水箱液位控制02.doc

实验二 水箱液位定值控制系统一、实验目的1 了解单闭环液位控制系统的结构与原理；2 了解单闭环液位控制系统调节器的参数整定方法；3 研究调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。二、实验设备及安全注意事项1实验设备：1）THJ-2高级过程控制系统； 2）计算机，MCGS组态软件等；2安全注意事项：1）用电安全；2）爱护仪器设备；三、实验原理1 ) 常规控制器 1比例控制器控制器是控制系统的心脏。它的作用是将测量变送信号与设定值相比较产生偏差信号，并按一定的运算规律产生输出信号。控制器的输出一般送到控制阀。 比例控制器的输出与偏差成比例：U ( t ) = Kc e (t) + U。式中，U ( t )为控制器输出信号；e (t)为设定值与测量变送信号之差，Kc为控制器增益；U。为当偏差e (t)为零时的输出信号值，它反映了比例控制的工作点。几乎所有的工业用控制器，不用Kc而用比例度PB来进行刻度： PB = 100 / Kc ;通常， 1PB500： PB：500 400 200 100 60 50 30 20 10 5 2.5 1Kc：0.2 0.25 0.5 1 1.67 2 3.33 5 10 20 40 100比例控制器的传递函数表达式为： Gc ( s) = Kc ； 或 Gc( j) = Kc ；显然比例控制器的振幅比(AR)和相角()都是恒定的，分别为Kc和0。 用比例控制时，Kc大小对受控变量过渡过程的影响较为明显。随着Kc的变化、过渡过程各项指标的变化见下表：放大系数 Kc 由 小 变 大衰 减 比： 大 小；稳定程度 ： 逐 渐 降 低；最大偏差 ： 大 小；余 差 ： 大 小；由表可看到反馈控制器增益调整中的基本矛盾：稳定程度与控制精度(在表中体现为最大偏差和余差) 的矛盾。Kc增加能使控制精度提高，但使稳定程度变差。Kc参数的整定，就是对这两项指标在作权衡。设被控变量最终稳态值是C，超出其最终稳态值的最大瞬态偏差为B。 设定值和扰动作用阶跃变化时过渡过程的典型曲线 主要的时域指标包括衰减比、超调量与最大动态偏差、余差、调节时间和振荡频率、上升时间和峰值时间等。 衰减比 衰减比表示振荡过程的衰减程度，是衡量过渡过程稳定程度的动态指标。它等于曲线中前后两个相邻波峰值之比，即：n = B / B 衰减比n1，过渡过程是衰减振荡，n越大，衰减越大，系统越接近非周期过程。为保持足够的稳定裕度，衰减比一般取 (4 ：1)(10 ：1)，这样，大约经过两个周期，系统趋于新的稳态值。对于少数不希望有振荡的过渡过程，需要采用非周期的形式。 超调量与最大动态偏差 在随动控制系统中，超调量是一个反映超调情况和衡量稳定程度的指标。则定义超调量为： = (B /C) *100 %对定值控制系统来说，最终稳态值是零或是很小的数值，仍用作为超调情况的指标就不合适了。通常改用最大动态偏差A作为一项指标，它指的是在单位阶跃扰动下，最大振幅B与最终稳态值C之和的绝对值： 余差 余差e ()是系统的最终稳态偏差，即过渡过程终了时新稳态值与给定值之差： e () = r c() = r c ；对于定值控制系统，r = 0，则有 ：e () = C。 ； 余差是反映控制精确度的一个稳态指标，相当于生产中允许的被控变量与给定值之间长期存在的偏差。2比例积分控制器比例积分控制器的算式为： ；积分作用：减小余差，降低了系统稳定性；为了维持原有的稳定性，控制器增益必须降低。积分时间的变化对过度过程的影响，有两种情况：其他参数不变，仅i变化；以系统稳定性保持不变为条件，在i变化时必须相应调整比例度；）c不变，i变化；）在相同衰减比下，i变化；在情况下，i越小，控制作用越强；它使最大偏差减小，工作频率增加，而稳定性也变差；在情况下（即为了恢复稳定性，而相应地将比例度提高的工况），i越小最大偏差越大，工作频率越低。由于前提条件不同，虽然都是减小i，但对最大偏差和工作频率的影响正好相反，这是必须注意的。这也说明在讨论实际问题时，必须重视问题的前提条件，具体问题作具体分析。比例积分微分控制器理想的控制作用是：对增加微分作用，讨论以下几点： 引入微分作用的目的，是改进高阶过程的品质。如若调整d使它等于广义对象中的第二大时间常数，则通过零极点相消，把这时间常数消去后，新的第二大时间常数一般会小得多，这将使Kmax，c均得到增加，系统质量得到改善。微分作用也要调整得适当，微分作用过强反而会降低系统的稳定裕度。微分环节的相角是超前的。但随着频率变化，存在一个极值。频率进一步增加，相角的超前作用几乎不再增加。另外从幅频特性图可见，微分环节的振幅比总是大于1 的，而且随频率增加而增加。大的振幅比对系统质量是不利的，会使系统稳定裕度降低。可见，微分作用存在着相矛盾的两种影响，导致对微分作用的调整必须掌握“分寸”。微分作用在高频下有较大的振幅比。对高频噪声起到了放大作用。小的噪声也会使控制阀作出很大动作，而这是不需要的。所以存在高频噪声的地方不用微分，除非先将信号进行滤波。积分饱和对一个常规的PI和PID控制器，只要被控变量与设定值之间有偏差，控制器的积分动作就要使它的输出不停地变化。如果由于阀门已关闭(或已全开)，泵出现故障等原因而失去控制作用，那么偏差不会被消除。然而控制器仍要试图校正这个偏差，如果给予足够时间，积分作用将达到某个限值并停留在该值，这种情况称为积分饱和。积分饱和现象经常发生在间歇过程的控制中，为避免积分饱和的影响，应采取措施防止由于积分作用而使信号超越“信号有效范围”，这就是所谓“防积分饱和”。） 控制规律的选取（）双位控制器 双位控制器实质上即是具有很大增益的比例控制器。随着偏差信号改变符号，使控制阀全开或者全关。因它会产生冲击性的流量影响工艺工程，还易损坏控制阀，所以不常使用，它只能用在控制质量要求不高，所产生的冲击流量对工艺影响不大的场合。下图表示了在某个换热器温度控制中的参数曲线。从控制理论来讲是不稳定的发散过程，由于控制阀的阀位约束使其保持了“极限循环” 。 (2) 比例控制器 比例控制器的优点，一是简单二是调整方便。它的缺点是会产生余差。其余差大小随开环增益的增加而减小。所以它适用于低阶过程，如能以一个大的时间常数为代表的过程。因为这种过程稳定裕度大，允许有很大的开环增益。另外一类具有积分环节的对象，即使使用比例控制器也不会产生余差，而若采用PI控制器会使系统稳定性严重恶化，所以特别适用比例控制器。 比例控制器多用于就地控制及允许有余差存在的场合。如大多数液位控制系统不必要严格控制，只要储罐不出现满溢或抽干，比例控制器是特别适用的。(3)比例积分控制器 在反馈控制器中，约有75是采用P1作用的。积分会消除余差，所以当比例控制产生的余差超过要求值时，可使用PI控制器。对一般液位或压力控制系统，对参数要求不严，它追求的是对平均值的控制，所以可用比例控制。而且这种系统若用PI作用，会使系统成为“有条件稳定”的系统，参数整定比较麻烦，所以很少采用PI控制形式。 流量或快速压力系统，几乎总是采用PI控制。这些系统的广义对象时间常数比较接近，稳定裕度小，因而所用比例度大，开环静态增益小，不用积分会产生很大余差。另外由于滞后小，运行周期短，积分时间可以取得很小。比例作用随偏差的产生会瞬时变化，而积分作用总是有些滞后，所以有了积分作用并相应地将比例作用调弱，还有利于减少高频噪声的影响。(4)比例积分微分控制器 PI作用消除了余差，但降低了响应速度。对于多容过程，它的响应过程本身就很缓慢，附加PI控制器后，它变得更为缓慢。在这情况下附加微分作用，用它来补偿容量滞后，使系统稳定性改善，从而允许使用高的增益，并提高了响应速度。由于温度控制和成分控制属于缓慢和多容过程，所以常使用PID控制。在具有高频噪声的场合，不宜使用微分，除非先对噪声进行滤波。 3） 控制器参数整定控制器参数有很多整定方法。如可以利用积分准则(1SE、IAE或ITAE等)求取最佳参数。但这种方法必须知道对象模型，而且比较费时。下面介绍比较实用的工程整定方法： (1) 经验法 若将控制系统按液位、流量、温度和压力等参数来分类，属于同一类别的系统，其对象特性往往比较相近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。经验法即是按被控变量的性质提出控制器参数的合适范围。 流量系统 它是典型的快过程，且往往具有噪声。对这种过程，宜用PI，且比例度要大，积分时间可小。 液位系统 对只需要实现平均液位控制的地方，宜用纯比例，比例度也要大。压力系统 压力系统的运行有的很快，有的很慢。如某系统直接控制离开塔顶的气体量，过程非常迅速。它的性质接近流量系统。所以可仿照典型流量系统来选择控制器型式和参数。某系统通过控制换热器的冷剂量来影响压力，热交换的动态滞后和流量滞后都会包含到压力系统中。因而，这是一个由多容对象组成的慢过程。它的参数整定参照典型的温度系统。 温度系统 对于间接加热的温度系统，因为它具有测量变送滞后和热传递滞后，月 以显得很缓慢。比例度设置范围约2060，具体还取决于温度变送范围和控制阀的尺寸 一般积分时间较大。微分时间约是积分时间的四分之一。应该说这种经验法是很有用的，工业生产上大多数系统只要这种经验法即可满足要求。假若还需更精确的调整，它起码提供了合适的初值。需注意的是这里的按被控变量类型选择控制器参数的做法，都是对具有与典型过程相近的特性而言的。而生产上有时却并非如此。如少数温度系统却具有流量系统的快速特性，这时控制器的选型和参数整定就应参照典型流量系统而不是典型温度系统。（2）临界比例度法临界比例度法早在1942年已提出。它便于使用，而且在大多数控制回路中能得到良好的控制品质。尽管还有一些另外的方法，但与它相比看不出明显的改进。所以它仍是常用的方法之一。而且人们往往用它来作为与其他整定方法的对比基准。这种整定方法是在闭环的情况下进行的，首先将控制器的积分作用和微分作用全部除去，按比例增益Kc由小到大的变化规律，对应于某一Kc值作小幅度的设定值阶跃扰动。以获得临界情况下的等幅振荡。此时，可获得临界振荡周期Pu和控制器临界比例增益Kcmax。然后可按下表所列的经验算式，求取控制器的最佳参数值。 控 制 规 律KcTiTdPPIPID0.5 Kcmax0.45 Kcmax0.6 Kcmax0.83 Pu0.5 Pu0.12 Pu该整定方法是以得到4：1衰减，并且有合适的超调量(或最大偏差)为目标的。 从上表可看到以下带有普遍意义的几条规律： 纯比例时，0.5的稳定裕度对应于4 1 的衰减比；比例积分控制器的Kc 值要比纯比例时小10 %，这是由于附加积分作用会使系统稳定性变差，为维持原有的稳定性，必须降低其值；由于微分的相位超前作用，能改善系统稳定性，所以Kc值可以提高。在表中PID工况时的Kc值是纯比例时的12倍。积分时间约是微分时间的4倍。 对临界比例度法再提示以下几点：该方法的优点是应用时简单方便，但此法有一定限制。从工艺上看，要求被控变量允许承受等幅振荡的波动，其次是对象应为高阶或具有纯滞后，否则在比例作用下将不会出现等幅振荡。例如对于一些时间常数较大的液位系统或压力系统，就较难获得临界振荡，因为系统在纯比例作用下会是很稳定的。在获取等幅振荡曲线时，应特别注意，不应该使控制阀出现开、关的极端状态。否则由此获得的等幅振荡实际上是“极限循环”，从线性系统概念上说该系统早已处于发散振荡了。从表中反映的情况，微分作用对系统的改进不能算是很大的(Kc值仅扩1.2倍)。对于具有几个时间常数的过程，微分所起作用要更大些，所以对这种情况， Kc值可取得比表格上大。而微分对纯滞后是不起作用的，所以对具有较大纯滞后的系统，Td和Kc值均应取得比表格上小些。 ( 3 )衰减振荡法 在一些不允许或不能得到等幅振荡的地方，可考虑采用修正方法衰减振荡法。两者的惟一差异，仅是后者以在纯比例下获取41振荡曲线为参数整定的依据。在衰减振荡下的周期P总是比Pu大。积分时间和微分时间的设置与P有关。对PID控制，T i = 04P，Td = 01P。在设置好T i, Td后，Kc的设置可经过试验来决定。试验的标准是获取4：1振荡。 (4)响应曲线法这是一种根据广义对象的时间特性来整定参数的方法，应用也很普遍。将控制器处于“手操”，操作“手操拨盘使控制器输出有个阶跃变化，记录下被控变量的响应曲线，在反应曲线拐点A处作一切线，根据切线与初始值及稳态值的交点，就获得一阶加纯滞后来表示的广义对象特性的Kp参数之值。 2）实验系统1、 液位控制系统 本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱的液位在稳态时等于给定值。由反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。参见本实验系统的结构图。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下无静差，系统的调节器应为PI或PID。2、 液位控制系统工艺流程图：Q i ：进水量（扰动量）LT ：液位测量传感器LC ：液位控制器h ：液位测量值hs ：液位目标值Q：出水量（可控变量）3 上水箱液位定值控制系统方框图： 四、实验内容实验内容与步骤：1按图要求，完成系统的接线。2接通总电源和相关仪表的电源。3打开泵前阀、泵后阀、进水阀和溢水阀，且把溢水阀控制在适当的开度。4选用单回路控制系统实验中所述的某种调节器参数的整定方法整定好调节器的相关参数。5设置好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，使电动调节阀给上水箱打水待