基于SMPT_1000的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、 PAGE19 / NUMPAGES24基于SMPT-1000的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作 者： 指導(dǎo)教師： 市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院2013年5月摘 要SMPT-1000是一款將全數(shù)字仿真技術(shù)與實(shí)物外觀模擬裝置相結(jié)合，集多種實(shí)驗(yàn)功能于一體的仿真實(shí)驗(yàn)裝置，此裝置由硬件、軟件兩大部分構(gòu)成，軟、硬件之間通過小型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)數(shù)字通信機(jī)制協(xié)調(diào)運(yùn)行，完成過程模擬。SMPT-1000仿真模擬果汁生產(chǎn)果漿的一套實(shí)驗(yàn)裝置，是采用420mA的電流信號(hào)模擬現(xiàn)場(chǎng)的一些真實(shí)的物理量，此最大的特點(diǎn)是方便理論的操縱驗(yàn)證。SMPT-1000模擬由鍋爐和蒸發(fā)器組成的水汽熱能全流程，可拆分成非線性儲(chǔ)罐與離心泵單元、動(dòng)力除氧單元

2、、高階換熱單元、加熱爐單元、鍋爐單元、蒸發(fā)器單元，提供由簡(jiǎn)到難的各個(gè)層次的過程控制被控變量。SMPT-1000仿真生產(chǎn)裝置包括五個(gè)生產(chǎn)工藝流程，本文主要通過對(duì)的第一環(huán)節(jié)對(duì)象，除氧器做詳細(xì)的說明，以此來(lái)說明這套裝置的作用，以與多種控制方案的選用。關(guān)鍵詞：SMPT-1000仿真裝置 電流信號(hào) 除氧器控制方案HYPERLINK app:ds:abstractAbstractSMPT-1000 is a full digital simulation and physical simulation device combination，The simulation experiment device

3、set in a variety of experimental functions，This device consists of hardware, software two parts.The soft, hardware through the coordinated operation of small real-time database and real-time digital communication mechanism, process simulation.SMPT-1000 simulation of an experimental device of juice p

4、roduction of fruit juice, is some real physical quantity of current signal using 420mA simulations of the site, the biggest feature is the easy manipulation to verify theory.SMPT-1000 simulation of the whole process is composed of boiler and the evaporator vapor heat energy, can be divided into nonl

5、inear tank with centrifugal pump unit, power deoxidization unit, high order heat exchange unit, heating unit, boiler unit, evaporator unit, from simple to difficult at all levels of the process control the controlled variable.SMPT-1000 simulation of a production device comprises five production proc

6、ess, this paper mainly through the first step of the deaerator, detailed description, in order to explain the role of device, and a variety of control scheme.Keywords：SMPT-1000 current signal simulation device Deaerator Control Scheme目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc30446 摘 要 PAGEREF _Toc30446 i HYP

7、ERLINK l _Toc21748 第1章 SMPT-1000硬件概述 PAGEREF _Toc21748 1 HYPERLINK l _Toc15263 1.1 SMPT-1000硬件 PAGEREF _Toc15263 1 HYPERLINK l _Toc3292 1.1.1 SMPT-1000的硬件組成 PAGEREF _Toc3292 1 HYPERLINK l _Toc13080 1.1.2 小鍋的測(cè)量器和變送器 PAGEREF _Toc13080 2 HYPERLINK l _Toc13690 1.1.3 SMPT-1000的執(zhí)行器 PAGEREF _Toc13690 3 HYP

8、ERLINK l _Toc17991 第2章 SMPT-1000軟件概述 PAGEREF _Toc17991 4 HYPERLINK l _Toc9845 2.1 SMPT-1000軟件組成 PAGEREF _Toc9845 4 HYPERLINK l _Toc32478 2.1.1 上位機(jī)軟件SMPTLAB的功能 PAGEREF _Toc32478 5 HYPERLINK l _Toc14522 2.1.2 實(shí)時(shí)仿真引擎軟件SMPTRuntime的功能 PAGEREF _Toc14522 5 HYPERLINK l _Toc30736 第3章 除氧器簡(jiǎn)單介紹 PAGEREF _Toc3073

9、6 6 HYPERLINK l _Toc4292 3.1 除氧器 PAGEREF _Toc4292 6 HYPERLINK l _Toc10805 3.1.1除氧器作用 PAGEREF _Toc10805 6 HYPERLINK l _Toc15401 3.1.2 除氧器結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc15401 6 HYPERLINK l _Toc4261 3.1.3 除氧器原理 PAGEREF _Toc4261 6 HYPERLINK l _Toc17559 第4章 除氧器液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc17559 7 HYPERLINK l _Toc25413 4.1 除氧系統(tǒng)工

10、藝流程 PAGEREF _Toc25413 7 HYPERLINK l _Toc11165 4.2 選擇被控變量確定操縱變量 PAGEREF _Toc11165 7 HYPERLINK l _Toc10650 4.3 調(diào)節(jié)閥的選擇 PAGEREF _Toc10650 8 HYPERLINK l _Toc7682 4.4 控制方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc7682 8 HYPERLINK l _Toc23394 4.4.1 單回路控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc23394 8 HYPERLINK l _Toc25195 4.4.2 串級(jí)控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc25195 13 H

11、YPERLINK l _Toc8960 4.4.3 前饋-反饋控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc8960 14 HYPERLINK l _Toc26276 4.4.4 前饋-串級(jí)控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc26276 16 HYPERLINK l _Toc14399 4.4.5 均勻控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc14399 17 HYPERLINK l _Toc10188 參 考 文 獻(xiàn) PAGEREF _Toc10188 18 HYPERLINK l _Toc15927 致 PAGEREF _Toc15927 19SMPT-1000硬件概述1.1 SMPT-1000硬件1.1.1

12、SMPT-1000的硬件組成SMPT-1000按實(shí)際比例比例縮小的流程設(shè)備模型，是集多種實(shí)驗(yàn)功能于一體的仿真實(shí)驗(yàn)裝置。SMPT-1000硬件主要包括設(shè)備盤臺(tái)、數(shù)字式軟儀表、接口硬件、嵌入式工控機(jī)、輔助操縱臺(tái)等。圖1-1所示為SMPT-1000外觀結(jié)構(gòu)。報(bào)警蜂鳴指示燈除氧罐換熱器運(yùn)行指示燈顯示屏蒸發(fā)器省煤器除氧器爐膛立體流程設(shè)備盤臺(tái)I/O系統(tǒng)鋼制盤臺(tái)圖1-1 SMPT-1000外觀立體流程設(shè)備盤臺(tái) 按比例縮小的流程設(shè)備模型SMPT-1000運(yùn)用真實(shí)的立體管路和空間分布的設(shè)備外觀設(shè)計(jì)，在鋼結(jié)構(gòu)的盤臺(tái)上安裝著由不銹鋼制的比例縮小的流程設(shè)備模型，主設(shè)備包括1臺(tái)臥式除氧器、1臺(tái)盤管式省煤器、1臺(tái)加熱爐爐

13、體、1臺(tái)除氧罐、1臺(tái)列管式換熱器、1臺(tái)蒸發(fā)器、2臺(tái)離心泵、1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)、11個(gè)手操/自控雙效閥（其中有2個(gè)旋鈕位于輔助操縱臺(tái)上）、5個(gè)開關(guān)閥、1個(gè)爐膛著火指示燈以與若干管路系統(tǒng)。數(shù)字式軟儀表空間分布有9個(gè)流量（F）、3個(gè)液位（L）、5個(gè)壓力（P）、4個(gè)溫度（T）、1個(gè)組分的仿傳感器（變送器）數(shù)字式軟儀表。顯示屏可進(jìn)行人機(jī)交互、完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理、組態(tài)等運(yùn)行指示燈和報(bào)警蜂鳴指示鋼制盤臺(tái)嵌入式工控機(jī)運(yùn)行仿真軟件、管理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、完成控制系統(tǒng)實(shí)輔助操縱臺(tái)報(bào)警燈、報(bào)警確認(rèn)開關(guān)、電機(jī)啟動(dòng)開關(guān)、點(diǎn)火開關(guān)、風(fēng)機(jī)調(diào)速旋鈕、煙道擋板開度、聯(lián)鎖保護(hù)切換開關(guān)、緊急停車按鈕、蒸汽指示燈標(biāo)準(zhǔn)I/O系統(tǒng)8路12位模擬量輸入/輸

14、出、16路數(shù)字量干點(diǎn)輸入/輸出ProfibusDP通信接口除氧器 + 爐膛 + 省煤器 + 除氧罐 + 換熱器 = 鍋爐系統(tǒng)鍋爐 + 蒸發(fā)器 = 水汽熱能全流程鍋爐系統(tǒng) 之 水汽系統(tǒng) “鍋”除氧器，整個(gè)流程是從這兒開始的。從公用工程來(lái)的鍋爐給水到這里，用蒸汽把給水加熱到飽和溫度，把里面溶解的氧和二氧化碳逼出來(lái)，以免鍋爐結(jié)垢。省煤器，從除氧器出來(lái)的鍋爐給水，進(jìn)入省煤器預(yù)熱，降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率。 除氧罐，小鍋的心臟，飽和水在這里進(jìn)行汽水分離。 飽和水有的是從省煤器來(lái)的，有的是從水冷壁來(lái)的。水冷壁：除氧罐的飽和水經(jīng)過對(duì)流管束進(jìn)入水冷壁，在水冷壁中吸收爐膛輻射熱，變成汽水混合物，再返回到除氧

15、罐進(jìn)行汽水分離。 過熱器：由除氧罐分離出來(lái)的飽和蒸汽首先進(jìn)入過熱器，進(jìn)行汽相升溫，變成過熱蒸汽。減溫器，就是列管式換熱器，主要是調(diào)節(jié)過熱蒸汽溫度，調(diào)節(jié)圍在1033之間。鍋爐系統(tǒng) 之 燃燒系統(tǒng) “爐”燃油經(jīng)油泵輸送進(jìn)入爐膛燃燒，空氣由鼓風(fēng)機(jī)吹入爐膛助燃。燃燒產(chǎn)生的熱量傳給鍋爐水，燃燒后的煙氣經(jīng)煙道通過煙囪排入大氣。 泵，是將液體從低位輸送到高位的設(shè)備。在小鍋的身上，有一個(gè)鍋爐上水泵，還有一個(gè)燃油泵。 風(fēng)機(jī)，主要的作用就是送風(fēng)或引風(fēng)。在這里是個(gè)鼓風(fēng)機(jī)，是負(fù)責(zé)往爐膛里送助燃風(fēng)的。 蒸發(fā)器用小鍋的蒸汽，把蒸發(fā)器里的稀液加熱，把稀液里面的水蒸出來(lái)。在小鍋身上，大部分都是數(shù)字式軟儀表，模擬檢測(cè)、變送、顯示

16、三位一體的測(cè)量?jī)x表。藍(lán)色外殼的顯示流量，綠色外殼的顯示壓力，橘黃色外殼的顯示溫度，灰色外殼的顯示組分。光柱，模擬顯示是液位 。1.1.2 小鍋的測(cè)量器和變送器測(cè)量變送器工藝變量是通過檢測(cè)元件（又叫傳感器）獲取的，它把工藝變量轉(zhuǎn)化成一個(gè)與之成對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)，比如：熱電阻測(cè)溫度時(shí)，把被測(cè)溫度轉(zhuǎn)化成電阻信號(hào)；節(jié)流裝置測(cè)流量時(shí)，把被測(cè)流量的變化轉(zhuǎn)化成差壓信號(hào)。流量計(jì)針對(duì)一般流體、液體、蒸汽流量的測(cè)量，可選擇差壓式流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、速度流量計(jì)（靶式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)）、超聲波流量計(jì)、科氏力質(zhì)量流量計(jì)、熱導(dǎo)式質(zhì)量流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)。流量測(cè)量節(jié)流裝置在工業(yè)中應(yīng)用最廣泛，節(jié)流裝置屬于差壓

17、式流量計(jì)，如孔板流量計(jì)、文丘里管等。差壓式變送器在使用時(shí)往往要考慮輸出零點(diǎn)調(diào)整的問題。一體式儀表對(duì)于檢測(cè)儀表來(lái)說，檢測(cè)、變送、顯示可以是3個(gè)獨(dú)立部分，也可以只用到其中2個(gè)部分。比如熱電偶測(cè)量溫度得到的毫伏信號(hào)，可以不通過變送器，直接送到電子電位差計(jì)顯示。當(dāng)然，檢測(cè)、變送和顯示可以有機(jī)地組合在一起成為一體，比如單圈彈簧管壓力表，測(cè)量出來(lái)的壓力值，通過變送后直接就可顯示出來(lái)。1.1.3 SMPT-1000的執(zhí)行器執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中的作用是接受控制器的輸出信號(hào)，直接控制能量或物料等，調(diào)節(jié)介質(zhì)的輸送量，達(dá)到控制溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的目的。執(zhí)行器就是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的“手腳”，執(zhí)行器可以分

18、為電動(dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)執(zhí)行器。電動(dòng)執(zhí)行器把來(lái)自控制器的020mA或420mA的直流統(tǒng)一電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角或位移，推動(dòng)各種類型的調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝過程中的流量。能源取用方便、信號(hào)傳輸速度快和傳輸距離遠(yuǎn)，適用于防爆要求不太高與缺乏氣源的場(chǎng)所。氣動(dòng)執(zhí)行器接受控制器（或轉(zhuǎn)換器）的輸出氣壓信號(hào)20100KPa，按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成推力，推動(dòng)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生一定的位移。工作可靠、維護(hù)方便、防火防爆，目前在工業(yè)控制中獲得最普遍的應(yīng)用。在過程控制系統(tǒng)中，最常用的執(zhí)行器是氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥。SMPT-1000軟件概述2.1 SMPT-1000軟件組成SMPT-1000軟件系統(tǒng)主要包括上位機(jī)軟件SMPTLAB

19、、實(shí)時(shí)仿真引擎軟件SMPTRuntime其他軟、硬件接口軟件。SMPTLAB初始畫面如圖2-1所示。圖2-1 SMPTLAB初始畫面（換新的）在SMPTLAB中打開一個(gè)工程，SMPT-1000監(jiān)控環(huán)境主要由3部分組成：流程圖窗口、趨勢(shì)曲線窗口和控制組態(tài)窗口。圖2-2 SMPTLAB工程畫面2.1.1 上位機(jī)軟件SMPTLAB的功能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)視、控制系統(tǒng)的組態(tài)等日常實(shí)驗(yàn)功能實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理軟件實(shí)驗(yàn)開始、停止、恢復(fù)功能；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目切換功能；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目當(dāng)前狀態(tài)存儲(chǔ)（快照）功能；多畫面切換功能；參數(shù)設(shè)置功能；設(shè)備快速與完整自檢功能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)控軟件流程圖畫面顯示與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示功能；趨勢(shì)畫面

20、組態(tài)與顯示功能；趨勢(shì)曲線輔助分析功能控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件控制系統(tǒng)圖形化組態(tài)功能；控制方案設(shè)計(jì)功能；控制算法組態(tài)功能2.1.2 實(shí)時(shí)仿真引擎軟件SMPTRuntime的功能完成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算以與數(shù)據(jù)管理功能。SMPT-1000軟件運(yùn)用動(dòng)態(tài)定量數(shù)學(xué)模型，精確模擬真實(shí)工藝過程，完成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算以與數(shù)據(jù)管理功能。SMPT-1000軟件的具體應(yīng)用，將在之后的章節(jié)中結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)的講解。除氧器簡(jiǎn)單介紹3.1 除氧器本文主要是以除氧器為被控對(duì)象來(lái)體現(xiàn)SMPT-1000的仿真效果，以與過程控制方案的設(shè)計(jì)。所以接下來(lái)先簡(jiǎn)單介紹下除氧器。圖3-1為除氧器實(shí)物圖。圖3-1 除氧器3.1.1除氧器作用整個(gè)

21、流程是從除氧器開始，用除氧器來(lái)去除熱力系統(tǒng)給水中的溶解氧與其他氣體，再供給以后的生產(chǎn)單元，防止熱力設(shè)備的腐蝕。3.1.2 除氧器結(jié)構(gòu)除氧器由上部熱力除氧頭和下部臥式水箱組成從公用工程來(lái)的鍋爐給水進(jìn)入除氧器下水箱，除氧蒸汽分別進(jìn)入除氧頭和下水箱，用蒸汽把給水加熱到飽和溫度，把里面溶解的氧和二氧化碳逼出來(lái)，以免鍋爐結(jié)垢。3.1.3 除氧器原理根據(jù)水中氣體的溶解特性，要想將水中任何一種氣體除去時(shí)，只要將水面上存在的該氣體除去即可，因此希望排除水中的各種氣體，最好水面上只有水蒸氣而無(wú)其他氣體。采用熱力除氧的方法，就是用蒸汽來(lái)加熱給水，使水的溫度達(dá)到相應(yīng)壓力下的沸騰溫度。當(dāng)水被加熱到沸騰溫度時(shí)，水面上全

22、是水蒸氣，水不再具有溶解氣體的能力，氧氣由于溶解度減小而逸出，保證鍋爐給水的含氧量達(dá)到水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。除氧器液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 除氧系統(tǒng)工藝流程圖3-2為除氧器系統(tǒng)工藝流程示意圖，經(jīng)處理的軟化水進(jìn)入除氧器V1101上部的除氧頭，進(jìn)行熱力除氧，軟化水流量為FI1106，溫度為常溫20，經(jīng)由調(diào)節(jié)閥FV1106進(jìn)入除氧器V1101頂部。除氧蒸汽分兩路，一路進(jìn)入熱力除氧頭，管線上設(shè)有調(diào)節(jié)閥PV1101；另外一路進(jìn)入除氧器下水箱，管線上設(shè)有開關(guān)閥XV1106。除氧器壓力為PI1106，除氧器液位為L(zhǎng)I1101。軟化水在除氧器底部經(jīng)由上水泵P1101泵出，出口流量FI1101，出口管線閥FV1101。

23、圖3-2 為除氧器系統(tǒng)工藝流程4.2 選擇被控變量確定操縱變量一般的過程控制系統(tǒng)是由被控變量和自動(dòng)控制兩大部分或由被控變量、測(cè)量變送器、控制器、控制閥四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成。被控對(duì)象除氧器也可以看成是儲(chǔ)蓄罐，罐體中存儲(chǔ)經(jīng)過除氧的除氧水，除氧器作為整個(gè)生產(chǎn)工藝的首個(gè)環(huán)節(jié)，是否能穩(wěn)定的供應(yīng)除氧水，關(guān)系到后面生產(chǎn)環(huán)節(jié)的穩(wěn)定，所以儲(chǔ)罐需具有一定的水儲(chǔ)量，使鍋爐正常、安全地運(yùn)行。選擇除氧罐中的液位作為被控變量，可以看到對(duì)罐體液位影響最大的兩個(gè)變量為進(jìn)口的軟化水進(jìn)水流量和出口的去鍋爐除氧罐出水流量。一般情況下在選取操縱變量的時(shí)候要選擇對(duì)被控對(duì)象影響較大的變量做為我們的操縱變量，以便能夠得到較好的控制效果。從上圖

24、可以看到，對(duì)除氧罐液位影響較大的有兩個(gè)變量理論上都可以作為操縱變量，但是為了滿足生產(chǎn)工藝要求，我們還是選擇入口流量來(lái)作為操縱變量。如果選擇用出口流量來(lái)控制液位的話，那么為了維持罐體液位的穩(wěn)定，出水口流量勢(shì)必不斷變化波動(dòng)，那么去往下一生產(chǎn)單元的流量就會(huì)不穩(wěn)定，勢(shì)必會(huì)影響后面的生產(chǎn)單元。在此我們可以確定被控變量為除氧器液位，操縱變量為除氧器進(jìn)水流量。4.3 調(diào)節(jié)閥的選擇FV1106是除氧器進(jìn)水流量調(diào)節(jié)閥，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，氣源信號(hào)減弱，這時(shí)為了防止鍋爐發(fā)生干燒危險(xiǎn)，應(yīng)保證有水進(jìn)入鍋爐，調(diào)節(jié)閥應(yīng)處于打開狀態(tài)，所以選擇氣閉式調(diào)節(jié)閥。根據(jù)調(diào)節(jié)閥流量特性，選擇等百分比調(diào)節(jié)閥。但是在SMPT-1000中使用

25、的調(diào)節(jié)閥全部默認(rèn)為氣開式調(diào)節(jié)閥，在此仿真裝置中，可以不進(jìn)一步的追究，但是在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中，必須從安全的角度選擇閥門的氣開氣關(guān)。氣開、氣閉的選擇原則：主要從工藝生產(chǎn)上的安全要求出發(fā)。當(dāng)輸入氣壓信號(hào)中斷時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備和操作人員的安全。如果閥門打開的時(shí)候，危害性小，就應(yīng)該選用氣閉式，這樣當(dāng)氣源系統(tǒng)發(fā)生故障、氣源中斷時(shí)，閥門能夠自動(dòng)打開，保證安全。反之，如果閥門關(guān)閉時(shí)，危害性小，就應(yīng)該選用氣開閥。4.4 控制方案設(shè)計(jì)控制的對(duì)象為除氧器罐，被控變量為儲(chǔ)蓄罐的液位，根據(jù)選擇被控變量確定操縱變量容的描述，選擇儲(chǔ)蓄罐的入口流量來(lái)作為操縱變量。控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)可以有以下幾種方案。4.4.1 單回路控制系統(tǒng)（1

26、）單回路液位控制系統(tǒng)的方塊圖由圖3-2為除氧器系統(tǒng)工藝流程可以看到，系統(tǒng)的被控對(duì)象為除氧器罐V1101，被控變量為除氧器液位L1101，操縱變量為入口流量的調(diào)節(jié)閥FV1106,為此可以根據(jù)圖3-2我們可以畫出液位單回路控制系統(tǒng)的方塊圖如圖3-3所示。圖3-3 液位單回路控制系統(tǒng)的方塊圖（2）控制器正反作用的選擇確定了系統(tǒng)的變量以與控制方案，接下來(lái)要調(diào)用PID控制系統(tǒng)的液位穩(wěn)定，由此要涉與到控制器的正反作用的選擇?？刂破髡醋饔玫呐卸?，控制器的輸出隨著其輸入偏差的增大而增大為正作用控制器，控制器的輸出隨著其輸入偏差的增大而減小為反作用控制器。在確定控制器正反作用的時(shí)候一般的情況下根據(jù)系統(tǒng)必須構(gòu)

27、成負(fù)反饋，系統(tǒng)總的開環(huán)放大倍數(shù)必須為負(fù)，也就是構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的符號(hào)乘積為負(fù)，來(lái)確定控制器的正反作用。為了快速的確定控制器的正反作用，在此可以運(yùn)用如下的分析過程來(lái)確定控制器的正反作用，要控制的是儲(chǔ)罐的液位，假如除氧器液位液位此時(shí)升高，為了使得液位保持穩(wěn)定，此時(shí)操縱變量即入口流量調(diào)節(jié)閥要開小，才可能使得液位降低以維持穩(wěn)定,由此可以看到調(diào)節(jié)閥與液位成反比的關(guān)系，這樣就很容易確定，控制器的作用為反作用而不用通過進(jìn)繁瑣的“負(fù)號(hào)法則”進(jìn)行選擇控制器的正反作用?？刂埔?guī)律的選擇與控制參數(shù)的調(diào)整對(duì)于除氧罐的液位，其實(shí)在整個(gè)系統(tǒng)中的精度要求不是很高，只要滿足罐體中有除氧水，不影響后面的工藝生存就可以了，所以可

28、以簡(jiǎn)單的選擇比例控制。但是純比例控制存在一定的誤差，從另一方面來(lái)說，雖然除氧器液位對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說精度要求不高，但是對(duì)于儲(chǔ)蓄罐這個(gè)被控對(duì)象來(lái)說還是有意義的需要達(dá)到一定的精度，為此要消除誤差的存在，引入積分的作用，積分有消除誤差的作用，能夠使得液位達(dá)到相對(duì)精確穩(wěn)定的液位高度?？刂破鲄?shù)的調(diào)整方法有經(jīng)驗(yàn)湊試法、衰減振蕩法、等幅振蕩、臨界比力度法，最常用的方法為經(jīng)驗(yàn)湊試法，其具體步如下：置控制器積分時(shí)間Ti為99999，微分時(shí)間Td=0，在比例度按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的初值條件下，將系統(tǒng)投如運(yùn)行，整定比例度。若曲線振蕩頻繁，則加大比力度；若曲線超調(diào)量大，且趨于非周期過程，則減小比例度，求得滿意的4:1過程曲線。

29、引入積分作用（此時(shí)應(yīng)將比例度設(shè)置為1.2倍）。將Ti由大到小進(jìn)行整定。若曲線波動(dòng)較大，則應(yīng)增大積分時(shí)間Ti；若曲線偏離設(shè)定值后場(chǎng)時(shí)間回不來(lái)，則需減小Ti以求得較好的過度過程曲線。若需要引入微分作用時(shí)，則將Td按經(jīng)驗(yàn)值或按Td=（1/31/4）Ti設(shè)置，并由小到大加入。若曲線超調(diào)量大而衰減緩慢,則需增大Td；若曲線振蕩厲害，則應(yīng)減小Td。觀察曲線，再適當(dāng)控制比例度和Ti，反復(fù)調(diào)試直到求得滿意的過程過度曲線。需要指出的是，有人認(rèn)為比例度與積分時(shí)間Ti可以在一定圍匹配，若減小比例度可以用增大Ti來(lái)補(bǔ)償，若需引入微分作用，可以按以上所述進(jìn)行調(diào)整。將控制器參數(shù)進(jìn)行反復(fù)湊試。（4）SMPT-1000軟件仿

30、真調(diào)試具體的步驟如下：1、確保在SMPT-1000監(jiān)控環(huán)境中打開儲(chǔ)罐工程02_TankLI1101Control。2、點(diǎn)擊工具欄中的按鈕，打開閥門/擋板控制配置對(duì)話框，將閥門FV1106設(shè)為控狀態(tài)。圖3-4 閥門/擋板控制配置對(duì)話框3、點(diǎn)擊工具欄中的按鈕，將當(dāng)前窗口切換到控制組態(tài)畫面，進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)。（1）設(shè)置數(shù)據(jù)源，采集儲(chǔ)罐液位實(shí)際測(cè)量值作為控制器輸入。 在SMPTLab左側(cè)浮動(dòng)工具盒中，已經(jīng)打開基本模板目錄，目錄中包括了組成控制回路常用的控制器輸入模塊、控制器輸出模塊和PID控制器模塊。 用鼠標(biāo)左鍵選中“控制器輸入”不放，拖動(dòng)至控制組態(tài)窗口中放開，即在控制組態(tài)窗口中生成了一個(gè)“數(shù)據(jù)源”模

31、塊。雙擊該模塊符號(hào)，彈出數(shù)據(jù)采集點(diǎn)配置對(duì)話框。在選擇位號(hào)下拉框中，選擇LI1101，即表示當(dāng)前數(shù)據(jù)源模塊將從現(xiàn)場(chǎng)獲取LI1101位號(hào)對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 點(diǎn)擊確定按鈕，完成對(duì)儲(chǔ)罐液位信號(hào)的配置。（2）PID控制器組態(tài)。 在基本模板目錄中，選中“PID控制器”圖標(biāo)，并將它拖放至控制組態(tài)窗口，生成如下圖所示的PID控制器圖標(biāo)。圖3-5 “PID控制器”圖標(biāo) 雙擊該圖標(biāo)，彈出PID控制器配置對(duì)話框。圖3-6 PID控制器配置對(duì)話框按照下面表3-1中的容設(shè)置控制器參數(shù)。模塊參數(shù) 取值說明PID控制器位號(hào)LIC1101 儲(chǔ)罐液位控制器狀態(tài)手動(dòng)正反作用反作用參數(shù)Kc4 比例增益參數(shù)Ti30積分時(shí)間參數(shù)Td 0

32、不使用此參數(shù)表3-1 控制器參數(shù) 配置完成后，點(diǎn)擊確定按鈕，當(dāng)前PID控制器的圖標(biāo)將更新。（3） 信號(hào)連接。完成上述步驟后，控制組態(tài)窗口如下圖所示。圖3-6 PID控制器配置對(duì)話框?yàn)榱藢ⅰ皵?shù)據(jù)源”模塊檢測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)LI1101輸入“PID控制器”模塊，并將控制器模塊的輸出通過“控制輸出點(diǎn)”模塊調(diào)節(jié)流程盤臺(tái)上的FV1106調(diào)節(jié)閥開度，需要在上圖所示的圖中添加信號(hào)線，以連接三個(gè)模塊。 點(diǎn)擊控制組態(tài)窗口工具欄號(hào)線按鈕，將鼠標(biāo)移至數(shù)據(jù)源中央黑色實(shí)心小圓孔處，待圓孔四周出現(xiàn)紅色方框時(shí)單擊。然后將鼠標(biāo)移到PID控制器圖形的左側(cè)小字PV處的空心圓點(diǎn)處，待圓孔四周出現(xiàn)紅色方框時(shí)再次單擊，系統(tǒng)將生成一條從數(shù)據(jù)

33、源LI1101模塊至PID控制器LIC1101模塊的信號(hào)連接線，表示從變送器獲得的現(xiàn)場(chǎng)LI1101液位的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將作為PV值被送入LIC1101控制器。 用相似的辦法，建立從LIC1101控制器模塊的OP處至控制輸出點(diǎn)FV1106模塊的信號(hào)連接，表示PID控制器的輸出OP值，將被送入控制輸出點(diǎn)FV1106模塊所對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)閥，作為該調(diào)節(jié)閥的目標(biāo)開度。 液位LI1101的單回路PID控制系統(tǒng)組態(tài)結(jié)果如圖所示。圖3-7 單回路PID控制系統(tǒng)組態(tài)4、在趨勢(shì)曲線畫面中添加FV1101的實(shí)時(shí)曲線。5、確認(rèn)閥門FV1101開度為30。6、點(diǎn)擊工具欄中運(yùn)行的按鈕，將當(dāng)前窗口切換到控制組態(tài)畫面，雙擊LIC11

34、01控制器模塊，在彈出的PID控制器配置對(duì)話框中，將輸出OP的值設(shè)置為41.56。7、點(diǎn)擊工具欄中的運(yùn)行按鈕，讓儲(chǔ)罐工程運(yùn)行起來(lái)。8、控制系統(tǒng)投運(yùn)和控制器性能測(cè)試。（1）控制系統(tǒng)的投運(yùn)在控制器組態(tài)畫面，選中LIC1101控制器圖標(biāo)，點(diǎn)擊工具欄中的 按鈕，打開LIC1101控制器的操作面板?？刂破鳡顟B(tài)為手動(dòng)，可進(jìn)行手動(dòng)控制。不斷修改OP值，也就是不斷改變閥門FV1106開度，觀察SP和PV的值。你會(huì)發(fā)現(xiàn)PV和SP的值將不斷變化，當(dāng)其值達(dá)到60%左右時(shí)，將控制器狀態(tài)設(shè)置為自動(dòng)，將控制器投自動(dòng)。（2）施加擾動(dòng)測(cè)試控制器性能將LI1101設(shè)定值從60變?yōu)?0，記錄LI1101的響應(yīng)曲線。待LI1101

35、穩(wěn)定后，將LI1101設(shè)定值從50再變?yōu)?0，記錄LI1101的響應(yīng)曲線。待系統(tǒng)穩(wěn)定之后，點(diǎn)擊工具欄中的按鈕，將當(dāng)前窗口切換到流程圖畫面。雙擊閥門FV1101，在打開的閥門/擋板類設(shè)備屬性對(duì)話框中，將FV1101開度設(shè)置為50，觀察LI1101曲線的變化趨勢(shì)。當(dāng)LI1101穩(wěn)定后，再將FV1101開度調(diào)回到30，等待液位穩(wěn)定。圖3-8 體現(xiàn)了被控變量LI1101曲線的變化趨勢(shì)。圖3-8 LI1101曲線的變化趨勢(shì)當(dāng)儲(chǔ)罐液位LI1101的設(shè)定值SP下降（增加）時(shí)，液位控制器LIC1101的輸入PV-SP變大（變?。?。由于LIC1101為反作用控制器，它將指揮執(zhí)行機(jī)構(gòu)FV1106相應(yīng)關(guān)?。ㄩ_大），

36、使得LI1101的PV實(shí)測(cè)值相應(yīng)下降（增加），向SP靠攏。由于LIC1101為PI控制器，可確保對(duì)液位的無(wú)靜差調(diào)節(jié)。在FV1106開度變?。ㄗ兇螅r(shí)，F(xiàn)I1106相應(yīng)減少（增加）。在改變FV1101的開度時(shí)，相當(dāng)于施加了擾動(dòng)。當(dāng)FV1101開度變大（變?。r(shí)，儲(chǔ)罐出口流量相應(yīng)增加（減少）。在儲(chǔ)罐入口流量不變的前提下，儲(chǔ)罐出口流量增加（減少），儲(chǔ)罐液位LI1101相應(yīng)下降（上升）。LI1101的下降（上升），使得LIC1101的輸入PV-SP變?。ㄗ兇螅?，控制器將調(diào)節(jié)FV1106開大（關(guān)?。瑢I1101的PV調(diào)整到設(shè)定值?？梢钥吹剑贚IC1101的作用下，無(wú)論LI1101受到何種影響，儲(chǔ)罐

37、液位都沒有因?yàn)樽陨淼姆亲院獾奶匦远掷m(xù)下降（上升），而是重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)。實(shí)驗(yàn)完畢時(shí)，點(diǎn)擊工具欄中保存按鈕，保存工程。然后關(guān)閉SMPT1000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。到此完成了單回路液位控制系統(tǒng)的全部任務(wù)。4.4.2 串級(jí)控制系統(tǒng)在單回路控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)詳細(xì)的介紹了SMPT-1000仿真軟件的使用方法，所以接下來(lái)不再詳細(xì)的講解關(guān)于軟件使用方面的容。一樣的地方也不再詳細(xì)的介紹，比如控制器正反作用的判斷方法，軟件的類似操作等。（1）液位串級(jí)控制系統(tǒng)的方塊圖串級(jí)控制系統(tǒng)就是在單回路的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)入口流量單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于串級(jí)控制系統(tǒng)存在主副控制系統(tǒng)，可以與時(shí)的對(duì)來(lái)自一次、二次擾動(dòng)進(jìn)行控制，串級(jí)控制系統(tǒng)

38、副控制器具有“粗調(diào)”作用，主控制器具有“細(xì)調(diào)”作用，所以系統(tǒng)的響應(yīng)速度與精度很好，能夠得到較好的控制效果。圖3-9為除氧器液位串級(jí)控制系統(tǒng)的方塊圖。圖3-9 液位串級(jí)控制系統(tǒng)的方塊圖（2）控制器正反作用的選擇根據(jù)系統(tǒng)必須構(gòu)成負(fù)反饋的原則以與串級(jí)控制系統(tǒng)先副后主的判定順序可知：FIC1106為反作用，LIC1101為反作用。 （3）控制規(guī)律的選擇與控制參數(shù)的調(diào)整在串級(jí)控制系統(tǒng)中，一般而言，主控制器選擇比例-積分控制規(guī)律，有時(shí)為了克服對(duì)象滯后，也加入微分作用，選用比例-積分-微分控制規(guī)律；副控制器為了迅速跟蹤主控制器的給定，副控制器一般不加入積分作用，只選擇比例控制規(guī)律參數(shù)整定的順序是：先副后主。

39、（4）SMPT-1000軟件仿真調(diào)試在控制組態(tài)窗口中組態(tài)串級(jí)PID控制系統(tǒng)組態(tài)組態(tài)畫面。圖3-10 串級(jí)PID控制系統(tǒng)組態(tài)軟件的使用和上一節(jié)的類似，將調(diào)整好的參數(shù)主控制器Kc：20、Ti：3副控制器Kc：15，寫入到控制器中，觀察并記錄曲線結(jié)果。4.4.3 前饋-反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是在被控變量在出現(xiàn)變化后，控制器才開始動(dòng)作，以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響。如擾動(dòng)已發(fā)生，但被控變量還未變化時(shí)，控制器則不會(huì)有任何的控制作用，因此，反饋控制作用總是落后于擾動(dòng)作用，控制很難達(dá)到與時(shí)。考慮到產(chǎn)生偏差的作用是擾動(dòng)，那么，如果按擾動(dòng)實(shí)施控制，那么就解決了控制響應(yīng)不與時(shí)的情況，反饋控制為閉環(huán)控制系統(tǒng)，

40、前饋控制實(shí)質(zhì)上為開環(huán)控制系統(tǒng)，反饋使得系統(tǒng)穩(wěn)定，前饋能夠與時(shí)控制與時(shí)，所以在反饋回路中加入前饋控制，這樣不僅也能使得系統(tǒng)穩(wěn)定，而且在擾動(dòng)影響到被控變量之前就能夠與時(shí)控制，增強(qiáng)控制效果。被控變量還是除氧罐水位。操縱變量還是給水流量，主要干擾：除氧器出口流量。（1）液位前饋-反饋控制系統(tǒng)的方塊圖圖3-11 串級(jí)PID控制系統(tǒng)組態(tài)當(dāng)出口流量發(fā)生變化時(shí)，前饋控制器與時(shí)發(fā)出控制指令，補(bǔ)償出口流量變化對(duì)儲(chǔ)罐水位的影響；同時(shí)，對(duì)于未引入前饋的給壓力度等擾動(dòng)對(duì)儲(chǔ)罐水位的影響，則由PID反饋控制器來(lái)克服。前饋?zhàn)饔眉臃答佔(zhàn)饔?，使得?chǔ)罐水位穩(wěn)定在設(shè)定值上，獲得比較理想的控制效果。（2）控制器正反作用的選擇一般情況前

41、饋控制器就是一個(gè)比值控制器或是一個(gè)比例控制器，根據(jù)系統(tǒng)必須構(gòu)成負(fù)反饋的原則可知儲(chǔ)罐液位控制器為反作用。（3）控制規(guī)律的選擇與控制參數(shù)的調(diào)整前饋-反饋控制系統(tǒng)可以看成是在單回路的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)前饋控制系統(tǒng)，所以控制器還選擇前面介紹的比例積分控制。前饋-反饋控制系統(tǒng)中，反饋控制器的參數(shù)整定方法與一般的反饋控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法一樣，前面已經(jīng)介紹了，下面來(lái)重點(diǎn)關(guān)注一下前饋控制器的參數(shù)整定方法。前饋控制器參數(shù)整定也就是對(duì)控制器的比例系數(shù)Kf進(jìn)行整定。在工程實(shí)際中，整定Kf的一般方法有：開環(huán)整定法、閉環(huán)整定法。一般情況下，采用閉環(huán)整定法較為簡(jiǎn)單，閉環(huán)整定法又分為兩種：在反饋系統(tǒng)運(yùn)行下整定Kf和在前饋-反

42、饋系統(tǒng)運(yùn)行下整定Kf。在反饋系統(tǒng)下整定Kf的方法：系統(tǒng)在反饋狀態(tài)下運(yùn)行，首先整定反饋控制回路，達(dá)到4:1衰減比。待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，記錄干擾量變送器的輸出電流ID0和反饋控制器的輸出穩(wěn)定值Ico。對(duì)干擾量施加一個(gè)增量，等反饋系統(tǒng)在該干擾增量作用下被控變量重新回到給定值時(shí)，再記下干擾量變送器的輸出電流ID以與反饋控制器的輸出穩(wěn)定值IC。則前饋控制器的靜態(tài)放大系數(shù)為：Kf=Ic-Ico/Id-Ido。Io=-Kf*If（If為系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下的出口流量）。SMPT-1000軟件仿真調(diào)試在控制組態(tài)窗口中組態(tài)前饋-反饋PID控制系統(tǒng)組態(tài)組態(tài)畫面。圖3-12 前饋-反饋PID控制系統(tǒng)組態(tài)需要更換上面組態(tài)中出現(xiàn)了新的模塊的調(diào)用，加法器模塊、乘法器模塊。加法器用于將最多3路信號(hào)進(jìn)行求和操作，其輸出值為3路輸入值的代數(shù)和。乘法器將最多三路輸入信號(hào)相乘后輸出。圖3-13 加法器、乘法器模塊對(duì)話框?qū)⒄{(diào)整好的參數(shù)寫入到控制器中，觀察并記錄曲線結(jié)果。4.4.4 前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)在