過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告

./東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱：水箱液位控制系統(tǒng)院〔系：自動(dòng)化專業(yè)：自動(dòng)化姓名：學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)室：實(shí)驗(yàn)組別：同組人員：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：評(píng)定成績(jī)：審閱教師：目錄一、系統(tǒng)概論3二、對(duì)象的認(rèn)識(shí)4三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)14四、單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)15五、串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)Ⅰ17六、串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)Ⅱ18七、前饋控制20八、軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)21系統(tǒng)概論1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備1.1.1組成器件圖1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備正面圖圖1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備背面圖本實(shí)驗(yàn)設(shè)備包含水箱、加熱器、變頻器、泵、電動(dòng)閥、電磁閥、進(jìn)水閥、出水閥、增壓器、流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器、操作面板等。1.1.2銘牌·加熱控制器：功率1500w,電源220V〔單相輸入·泵：Q40-150L/min,H2.5-7m,Hmax2.5m,380V,VL450V,IP44,50Hz,2550rpm,1.1kw,HP1.5,In2.8A,ICLB·全自動(dòng)微型家用增壓器：型號(hào)15WZ-10,單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)馬達(dá)最高揚(yáng)程10m,最大流量20L/min,級(jí)數(shù)2,轉(zhuǎn)速2800rmp,電壓220V,電流0.36A,頻率50Hz,電容3.5μF,功率80w,絕緣等級(jí)E·LWY-C型渦輪流量計(jì)：口徑4-200mm,介質(zhì)溫度-20—+100℃,環(huán)境溫度-20—+45℃,供電電源+24V,標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出4-20mA,負(fù)載0-750Ω,精確度±0.5%Fs±1.0%Fs,外殼防護(hù)等級(jí)IP65·壓力傳感器YMC303P-1-A-3RANGE0-6kPa,OUT4-20mADC,SUPPLY24VDC,IP67,REDSUP+,BLUEOUT+/V-·SBWZ溫度傳感器PT100量程0-100℃,精度0.5%Fs,輸出4-20mADC,電源24VDC·智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)2DYP-16P壓力1.6MPa,輸入信號(hào)4-20mA,口徑2.5mm,電源220V,反饋信號(hào)4-20mA,閥門(mén)控制精度0.1%-8%可調(diào)·電磁閥MODELUW-15,VOLTS220V,ORIFICE15,CYCLES60Hz,PIPESIZE1/,OFERATINGPRESSUREMINI0kg/—MAX8kg/·交流變頻器功率1500w,電源220V〔單相輸入380V〔三相輸入1.2電氣接線圖見(jiàn)最后一頁(yè)1.3操作面板圖控制面板中有4個(gè)P909儀表,以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變送器的接口。每個(gè)P909有4組接口,分別為〔PV,4-20mA,〔外給定,4-20mA,〔OUT,4-20mA,〔報(bào)警。PV為測(cè)量值的輸入口,即在閉環(huán)回路中為反饋值的輸入口,該接口一般與變送器相連。外給定為該P(yáng)909的給定值是由其他儀器給定,而非手動(dòng)人為調(diào)節(jié),在串級(jí)控制中為外環(huán)的輸出口與環(huán)給定的接口。OUT為該P(yáng)909的輸出值。實(shí)驗(yàn)中用到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變送器為電動(dòng)閥、電動(dòng)閥開(kāi)度變送器、液位變送器。對(duì)象的認(rèn)識(shí)2.1對(duì)液位系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)本系統(tǒng)的是由水箱、進(jìn)水閥、出水閥、泵、壓力表、電動(dòng)閥等組成。實(shí)驗(yàn)軟件2.2.1程序安裝打開(kāi)安裝包選擇安裝力控ForceControl6.1進(jìn)入安裝向?qū)Ц鶕?jù)向?qū)崾具M(jìn)行安裝直到結(jié)束,點(diǎn)擊完成同理安裝驅(qū)動(dòng)程序直至完成在本地計(jì)算機(jī)安裝文件夾下找到IOSevers,將P909驅(qū)動(dòng)程序文件夾拷貝到力控安裝目錄下的"IOServers"文件夾下然后把力控教學(xué)平臺(tái)復(fù)制到Project文件夾下2.2.2程序運(yùn)行及配置打開(kāi)軟件點(diǎn)擊搜索,選擇力控教學(xué)平臺(tái)單擊開(kāi)發(fā)進(jìn)入,點(diǎn)擊忽略后軟件主界面在IO設(shè)備組態(tài)中配置設(shè)備參數(shù)完成所有設(shè)備配置后,全部編譯并運(yùn)行登陸2.3P909的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用與本實(shí)驗(yàn)有關(guān)的一些功能操作：·設(shè)定SV值·各階層參數(shù)說(shuō)明·PV高點(diǎn)和低點(diǎn)校正Level3層中·外給定高點(diǎn)和低點(diǎn)校正Level3層中·故障與排除2.4對(duì)象建模為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱的建模,應(yīng)該在斷開(kāi)所有的控制器的情況下讓水箱獲得自然平衡點(diǎn)。利用P909手動(dòng)控制電動(dòng)閥的開(kāi)度,保持出水閥的開(kāi)度不變,手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)水閥的開(kāi)度,使得液位逐漸達(dá)到平衡點(diǎn)。在液位到達(dá)第一個(gè)平衡點(diǎn)之后保持進(jìn)水閥和出水閥的開(kāi)度不變,通過(guò)P909手動(dòng)增大電動(dòng)閥的開(kāi)度。〔這里之所以實(shí)用電動(dòng)閥來(lái)控制輸入量是因?yàn)殡妱?dòng)閥的是線性的,而進(jìn)水閥是非線性的,從而電動(dòng)閥的開(kāi)度該變量是可以量化的由于開(kāi)度的增大,進(jìn)水量必然會(huì)增大,但是由于液位不斷升高,出水量也會(huì)隨之增大,最終進(jìn)水量與出水量相等從而液位重新達(dá)到平衡點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程的液位-時(shí)間曲線稱為飛升曲線。通過(guò)飛升曲線可以估計(jì)出水箱的模型結(jié)構(gòu),并且通過(guò)分析該曲線的數(shù)據(jù)可以得到模型的相關(guān)參數(shù)?？刂泼姘宓倪B線如圖2.1。P909的<OUT,4-20mA>接電動(dòng)閥的接口,〔PV,4-20mA接電動(dòng)閥開(kāi)度變送器的接口。手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出值OUTL來(lái)控制電動(dòng)閥開(kāi)度。圖2.1建模連線圖在實(shí)驗(yàn)中,電磁閥的開(kāi)度由30%增大到50%,平衡點(diǎn)的液位高度由58.4mm增高到64.8mm。飛升曲線如圖2.2。圖2.2飛升曲線由圖2.2可以看出水箱的模型為一節(jié)慣性系統(tǒng),其傳遞函數(shù)為,其中,K=0.32mm/%,T=4.6min=276s所以水箱的傳遞函數(shù)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)本實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)閥。下面的工作是探究電動(dòng)閥的傳遞函數(shù)。將P909的〔PV,4-20mA接到電動(dòng)閥開(kāi)度變送器的接口,〔OUT,4-20mA接到電動(dòng)閥的接口,連線如圖3.1。圖3.1電動(dòng)閥連線圖在軟件平臺(tái)上觀察電動(dòng)閥開(kāi)度從0%-100%以及不同開(kāi)度的變化曲線〔圖3.2,從而得出傳遞函數(shù)。圖3.2電動(dòng)閥開(kāi)度調(diào)節(jié)曲線從圖3.2可以得出,電動(dòng)閥的開(kāi)度變化和時(shí)間是線性關(guān)系,設(shè)為開(kāi)度=kt,進(jìn)一步分析曲線知k=100/<0.8×60>=2.1,所以開(kāi)度〔%=2.1t,傳遞函數(shù)為單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)4.1單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖圖4.1單回路調(diào)節(jié)方框圖4.2PV校正通過(guò)測(cè)量知：低水位10mm,對(duì)應(yīng)的液位變送器值為7mA；高水位510mm,對(duì)應(yīng)的液位變送器值為20mA。由于此處需要有一個(gè)量程的變換,即4-20mA→0-100,所以7mA→20,20mA→100。在校正PV時(shí),需要兩個(gè)P909〔A和B,連線如圖4.2。先將A調(diào)到手動(dòng)模式,手動(dòng)設(shè)置OUTL為20,使B進(jìn)入到level3,在ANL1中調(diào)節(jié)SV的大小使PV值為10。再先將A手動(dòng)設(shè)置OUTL為100,使B進(jìn)入到level3,在ANH1中調(diào)節(jié)SV的大小使PV值為510。通過(guò)以上兩步,完成高點(diǎn)和低點(diǎn)的PV校正。圖4.2單回路PV校正4.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程·Step1：控制面板連線。按照單回路方框圖,P909的〔PV,4-20mA接到液位變送器,接口,〔OUT,4-10mA接到電磁閥接口。如圖4.3。圖4.3單回路控制面板連線圖·Step2：由于在實(shí)際的過(guò)程控制中被控量是不可能大幅度變化的,所以在對(duì)控制的效果進(jìn)行評(píng)判時(shí)是觀察在給定值附近的控制效果是否理想。例如,實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定液位從100mm升到200mm,而為了模擬實(shí)際情況,我們應(yīng)該觀察從180mm到液位穩(wěn)定這段時(shí)間的控制效果。基于以上的分析,在實(shí)驗(yàn)中我們分兩步進(jìn)行,手動(dòng)與自動(dòng)相結(jié)合。首先,當(dāng)液位低于180mm時(shí),手動(dòng)設(shè)置OUTL為100〔即電動(dòng)閥開(kāi)度最大,使液位快速上升。當(dāng)液位達(dá)到180mm時(shí),切換到自動(dòng)調(diào)節(jié),根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行PID調(diào)節(jié),使液位最終穩(wěn)定。4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)不斷的PID參數(shù)調(diào)整,最終我們獲得如下的PID參數(shù)：P=8.5,I=43,D=0。調(diào)節(jié)效果如圖4.4所示。圖4.4單回路PID調(diào)節(jié)從上圖可以看出效果還是不錯(cuò)的,有一個(gè)超調(diào),之后就進(jìn)入穩(wěn)態(tài),超調(diào)量為如果忽略擾動(dòng)〔電流波動(dòng),液位晃動(dòng)等,基本上是沒(méi)有靜差的。串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)Ⅰ5.1串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖圖5.1串級(jí)調(diào)節(jié)方框圖5.2PV校正5.1.1主控制器的PV校正主控制器的測(cè)量值為液位,所以它的PV校正和單回路PV校正相同,控制面板連線見(jiàn)圖4.2。5.1.2副控制器的PV及外給定校正串級(jí)控制系統(tǒng)比單級(jí)控制系統(tǒng)多一個(gè)控制器,即副控制器。副控制器的給定值是主控制器的輸出值,反饋值是電磁閥開(kāi)度,所以副控制器需要PV校正和外給定校正。PV校正：副控制器的PV校正的連線和單回路PV校正相同,先將主控制器調(diào)到手動(dòng)模式,手動(dòng)設(shè)置OUTL為0,使副控制器進(jìn)入到level3,在ANL1中調(diào)節(jié)SV的大小使SV值為0。再先將主控制器手動(dòng)設(shè)置OUTL為100,使副控制器進(jìn)入到level3,在ANH1中調(diào)節(jié)SV的大小使SV值為100。通過(guò)以上兩步,完成高點(diǎn)和低點(diǎn)的PV校正。外給定校正：主控制器的輸出值即電動(dòng)閥開(kāi)度的給定值,所以外給定校正的連線圖如圖5.2。先將主控制器調(diào)到手動(dòng)模式,手動(dòng)設(shè)置OUTL為0,使副控制器進(jìn)入到level3,在ANL2中調(diào)節(jié)SV的大小使PV值為0。再先將主控制器手動(dòng)設(shè)置OUTL為100,使副控制器進(jìn)入到level3,在ANH2中調(diào)節(jié)SV的大小使PV值為100。通過(guò)以上兩步,完成高點(diǎn)和低點(diǎn)的外給定校正。圖5.2外給定校正串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)Ⅱ6.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程·Step1：控制面板連線。按照單回路方框圖,主控制器的〔PV,4-20mA接到液位變送器,接口,〔OUT,4-10mA接到副控制器的〔外給定,4-20mA；副控制器的〔PV,4-20mA接到電磁閥開(kāi)度變送器,〔OUT,4-10mA接到電磁閥接口。如圖6.1。圖6.1串級(jí)控制連線圖·Step2：串級(jí)控制系統(tǒng)中有兩個(gè)PID控制器,在調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)不應(yīng)該同時(shí)調(diào)節(jié),而是應(yīng)該先調(diào)節(jié)副控制器再調(diào)節(jié)主控制器。對(duì)于副控制器的要響應(yīng)速度快,電磁閥的開(kāi)度要能跟得上給定值,所以副控制器的PID參數(shù)要求為放大倍數(shù)比較大,積分時(shí)間比較小。對(duì)于主控制器的要輸出的開(kāi)度調(diào)節(jié)幅度不能太大,反應(yīng)速度應(yīng)該比副控制器慢,所以主控制器的PID參數(shù)要放大倍數(shù)比較小,積分時(shí)間比較大。〔注：P909中的P為比例度,為放大倍數(shù)的倒數(shù),所以在調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)應(yīng)該是主控制器的P比較大,副控制器的P比較小。·Step3：與單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)相同,由于在實(shí)際的過(guò)程控制中被控量是不可能大幅度變化的,所以在對(duì)控制的效果進(jìn)行評(píng)判時(shí)是觀察在給定值附近的控制效果是否理想?！脖緦?shí)驗(yàn)為300mm6.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)不斷的PID參數(shù)調(diào)整,最終我們獲得如下的PID參數(shù)：主控制器P=20,I=50,D=0；副控制器P=0.1,I=1,D=0。調(diào)節(jié)效果如圖6.2所示。圖6.2串級(jí)控制PID調(diào)節(jié)通過(guò)串級(jí)控制,液位穩(wěn)定在300mm,沒(méi)有靜差。超調(diào)量為6.3單回路與串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的對(duì)比單回路串級(jí)由給定期望值兩種系統(tǒng)的過(guò)渡曲線可知：·單回路調(diào)節(jié)的超調(diào)量為8.5%,串級(jí)調(diào)節(jié)的超調(diào)量為5%,串級(jí)調(diào)節(jié)比單回路調(diào)節(jié)的超調(diào)量小?！ご?jí)調(diào)節(jié)的過(guò)渡時(shí)間比單回路調(diào)節(jié)長(zhǎng)?！烧叨寄苁馆敵隽糠€(wěn)定并且無(wú)靜差,但是由于負(fù)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的粗調(diào),粗調(diào)的準(zhǔn)確性影響到過(guò)渡過(guò)程的穩(wěn)定性,因此過(guò)渡過(guò)程曲線有小幅的波動(dòng)?！矎纳蠄D中可能看不出串級(jí)波動(dòng)大是因?yàn)閱位芈返膱D像比串級(jí)的圖像放大