計算機過程控制系統(tǒng)DCS課程實驗指導書

1、實驗一、單容水箱液位PID整定實驗一、實驗?zāi)康?、 通過實驗熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。2、 分析分別用P、PI和PID調(diào)節(jié)時的過程圖形曲線。3、 定性地研究P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。二、實驗設(shè)備AE2000A型過程控制實驗裝置、JX-300X DCS控制系統(tǒng)、萬用表、上位機軟件、計算機、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根、網(wǎng)線1根、24芯通訊電纜1根。三、實驗原理圖2-15為單回路水箱液位控制系統(tǒng)單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的參數(shù)是液位的給定高

2、度，即控制的任務(wù)是控制水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用SUPCON JX-300X DCS控制。當調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個單回路系統(tǒng)設(shè)計安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會使控制質(zhì)量變壞，達不到預(yù)期效果。一個控制系統(tǒng)設(shè)計好以后，系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不

3、僅能實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)，Ti調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。但是，并不是所有單回路控制系統(tǒng)在加入微分作用后都能改善系統(tǒng)品質(zhì)，對于容量滯后不大，微分作用的效果并不明顯，而對噪聲敏感的流量系統(tǒng)，加入微分作用后，反而使流量品質(zhì)變壞。對于我們的實驗系統(tǒng)，在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖2-16中的曲線、所示。圖2-16 P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線四、實驗內(nèi)容和步驟1、 設(shè)備的檢查和連接1). 關(guān)閉排水閥門，檢查A

4、E2000A型過程控制對象的儲水箱水位是否達到總高度的50以上，如不夠，灌水。2). 打開以循環(huán)泵為動力的支路至上水箱的所有閥門，關(guān)閉動力支路上通往其它對象的切換閥門。3). 打開上水箱泄水閥，開至適當?shù)拈_度。4). 檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉。2、 系統(tǒng)連線如圖2-17所示：DCS接線端子排65 4H FD B HF D BH F DBH-20H-4H-19H-1G EC A GE C AG E CA65 4（I/O航空插座接線端子）圖2-17 單容水箱液位PID參數(shù)整定控制系統(tǒng)接線圖1). 將24芯通訊電纜I/O線，按圖2-17的連法，接到對應(yīng)的DCS接線端子排上。將24芯通訊電纜H-1端即上水

5、箱液位+（正極）接到DCS接線端子排的5-E端（即SP313電流信號輸入板的正極），將24芯通訊電纜H-4端上水箱液位（負極）接到DCS接線端子排的5-F端（即SP313電流信號輸入板的負極）。將DCS接線端子排的6-G端（即SP322模擬信號輸出板的正極），接至24芯通訊電纜H-19端即調(diào)節(jié)閥的210V輸入端的+端（即正極），DCS接線端子排的6-H端（即SP322模擬信號輸出板的負極），接至24芯通訊電纜H-20端即調(diào)節(jié)閥的210V輸入端的-端（即負極），并且在DCS接線端子排的6-G端和6-H端間連接一500電阻。2). 用網(wǎng)線將上位機與DCS連接起來。3). 電源控制板上的電源空氣開關(guān)

6、、單相泵電源開關(guān)打在關(guān)的位置。3、 啟動DCS1). 將DCS控制柜的電源插頭接到220V的單相交流電源。2). 打開DCS控制柜后的兩個空氣開關(guān)，給控制柜散熱風扇、交換機和系統(tǒng)電源供電。3). 打開DCS控制柜前的兩個電源開關(guān)，啟動DCS系統(tǒng)。4、 啟動實驗裝置1).將實驗裝置電源插頭接到220V的單相交流電源。2).將電源控制板上的“漏電保護開關(guān)”打開。3).打開“電源總開關(guān)”, 給實驗裝置和控制柜供電。4).打開“單向泵”開關(guān), 給循環(huán)泵供電。 5).打開“調(diào)節(jié)閥”開關(guān), 給電動調(diào)節(jié)閥供電。6).開啟“24VDC電源”開關(guān)，給信號檢測儀表供電。5、 比例調(diào)節(jié)控制1). 啟動“AdvanT

7、rol-Pro實時監(jiān)控”軟件，進入實驗系統(tǒng)選擇相應(yīng)的實驗，如圖1所示：圖1 AdvanTrol-Pro“實時監(jiān)控流程圖”畫面2). 點擊“液位控制”下方數(shù)字（文本框），彈出“顯示儀表（回路）”窗口。點擊“4#單回路”按鈕，進入“AdvanTrol-Pro實時監(jiān)控軟件調(diào)整畫面”如圖2所示。圖2 AdvanTrol-Pro實時監(jiān)控軟件調(diào)整畫面注：圖2中設(shè)定值10cm，比例系數(shù)40，積分時間0.66分，微分時間3秒，泄水閥半開。或設(shè)定值10cm，比例系數(shù)20，積分時間0.33分，微分時間3秒，泄水閥全開。3). 設(shè)定給定值，按表1逐一調(diào)整比例度（P）。4). 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例

8、的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè)定值實現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差。5). 按表1逐一調(diào)整比例度（P），重復步驟3，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。6). 繼續(xù)減小比例度重復步驟3，觀察過渡過程曲線，直到出現(xiàn)等幅震蕩，并記臨界比例度和臨界振蕩周期值。7). 選擇合適的比例系數(shù)(K)，可以得到較滿意的過渡過程曲線。改變設(shè)定值，同樣可以得到一條過渡過程曲線。P=(1/K)x100%8). 注意：每當做完一次試驗后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗。當設(shè)定值SV=10cm時，比例度(P)%6030105穩(wěn)態(tài)測量值PV余差(SV-PV)表16、 比例積分調(diào)節(jié)器（PI）控制1)

9、. 在比例調(diào)節(jié)實驗的基礎(chǔ)上，加入積分作用，即在界面上設(shè)置積分時間（Ti）不為0，觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗證PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。2). 選擇合適的K和Ti值(P=60%,Ti=0.66分)，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設(shè)定值（如設(shè)定值變化20%,SV由10cm變到12cm）來獲得。7、 比例積分微分調(diào)節(jié)（PID）控制1). 在PI調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把軟件界面上設(shè)置微分時間（Td）參數(shù)，然后加上與前面實驗幅值完全相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動態(tài)曲線，并與PI控制下的曲線相比較，由此可看到微

10、分時間（Td）對系統(tǒng)性能的影響。2). 選擇合適的K、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍輸入可由給定值突變20%來實現(xiàn)）。3). 在歷史曲線中選擇一條較滿意的過渡過程曲線進行記錄。8、 用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)在實現(xiàn)應(yīng)用中，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)常用下述實驗的方法來確定。用臨界比例度法去整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)是既方便又實用的。它的具體做法是：1). 在只有比例調(diào)節(jié)作用下（將積分時間放到最大，微分時間放到最?。?，先把比例系數(shù)K放在較小值上，然后逐步增加調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，并且每當增加一次比例系數(shù)，待被調(diào)量回復到平衡狀態(tài)后，再手動給系統(tǒng)施加一個5%15%的階躍擾動，觀察被

11、調(diào)量變化的動態(tài)過程。若被調(diào)量為衰減的振蕩曲線，則應(yīng)繼續(xù)增加比例系數(shù)，直到輸出響應(yīng)曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。如果響應(yīng)曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例系數(shù)調(diào)節(jié)得過大，應(yīng)適當減少，使之出現(xiàn)等幅振蕩。圖2-19為它的實驗方塊圖。圖2-19 具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)2). 在圖2-20系統(tǒng)中，當被調(diào)量作等幅蕩時，此時的比例系數(shù)K就是臨界比例系數(shù)，用Km表示之，此時的臨界比例度為k，k1/Km，相應(yīng)的振蕩周期就是臨界周期Tm。據(jù)此，按下表可確定PID調(diào)節(jié)器的三個參數(shù)、Ti和Td。圖2-20 具有周期Tm的等幅振蕩表2-12 用臨界比例度k整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱比例度（1/K）積分時間Ti(S)

12、微分時間Td(S)P2kPIkTmPID1.7km3Tm3). 必須指出，表格中給出的參數(shù)值是對調(diào)節(jié)器參數(shù)的一個初略設(shè)計，因為它是根據(jù)大量實驗而得出的結(jié)論。若要就得更滿意的動態(tài)過程（例如：在階躍作用下，被調(diào)參量作4：1的衰減振蕩），則要在表格給出參數(shù)的基礎(chǔ)上，對、Ti（或Td）作適當調(diào)整。五、實驗報告要求1、 畫出單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖。2、 用接好線路的單回路系統(tǒng)進行投運練習，并敘述無擾動切換的方法。3、 用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，寫出三種調(diào)節(jié)器的余差和超調(diào)量。4、 作出P調(diào)節(jié)器控制時，不同值下的階躍響應(yīng)曲線。5、 作出PI調(diào)節(jié)器控制時，不同和Ti值時的階躍響應(yīng)曲線。6、 畫出P

13、ID控制時的階躍響應(yīng)曲線，并分析微分D的作用。7、 比較P、PI和PID三種調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)無差度和動態(tài)性能的影響。六、注意事項1、 實驗線路接好后，必須經(jīng)指導老師檢查認可后方可接通電源。七、思考題1、 實驗系統(tǒng)在運行前應(yīng)做好哪些準備工作？2、 為什么要強調(diào)無擾動切換？3、 試定性地分析三種調(diào)節(jié)器的參數(shù)K、（K、Ti）和（K、Ti和Td）的變化對控制過程各產(chǎn)生什么影響？4、 如何實現(xiàn)減小或消除余差？純比例控制能否消除余差？實驗二、上水箱中水箱液位串級控制實驗一、實驗?zāi)康?）、掌握串級控制系統(tǒng)的基本概念和組成。2）、掌握串級控制系統(tǒng)的投運與參數(shù)整定方法。3）、研究階躍擾動分別作用在副對象和主對象時對

14、系統(tǒng)主被控量的影響。二、實驗設(shè)備AE2000A型過程控制實驗裝置、JX-300X DCS控制系統(tǒng)、萬用表、上位機軟件、計算機、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根、網(wǎng)線1根、24芯通訊電纜1根。三、實驗原理上水箱液位作為副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象，中水箱液位做為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象?？刂瓶驁D如圖12-1所示：12-1、上水箱、中水箱液位串級控制框圖四、實驗內(nèi)容和步驟1、設(shè)備的連接和檢查：（1）、打開以循環(huán)泵、調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥門，關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥門。（2）、打開上水箱出水閥至半開，中水箱的出水閥至全開。（3）、檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉2、系統(tǒng)連線圖：DCS接線

15、端子排65 4H FD B HF D BH F DBH-20H-4H-19H-2H-1G EC A GE C AG E CA65 4（I/O航空插座接線端子）圖2-2 上水箱、中水箱液位串級控制系統(tǒng)接線圖1).24芯通訊電纜I/O線，按圖2-17的連法，接到對應(yīng)的DCS接線端子排上。將24芯通訊電纜H-1端即上水箱液位+（正極）接到DCS接線端子排的5-E端（即SP313電流信號輸入板的正極），將24芯通訊電纜H-2端即中水箱液位+（正極）接到DCS接線端子排的5-G端（即SP313電流信號輸入板的正極），將24芯通訊電纜H-4端上、中水箱液位（負極）接到DCS接線端子排的5-F端（即SP31

16、3電流信號輸入板的負極）。將DCS接線端子排的6-G端（即SP322模擬信號輸出板的正極），接至24芯通訊電纜H-19端即調(diào)節(jié)閥的210V輸入端的+端（即正極），DCS接線端子排的6-H端（即SP322模擬信號輸出板的負極），接至24芯通訊電纜H-20端即調(diào)節(jié)閥的210V輸入端的-端（即負極），并且在DCS接線端子排的6-G端和6-H端間連接一500電阻。2).用網(wǎng)線將上位機與DCS連接起來。3).源控制板上的電源空氣開關(guān)、單相泵電源開關(guān)打在關(guān)的位置。3、啟動DCS1).將DCS控制柜的電源插頭接到220V的單相交流電源。2).打開DCS控制柜后的兩個空氣開關(guān)，給控制柜散熱風扇、交換機和系統(tǒng)電

17、源供電。3).打開DCS控制柜前的兩個電源開關(guān)，啟動DCS系統(tǒng)。4、啟動實驗裝置1).將實驗裝置電源插頭接到220V的單相交流電源。2).將電源控制板上的“漏電保護開關(guān)”打開。3).打開“電源總開關(guān)”, 給實驗裝置和控制柜供電。4).打開“單向泵”開關(guān), 給循環(huán)泵供電。 5).打開“調(diào)節(jié)閥”開關(guān), 給電動調(diào)節(jié)閥供電。6).開啟“24VDC電源”開關(guān)，給信號檢測儀表供電。5、上水箱、中水箱液位串級控制1).啟動“AdvanTrol-Pro實時監(jiān)控”軟件，進入實驗系統(tǒng)選擇相應(yīng)的實驗，如下圖所示：圖3、“AdvanTrol-Pro實時監(jiān)控”軟件界面2).點擊“內(nèi)/外環(huán)控制”下方數(shù)字（文本框），彈出“顯示儀表（回路）”窗口。點擊“4#串級”按鈕，進入“AdvanTrol-Pro實時監(jiān)控軟件調(diào)整畫面”如圖4/圖5所示。3).點擊工具欄上流程圖按鈕，返回圖3“AdvanTrol-Pro實時監(jiān)控軟件流程圖”可完成“串級內(nèi)環(huán)”與“串級外環(huán)”調(diào)整畫面之間的切換。圖4 AdvanTrol-Pro實時監(jiān)控軟件調(diào)整畫面（串級內(nèi)環(huán)）在調(diào)整畫面中進行賦值操作, 整定副控（內(nèi)環(huán)）參數(shù)(P=30%,Ti=0.00分)圖5 AdvanTrol-Pro實時監(jiān)控軟件調(diào)整畫面（