过程控制上水箱液位进水流量串级控制系统设计.docx

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过程控制上水箱液位进水流量串级控制系统设计

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：

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。

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δ2S和振荡周期T2S。

（2）将副调节器的比例度置于所求得的δ2S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δ1S和振荡周期T1S。

（3）根据求取的δ1S、T1S和δ2S、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δ、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/δ2＝0.5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δ2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。

（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δ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.THJ-FCS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

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。

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。

3.5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3.3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3.4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δ2S和振荡周期T2S。

（2）将副调节器的比例度置于所求得的δ2S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δ1S和振荡周期T1S。

（3）根据求取的δ1S、T1S和δ2S、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δ、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3.9，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在主调节器中进行比较。

1、积分时间对系统影响

图3.16主调节器

图3.17积分时间变化的主调节器

分析图3.16和图3.17：

图3.16中积分时间Ti为30000ms，图3.17中积分时间Ti为10000ms，则积分时间减小。

减小积分时间则控制系统稳定程度降低，振荡频率变高，而最大动态偏差减小。

2、微分时间对控制系统的影响

图3.18主调节器

图3.19微分时间变化的主调节器

图3.18中微分时间为5000ms，图3.19中微分时间为10000ms，微分时间加大则调节速度加快，调节器遇见性变强，调节阀开始动作的时间较早。

3、比例度对控制系统的影响

图3.20主调节器

图3.21比例度变化的主调节器

图3.20中比例度为1，图3.21中比例度减小为0.8.比较两图，已知比例度与比例带成反比，则比例带越大，残差越大，调节阀动作幅度变小，被调量的变化也比较平稳。

比例带越小对控制作用和扰动作用的响应越快。

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