過程控制—上水箱液位與進(jìn)水流量串級控制系統(tǒng)

1、1 過程控制系統(tǒng)簡介1.1 系統(tǒng)組成本實驗裝置由被控對象和上位控制系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)動力支路分兩路：一路由三相（380V交流）磁力驅(qū)動泵、氣動調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、PA電磁流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動泵（220V變頻）、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成。1、被控對象水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。儲水箱內(nèi)部有兩個橢圓形塑料過濾網(wǎng)罩，防止兩套動力支路進(jìn)水時有雜物進(jìn)入泵中。模擬鍋爐：此鍋爐采用不銹鋼制成，由加熱層（內(nèi)膽）和冷卻層（夾套）組成。做溫度實驗時，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測其溫度。 盤管：

2、長37米（43圈），可做溫度純滯后實驗，在盤管上有兩個不同的溫度檢測點，因而有兩個不同的滯后時間。管道：整個系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。2、檢測裝置壓力傳感器、變送器：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的壓力傳感器和工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，擴(kuò)散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。溫度傳感器：本裝置采用六個Pt100傳感器，分別用來檢測上水箱出口、鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套以及盤管的水溫。六個Pt100傳感器的檢測信號中檢測鍋爐內(nèi)膽溫度的一路到SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)

3、議的溫度變送器，直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號；另外五路經(jīng)過常規(guī)溫度變送器，可將溫度信號轉(zhuǎn)換成4 20mADC電流信號。流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來對調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進(jìn)行測量。本裝置采用兩套流量傳感器、變送器分別對變頻支路及盤管出口支路的流量進(jìn)行測量，調(diào)節(jié)閥支路的流量檢測采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊接口的檢測和變送一體的電磁式流量計。3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的氣動調(diào)節(jié)閥，用來進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。它具有精度高、體積小、重量輕、推動力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點。變頻器：本裝置采用SIEMENS帶P

4、ROFIBUS-DP通訊接口模塊的變頻器，其輸入電壓為單相AC220V，輸出為三相AC220V。水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為16CQ-8P，流量為32升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180W?？梢葡郤CR調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。輸出電壓用來控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。 電磁閥：在本裝置中作為氣動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為：2W-160-25 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/2，最大壓力為7Kg/2 ；工作溫度：580。4、控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型號為315-2DP，本CPU既具有能進(jìn)行多

5、點通訊功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通訊功能的DP通訊接口。5、空氣壓縮機(jī)1.2 電源控制臺電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護(hù)，帶有漏電保護(hù)空氣開關(guān)、電壓型漏電保護(hù)器、電流型漏電保護(hù)器。儀表綜合控制臺包含了原有的常規(guī)控制系統(tǒng)，由于它預(yù)留了升級接口，因此它在總線控制系統(tǒng)中的作用就是為上位控制系統(tǒng)提供信號。1.3 總線控制柜總線控制柜有以下幾部分構(gòu)成：(1) 控制系統(tǒng)供電板：該板的主要作用是把工頻AC220V轉(zhuǎn)換為DC24V，給主控單元和DP從站供電。(2) 控制站：控制站主要包含CPU、以太網(wǎng)通訊模塊、DP鏈路、分布式I/O DP從站和變頻器DP從站構(gòu)成。(3) 溫度變送器：

6、PA溫度變送器把PT100的檢測信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后傳送給DP鏈路。2 串級控制系統(tǒng)簡介2.1 串級控制系統(tǒng)的概述圖2.1是串級控制系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)有主、副兩個控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián)工作，其中主調(diào)節(jié)器有自己獨立的給定值R，它的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)C1。圖2.1串級控制系統(tǒng)方框圖2.2 串級控制系統(tǒng)的特點(1) 改善了過程的動態(tài)特性；(2) 能及時克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動，提高了系統(tǒng)抗擾動能力；(3) 提高了系統(tǒng)的魯棒性；(4) 具有一定的自適應(yīng)能力。2.3 主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的

7、。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，它的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定值（無余差），故一般宜采用PI或PID調(diào)節(jié)器。由于副回路是一個隨動系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P或PI調(diào)節(jié)器。2.4 串級控制系統(tǒng)的整定方法在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種：1、逐步逼近法：在主回路斷開的情況下，按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，把副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值上，然后使主回路閉合，仍按單回路整定方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。爾后，將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置在所求得的數(shù)值上，再進(jìn)行整定，求取第二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)

8、值，然后再整定主調(diào)節(jié)器。依此類推，逐步逼近，直至滿足動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)要求為止。2、兩步整定法：兩步整定法就是第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。整定的具體步驟為： (1) 在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線法來整定副回路。記下相應(yīng)的比例度2S和振蕩周期T2S。(2) 將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的2S值上，且把副回路作為主回路中的一個環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度1S和振蕩周期T1S。(3) 根據(jù)求取的1S、T1S和2S、T2S值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法的整定公式，計算主、副

9、調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間TI和微分時間Td的數(shù)值。(4) 按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，直到過程的動態(tài)品質(zhì)達(dá)到滿意為止。3、一步整定法：一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體的整定步驟為：(1) 在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)K02/20.5這一關(guān)系式，通過副回路的放大系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)2或按經(jīng)驗選取，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。(2) 按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)

10、節(jié)器的參數(shù)。(3) 改變給定值，觀察被控制量的響應(yīng)曲線。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1 和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)的動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)最佳。(4) 如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度或增大積分時間常數(shù)TI，即可得到改善。3 上水箱液位與進(jìn)水流量串級控制系統(tǒng)3.1 實驗設(shè)備：1. THJ-FCS型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置。2. 計算機(jī)及相關(guān)軟件。3.2 液位-流量串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器氣動閥管道上水箱流量變送器液位變送器h（液位）一次干擾二次干擾給定值+-+-Q1圖3.1液位-流量串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖3.3 系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)的主

11、控量為上水箱的液位高度H，副控量為氣動調(diào)節(jié)閥支路流量Q，它是一個輔助的控制變量。系統(tǒng)由主、副兩個回路所組成。主回路是一個定值控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)的主控制量H等于給定值，因而系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。副回路是一個隨動系統(tǒng)，要求副回路的輸出能正確、快速地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出的變化規(guī)律，以達(dá)到對主控制量H的控制目的，因而副調(diào)節(jié)器可采用P控制。但選擇流量作副控參數(shù)時，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定，比例度必須選得較大，這樣比例控制作用偏弱，為此需引入積分作用，即采用PI控制規(guī)律。引入積分作用的目的不是消除靜差，而是增強(qiáng)控制作用。顯然，由于副對象管道的時間常數(shù)小于主對象上水箱的時間常數(shù)，因而當(dāng)主擾動（二次擾動）作

12、用于副回路時，通過副回路快速的調(diào)節(jié)作用消除了擾動的影響。3.4 控制系統(tǒng)流程圖控制系統(tǒng)流程圖如圖3.2所示。圖3.2 控制系統(tǒng)流程圖本實驗主要涉及三路信號，其中兩路是現(xiàn)場測量信號上水箱液位和管道流量，另外一路是控制閥門定位器的控制信號。本實驗中的上水箱液位信號是標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號，與SIEMENS的模擬量輸入模塊SM331相連，SM331和分布式I/O模塊ET200M直接相連，ET200M掛接到PROFIBUS-DP總線上，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP為PROFIBUS-DP總線上的DP主站），這樣就完成了現(xiàn)場測量信號向控制器CPU315-

13、2 DP的傳送。 本實驗中的流量檢測裝置（電磁流量計）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（閥門定位器）均為帶PROFIBUS-PA通訊接口的部件，掛接在PROFIBUS-PA總線上，PROFIBUS-PA總線通過LINK和COUPLER組成的DP鏈路與PROFIBUS-DP總線交換數(shù)據(jù)，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2 DP。由于PROFIBUS-PA總線和PROFIBUS-DP總線中信號傳輸是雙向的，這樣既完成了現(xiàn)場檢測信號向CPU的傳送，又使得控制器CPU315-2 DP發(fā)出的控制信號經(jīng)PROFIBUS-DP總線到達(dá)PROFIBUS-PA總線，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門定位器。3.5 實驗過程本實

14、驗選擇上水箱和氣動調(diào)節(jié)閥支路組成串級控制系統(tǒng)（也可采用變頻器支路）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-6全開，將上水箱出水閥門F1-9開至適當(dāng)開度，其余閥門均關(guān)閉。1、接通控制系統(tǒng)電源，打開用作上位監(jiān)控的的PC機(jī)，進(jìn)入的實驗主界面。2、在實驗主界面中選擇本實驗項即“上水箱液位與進(jìn)水口流量串級控制實驗”，系統(tǒng)進(jìn)入正常的測試狀態(tài)，呈現(xiàn)的實驗界面如圖3.3所示。圖3.3 實驗界面3、在上位機(jī)監(jiān)控界面中，將副調(diào)節(jié)器設(shè)置為“手動”，并將輸出值設(shè)置為一個合適的值。4、合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加/減少副調(diào)節(jié)器的輸出量，使上水箱的液位穩(wěn)定于設(shè)定值。5、整

15、定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并按整定得到的參數(shù)對調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)定。6、待上水箱進(jìn)水流量相對穩(wěn)定，且其液位穩(wěn)定于給定值時，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下幾種方式加干擾：(1) 突增（或突減）設(shè)定值的大小，使其有一個正（或負(fù)）階躍增量的變化；(2) 將氣動調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開至適當(dāng)開度；(3) 將閥F1-5、F1-13開至適當(dāng)開度；以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的515，干擾過大可能造成水箱中水溢出。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后，水箱液位穩(wěn)定于新的設(shè)定值（后面兩種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值）。通過實驗界面下邊的切換按鈕，觀察計算機(jī)記錄的

16、設(shè)定值、輸出值和參數(shù)，上水箱液位的響應(yīng)過程曲線將如圖3.4所示。圖3.4 上水箱液位階躍響應(yīng)曲線7、適量改變調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)，重復(fù)步驟6，觀察計算機(jī)記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。3.6 實驗結(jié)果分析3.6.1 整定過程分析3.5 主調(diào)節(jié)器設(shè)定(1) 如圖3.5所示，在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線法來整定副回路。置副調(diào)節(jié)時間為最大值，微分時間為0，比例帶為較大值，將系統(tǒng)投入運行。待系統(tǒng)穩(wěn)定之后，做設(shè)定值階躍擾動，觀察響應(yīng)，若系統(tǒng)衰減太快，則減小比例帶；若過慢，則增大比例帶。如此反復(fù)直到系統(tǒng)出現(xiàn)4

17、：1衰減震蕩過程。記下相應(yīng)的比例度2S和振蕩周期T2S。(2) 將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的2S值上，且把副回路作為主回路中的一個環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度1S和振蕩周期T1S。(3) 根據(jù)求取的1S、T1S和2S、T2S值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法的整定公式，計算主、副調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間TI和微分時間Td的數(shù)值。(4) 按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，直到過程的動態(tài)品質(zhì)達(dá)到滿意為止。上述過程為根據(jù)圖形進(jìn)行的理論計算，在試實驗中用試湊法進(jìn)行整定。其方法為設(shè)置幾組參數(shù)，分別投入運行，觀

18、察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。原則為先整定副回路再整定主回路，先進(jìn)行比例積分最后進(jìn)行微分，比較各個步驟的曲線找出每組最優(yōu)。將所得的各個參數(shù)結(jié)合起來，得到最終的整定參數(shù)。3.6.2 擾動下的響應(yīng)分析將設(shè)定值改變之后得到如下圖所示的響應(yīng)曲線圖3.6 響應(yīng)曲線則系統(tǒng)受到設(shè)定值干擾之后，其穩(wěn)態(tài)值變大。同一形式、大小相同的擾動作用在系統(tǒng)中不同的位置所產(chǎn)生的靜差是不一樣的。對擾動產(chǎn)生影響的僅是擾動作用點前的那些環(huán)節(jié)。例如此控制系統(tǒng)中有一次干擾和二次干擾，則二次干擾就影響前面的調(diào)節(jié)閥，副調(diào)節(jié)器燈擾動點前的環(huán)節(jié)。3.6.3 主、副調(diào)節(jié)器采用不同調(diào)節(jié)器時對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響(1) 副調(diào)節(jié)器參數(shù)不變，主調(diào)節(jié)器分別采用P調(diào)節(jié)，

19、PI調(diào)節(jié)和PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)曲線如下圖所示：圖3.7主調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)，圖3.8 主調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)圖3.9 主調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)(2) 主調(diào)節(jié)器參數(shù)不變，副調(diào)節(jié)器分別采用P調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)和PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖所示：圖3.10 副調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)圖3.11副調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)圖3.12 副調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)分別比較圖3.7和3.8，圖3.10和3.11可知，純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡單的調(diào)節(jié)器，它對控制作用和擾動作用的響應(yīng)都很快。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點是系統(tǒng)有靜差存在。引入積分作用之后，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調(diào)節(jié)消除殘差，但I(xiàn)調(diào)節(jié)會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最大動態(tài)偏差減小，使

20、系統(tǒng)響應(yīng)更加理想。比較圖3.8和3.9，圖3.11和3.12可知，引入微分作用之后，由于微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，減小動態(tài)誤差。但微分抗干擾能力較差，且微分過大，易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動作向兩端飽和調(diào)節(jié)變快，調(diào)節(jié)閥變化速度加快。而且抑制被調(diào)量的振蕩，能夠提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。綜上所述PID調(diào)節(jié)器是最為理想的調(diào)節(jié)器，它具有各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點，因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。但具體的系統(tǒng)使用何種調(diào)節(jié)器根據(jù)系統(tǒng)控制要求而定。在此系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，它的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定值（無余差），故一般宜采用PI或PID調(diào)節(jié)器。由于副回路是一個隨動系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P或PI調(diào)節(jié)器。3.6.4 主、副調(diào)節(jié)器采用不同PID參數(shù)時對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響副調(diào)節(jié)器變化各個曲線如下圖所示：圖3.13 副調(diào)節(jié)器圖3.14 比例度變化的副調(diào)節(jié)器圖3.15 積分時間變化的副調(diào)節(jié)器圖3.與圖3.14比例度發(fā)生變化，圖3.14與圖3.15積分時間發(fā)生變化，其具體參數(shù)變化對控制系統(tǒng)的