首先是整定主控制器的PV参数：
1、进入第三层后，使用其他的P909控制器输出7.13mA的电流，然后将控制器的参数整定为10〔代表10mm〕
2、同样使用其他P909控制器输出19.61mA，然后将控制器输出显示为510〔代表510mm〕，外环主控制器PV整定完成。
3、同样的方法整定外环控制器，让其他的P909控制器输出20mA后调整P909显示为100〔代表阀门开度为100%〕，然后让其他P909控制器输出4mA电流，调整P909显示0%〔代表阀门开度为0%〕
实验二：
由于我们的流量传感器并不是很好用，所以我们改用电动阀门的开度作为辅助控制变量，主要抑制的是外部环境对于电动阀的扰动，实际上出来的效果不是很好，尤其是参数很难整定，经常整定好内环参数后，外环参数不佳，导致系统运行不佳。
由上图可以看出相较于单回路系统，性能有所上升，但是还是有振铃现象，参数整定不是很好。
外环PID：
P15，I1D2内环PID：
P5I2。
实际上我们的参数不是很好，使用P909的参数自整定功能之后，我们发现性能还有所下降，所以弃用。
实验过程：
1、使用P909说明书中间的矫正手段，通过其他的P909输出电流信号至PV，然后用第三层中的矫正功能，完善两点的矫正。
2、连接系统，然后使用P909进行参数整定。
3、首先整定内P参数，当P=5是系统响应出现震荡，让后适当减少P的值，加入I=2获得比较不错的控制效果
4、然后整定外环，参考上次的参数整定为PID：
P15，I1D2
与单回路控制系统的比较：
由于我们的系统中间的阀门开度有一个比较大的滞后，所以实际上通过一个串级控制的方式一方面提升了内环收敛的速度，另一方面提升了内环的抗干扰能力。
抑制了对于阀门开度的扰动。
单回路控制系统的结果
串级控制结果
可以看出串级控制的效果明显好于单回路，无论是上升时间，运行振荡的表现都要略好一些。
可见串级控制的控制效果比起单回路系统要好一些。
第七章、根据实验教学装置设计前馈控制系统
本章实验的要求设计一个前馈控制系统。
所谓前馈控制就是指控制系统检测出系统受到的扰动，然后利用这样一个检测出的扰动来进行系统的调控。
可见前馈控制的条件在于我们所要抑制的扰动量必须可测，还有扰动必须是主要的扰动。
同时扰动只能抑制所检测的扰动，不能抑制其他扰动，所以前馈控制不能单独使用，必须配合在反馈控制系统中，但是在我们的实验设备上存在这么一个问题，实际上可测的扰动均可以通过串级控制抑制，设计前馈控制只是为了试验用而已。
上图是实用的前馈控制框图，由于我们的P909不支持多点输入，想要实现前馈控制，必须带上PC机，P909控制器1、2仅仅作为检测装置使用，PC机上实现算法，P909控制器3作为输出设备
第八章、力控组态软件的串级控制软件界面开发
本章实验的主要目的在于使用力控组态软件的使用。
本次实验的任务在原有的力控软件的基础上增加一个串级控制的页面，不需要自行重新定义协议变量，使用内部自带的变量即可。
实际整体运行界面
从界面上我们可以看出，PID控制可以显示当前的输出、检测、设定值。
水箱液位可以更随运动，由于没有可以调速的液体管道，所以液体只有流动与不流动两种状态。
上方的表格可以显示流量曲线和液位曲线。
PID控制器已经被设计为串级控制，具体参数设计见下:
曲线图的参数分配
液位控制器的参数分配。
流量控制器的参数分配
泵的参数分配
水箱的参数分配。
可能参数分配显得比较奇怪，实际上由于我们的P909有所损坏，所以使用原压力控制器代替液位控制器。
实际上可以运行，运行正常，可以显示。
第九章总结
本次的过程控制实验我们主要是以实验室的水箱液位为研究对象，我们从熟悉系统硬件软件，到熟悉系统的传递函数模型，到最后研究控制算法，使用不同的控制结构来控制我们的对象，以到达良好的控制效果。
虽然我们最后的控制结果不是那么得好，但是我们在此过程中学习了一些在实际工作中可能会遇到的东西，我学习到了一些解决实际问题的方法。
首先我学到了，作为工程师最重要的是寻找解决问题的方法，在网络资源近乎无限的今天，我们应该学会从网络获取我们所需要的东西，同时，供给商提供的数据手册是工作中我们可以信赖的东西，学会从数据手册，应用手册中获取我们所需要的信息。
其次，在实际过程中遇到问题是再正常不过的事情了，我们应该学会使用最基本的手段去调试我们的系统，比方使用万用表，示波器等。
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