基于ADAM4000控制系统的A3000高级复杂实验培训

基于基于 ADAM4000 控制系统的控制系统的 A3000 高级复杂实验培训高级复杂实验培训 版本 1 0 用户文件编号 A3000DH033 北京华晟高科教学仪器有限公司编制 前前 言言 基于 ADAM4000 控制系统的 A3000 高级复杂实验培训 是根据 A3000 过程控制实验系统的相关内容编写的 包括了如下内容 1 计算机一般控制实验 2 复杂控制实验 3 高等控制实验 为了更容易理解算法本身 所以选择最简单的控制系统 ADAM4000 算法 在组态软件中实现 同时所有程序都可以在仿真系统上验证 参考公司产品 A3000SIMU 相关文件 除了复杂控制实验之外 其他实验的对象操作过程比较简单 所以不介绍 操作步骤 本培训书缺点和错误在所难免 敬请各位专家 院校师生和广大读者批评 指正 申明 本培训书内容只适合华晟高科 A3000 教学实验 范例和文档内容只 用于提供信息 对本书不承担任何保证 北京华晟高科教学仪器有限公司 二零零八年二月 目 录 第一章 计算机控制一般性实验 4 1 1 数字程序控制实验 4 1 2 数字滤波技术 标度变换 非线性校正实验 6 1 3 数字 PID 控制实验 8 1 4 BANG BANG 控制 11 1 5 校正网络数字滤波器实现 13 第二章 复杂控制实验 15 2 1 比值控制系统实验 15 2 2 串级控制实验 19 2 3 前馈 反馈控制系统实验 23 2 4 经典解耦控制系统实验 26 2 5 联锁控制和超驰调节实验 30 2 6 大延迟的 Smith 预估补偿控制 35 第三章 高等控制系统实验 41 3 1 自适应控制 41 3 2 专家系统 42 3 3 模糊控制 45 3 4 神经网络 50 3 5 推理控制 55 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 4 页 共 56 页 第一章第一章 计算机控制计算机控制一般性实验一般性实验 为了方便控制 所以计算机控制一般性实验和复杂控制将在 ADAM4000 上 实现 1 1 数字程序控制实验数字程序控制实验 1 1 1 工艺过程描述工艺过程描述 模拟一个纯净水处理过程 水在经过反渗透之前 两个水泵向精滤膜供水 由于水中杂质比较多 在一定时间后 精滤膜的透过流量变小 48 小时之后 精滤膜需要进行反冲洗 但是向反渗透供水的工作不能停止 一般采用如下数 字程序控制 我们模拟这个过程 但是时间大大缩短 时间2 4 分 144 秒1 2 分 72 秒1 2 分 72 秒 A 泵流量1 立方 小时 33 0 5 立方 小时 16 5 停止 进行反冲 洗 B 泵流量停止 进行反冲洗0 5 立方 小时1 立方 小时 控制流程图如图 1 1 1 所示 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 5 页 共 56 页 图 1 1 1 程序控制流量流程图 1 1 2 算法实现和关键操作步骤算法实现和关键操作步骤 采用 PID 控制 两个 PID 但是程序控制其给定值 界面如图所示 程序代码如下 1000 毫秒执行一次 中间变量 1 中间变量 1 1 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 6 页 共 56 页 if 中间变量 1 400 中间变量 1 0 输入 PID0 PV AI0 PID1 PV AI1 if PID0 SP 0 AO0 0 else AO0 PID0 MV if PID1 SP 0 AO1 0 else AO1 PID1 MV if 中间变量 1 0 PID1 SP 33 注意开启两个水泵 两个流量控制 一支路使用调节阀 一支路使用变频 器 1 1 3 实验结果及记录实验结果及记录 控制曲线如图 1 1 2 所示 多个值的控制曲线绘制在同一个图上 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 7 页 共 56 页 1 2 数字滤波技术 标度变换 非线性校正实验数字滤波技术 标度变换 非线性校正实验 1 2 1 工艺过程描述工艺过程描述 数字滤波技术 标度变换 非线性校正实验就是单容下水箱液位控制 流程图如图 1 2 1 所示 图 1 2 1 数字滤波技术和非线性校正实验 1 2 2 算法实现和关键操作步骤算法实现和关键操作步骤 由于液位具有波动 所以数据不是非常稳定 采用数字滤波技术采用 进行滤波 滤 波算法 PV 过滤 PV 旧值 0 9 PV 新值 0 1 由于 ADAM4000 内部已经有了滤波 所以 效果不如使用 PCI1711 好 标度变换 使用线性算法 把 4 20 毫安转换成 0 25 厘米 非线性校正则考虑到水箱的出口流量和液位高度的开方成正比 所以采取开方算法 把输入的过程值直接校正 随输出流量成为线性 工程量尺度变换 float a a AI0 4 0 25 0 16 0 数字滤波 中间变量 1 中间变量 1 数字滤波加权系数 a 1 数字滤波加权系数 同时对给定值和输入值校正 给定值 1 Sqrt 中间变量 2 测量值 1 Sqrt 中间变量 1 输出 AO0 操作值 1 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 8 页 共 56 页 1 2 3 实验结果及记录实验结果及记录 控制器控制曲线如图 1 2 2 所示 1 3 数字数字 PID 控制实验控制实验 1 3 1 题目工艺过程描述题目工艺过程描述 单容下水箱液位 PID 控制流程图如图 3 1 1 所示 I 图 3 1 1 单容下水箱液位调节阀 PID 单回路控制 测点清单如表 3 1 1 所示 表 3 1 1 单容下水箱液位调节阀 PID 单回路控制测点清单 序号位号或代号设备名称用途原始信号类型工程量 1FV 101 电动调节阀阀位控制2 10VDC AO 0 100 2LT 103 压力变送器下水箱液位4 20mADC AI2 5kPa 1 3 2 算法实现和关键操作步骤算法实现和关键操作步骤 实验界面如图所示 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 9 页 共 56 页 PID 运算可以采用标准的直接计算法和增量计算法 1 teteKdteKiteKptPout 上次的计算值 2 1 1 1 1 teteKdteKiteKptPout 两次相减 2 1 2 1 teteteKdteKiteteKptPout 输出时加上上次输出就可以了 从公式可见 直接计算法很可能导致积分饱和 所以需要抗饱和的操作 定义 ET0 ET1 ET2 要求变量可以负值和正值 例如定义到 100000 到 100000 PID KI PID KD 在画面中每 1 秒执行一次 数字 PID 控制 关联到 IO 数据 PID0 PV AI0 if PID I 0 避免除 0 PID I 0 01 数字 PID KI PID P 1 PID I 1 运算周期 数字 PID KD PID P PID D 1 数字 PID ET0 PID0 SP PID0 PV If 本站点 数字 PID 算法选择 1 1 采用增量计算 保留了上次 本站点 操作值 1 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 10 页 共 56 页 PID0 MV PID0 MV PID P 数字 PID ET0 数字 PID ET1 比例作用 If PID I 10000 积分作用 PID0 MV PID0 MV 数字 PID KI 数字 PID ET0 积分作用 PID0 MV PID0 MV 数字 PID KD 数字 PID ET0 2 数字 PID ET1 数字 PID ET2 微分作用 数字 PID ET2 数字 PID ET1 数字 PID ET1 数字 PID ET0 ELSE 采用直接计算 清除了 本站点 操作值 1 PID0 MV 0 PID0 MV PID0 MV PID P 数字 PID ET0 比例作用 IF PID I 100 抗积分饱和 本站点 数字 PID ISUM 100 PID0 MV PID0 MV 本站点 数字 PID ISUM PID0 MV PID0 MV 数字 PID KD 数字 PID ET0 数字 PID ET1 微分作用 IF PID0 MV 100 输出限制 PID0 MV 100 IF PID0 MV 0 输出限制 PID0 MV 0 关联到 IO 数据 AO0 PID0 MV 1 3 3 实验结果及记录实验结果及记录 控制器控制曲线如图 2 2 3 所示 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 11 页 共 56 页 1 4 BANG BANG 控制控制 该控制的复杂算法可以解决一些高等控制问题 但是我们将采用比较简单的算法 来 验证这类控制的意义 1 4 1 工艺过程描述工艺过程描述 如果要求单容下水箱液位 PID 控制的具有快速响应特性 并且在给定点位置还要准确 控制 那么如何控制呢 系统的工艺流程如图 1 4 1 所示 图 1 4 1 单容下水箱液位调节阀 BANG BANG 单回路控制 1 4 2 算法实现和关键操作步骤算法实现和关键操作步骤 BANG BANG 控制最早由厐特里亚金提出 属于开关控制的非线性控制 如果一个系统控制有以下要求 即控制要实时性好 系统要稳定 控制精度要求高 则可以采用非线性的 Bang Bang 控制和线性的 PID 控制结合 其控制效果比较好 如果采用线性的 PID 控制 虽然稳态精度容易满足 但是大偏差时就容易出现较大的 偏差 而且过度的时间比较长 如果采用非线性的 Bang Bang 控制 虽然能使过渡时间最 短 但是容易出现超调 而且在零点附近容易产生振荡造成系统不稳定 鉴于这种情况 设计了一种变结构的控制器是两者的优点有机的结合起来 从而使系统运行起来既快又稳 设计的变结构式的双模控制器如图 3 所示 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 12 页 共 56 页 图 3 变结构式的双模控制回路结构图 此结构控制就是使系统的结构可以在控制过程的各个瞬间 根据某些参数的状态以跃 变的方式有目的的变化 从而将不同的结构揉和在一起 取得比固定结构系统更加完善的 性能指标 据此 针对流浆箱的液位和总压控制 提出了一种将非线性的 Bang Bang 控制 与线性的控制结合的变结构双模控制方法 如图 2 所示 当设定值 SP 与检测值 PV 产生一个偏差 由识别机构通过不同的 偏差来选择不同的控制器 当偏差大于某个值的时候采用非线性 Bang Bang 控制 当偏差 小于某个值的时候系统自动切换到线性的 PID 控制 Bang Bang 控制器的设计 Bang Bang 控制也称为开关式控制 对于较大的偏差 例如 En a 控 制量变化 u 取 Um 或 Um 实行非线性开关控制模态 以提高系统的响应速度 其表达式如下 其中 a 为选择开关的切换值 对于液位控制如果直接使用 PID 就必须在快速性和稳定性之间进行抉择 但是如果实现了解了对象的特性 然后选择了合适的 bang bang 控制结合 PID 则可能有比较好的结果 我们这里的 bang bang 控制选择比较简单的控制算法 首先测量液位和控 制量在稳态情况的一个对应曲线 这在系统特性测量中已经获取 当然也可以 依据闸板的高度不同 重新测量 例如 SP 下 控制量该是 A 稳定 那么 如果 PVSP a MV A U 其他情况使用 PID 控制 最好在切换时增加跟随程序 保证切换时没有扰动 选择合适的 a A 以便获得最好的效果 实验的组态界面如图所示 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 13 页 共 56 页 1 4 3 实验结果及记录实验结果及记录 测量稳态液位对应的控制量如表所示 我们可以简化一下 在液位 30 60 之间使用直线表示 如果我们要控制液位 60 此时对应的控制量为 43 那么如果 PV60 a MV 43 U 其他情况使用 PID 控制 1 5 校正网络数字滤波器实现校正网络数字滤波器实现 1 5 1 工艺过程描述工艺过程描述 单容非线性上水箱液位 PID 控制流程图如图 1 5 1 所示 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 14 页 共 56 页 图 1 5 1 校正网络数字滤波实验流程 1 5 2 算法实现和关键操作步骤算法实现和关键操作步骤 这里的算法和自适应不同 而是把一个非线性的系统通过校正网络 使得它成为线性 特性 并且最好能够把液位高度继续校正为正比流量 把等截面积系统液位高度开方 液位控制 调节阀控制的是流量 那么液位变化率 如果输入流量为 Q 则高度变化 率具有如下特性 22 1 HRRHkQH 采用 H 对应到来进行滤波 在 H R 时的 PI 控制参数 获得 2 1 1 RHH 一定的控制效果 注意开启时 需要让水进入上水箱 在组态软件中的具体算法如下 工程量尺度变换 数字滤波 按照 S 积分 K sqrt 100h h h 不考虑开方 积分 h h 2 0 h h h 300 归一化 中间值 0 作为给定值 PID1 SP 中间值 0 仅仅用于显示 PID0 PV sqrt AI0 AI0 2 0 AI0 AI0 AI0 300 0 PID0 SP sqrt 中间值 0 中间值 0 2 0 中间值 0 中间值 0 中间值 0 300 0 非线性 截面积 等截面积特 性 校正网络滤波 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 15 页 共 56 页 输出 AO0 PID0 MV 控制界面如图所示 1 5 3 实验结果及记录实验结果及记录 使用普通 PID 进行实验 然后找到最好的控制参数 得到控制曲线 然后使用校正网络的方法进行控制 然后找到最好的控制参数 得到控制曲线 要求在各自最好的情况下 使用校正网络的方法可以得到更好的控制效果 第二章第二章 复杂控制复杂控制实验实验 2 1 比值控制系统实验比值控制系统实验 2 1 1 测试题目描述测试题目描述 流量比值控制系统控制流程图如图 2 1 1 所示 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 16 页 共 56 页 II 图 2 1 1 流量比值控制流程图 流量比值控制测点清单如表 2 1 1 所示 表 2 1 1 流量比值控制控制测点清单 序号 位号或代 号 设备名称用途原始信号类型工程量 1FT 101 1 流量计测量管路 1 流量4 20mADC AI0 3m3 h 2FT 102 2 流量计测量管路 2 流量4 20mADC AI0 3m3 h 3U 101 变频器频率控制 手动控 制 1 流量 2 10VDC AO 0 100 4FV 101 调节阀控制跟踪的流量2 10VDC AO 0 100 水介质一路 简称为 I 路 由泵 P101 变频器驱动 手动控制作为给定值 从水箱 V104 中加压获得压头 经电磁阀 XV 101 进入 V103 水流量可通过变 频器或者手阀 QV 106 来调节 另一路 简称为 II 路 由泵 P102 从水箱 V104 加压获得压头 经由调节阀 FV 101 水箱 V103 手阀 QV 116 回流至水箱 V104 形成水循环 通过调节阀 FV 101 调节此路的水流量 其中 I 路水流量 通过涡轮流量计 FT 101 测得 II 路水流量通过电磁流量计 FT 102 测得 2 1 2 控制算法和编程控制算法和编程 这是一个单闭环流量比值控制系统 或者说是随动系统 可以让一个流量 梗跟随另一个流量的变化 有两个算法 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 17 页 共 56 页 1 流量计 FT 101 流量与流量计 FT 102 成比例控制 如 2 1 2 所示 把 FT101 乘以比值系数 然后作为调节器的给定值 被调量为调节阀开度 控制目标是水流量 通过两个流量不同比例下的比 较 然后输出控制值到调节阀 实行 PID 控制 看控制效果 进行比较 这样方式下 由于 FT101 的测量不是非常稳定 所以调节器的给定值是有 些变动的 控制稳定性可能不是很好 另外在实时曲线上可以直接看到稳定的 曲线 2 流量计 FT 101 流量与流量计 FT 102 成比例控制 如 2 1 3 所示 把 FT101 FT102 然后作为调节器的测量值 而比值 K 作为调节器给定值 FT 102 2 调节阀 FV101FT 101 比值器 调节器 Q2 Q1 1 图 2 1 2 比值控制系统原理图 SP PV MV FT 102 2 调节阀 FV101FT 101 比值 K 调节器 Q2 Q1 1 图 2 1 3 比值控制系统原理图 SP PV MV 除法器 被除数 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 18 页 共 56 页 这样方式下 调节器的给定值是稳定的 控制稳定性较好 但是在实时曲线上可以显 示 K 值 最好的范围是 0 1 10 我们设置 k 的范围就是 0 10 而曲线上刻度是 0 100 所 以有些差异 2 1 3 操作过程和调试操作过程和调试 1 编写控制器算法程序 下装调试 编写测试组态工程 连接控制器 进 行联合调试 这些步骤不详细介绍 2 在现场系统上 打开手阀 QV 102 QV 105 QV115 QV106 电磁阀 XV101 直接打开 面板上 DOCOM 接 24V XV101 接 GND 或打开 QV111 3 在控制系统上 将支路 1 流量变送器 FT 101 输出连接到控制器 AI1 将支路 2 流量变送器 FT 102 输出连接到控制器 AI0 变频器控制端连 接到 AO0 调节阀 FV 101 控制端连接到 AO1 且变频器手动控制 注意 具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程 对于 全连好线的系统 例如 DCS 则必须按照已经接线的通道来编程 4 打开设备电源 包括调节阀电源 变频器电源 变频器设为外部信号操 作模式 5 连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆 启动控制系统 6 启动计算机 启动组态软件 进入测试项目界面 启动调节器 设置各 项参数 将调节器切换到自动控制 7 启动水泵 P102 8 设置 PID 控制器参数 可以使用各种经验法来整定参数 这里不限制 使用的方法 具体可以参考 2 4 节 建议 因为 PID 的 SP 值会有一定的波动 所以控制的稳定性稍差 有一 些难度 注意控制目标是比值的稳定 而给定值也是比值 干扰可以是 K 值的 改变 也可以是变频器控制量的改变 从而改变了 FT 101 2 1 4 实验结果及记录实验结果及记录 流量比值控制曲线如图 1 1 4 所示 比值系数 3 P 24 I 2 5 秒 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 19 页 共 56 页 图 1 1 4 流量比值控制曲线 2 2 串级控制实验串级控制实验 2 2 1 测试题目描述测试题目描述 液位和进口流量串级控制流程图如图 2 2 1 所示 两个支路并管 手动给值 II 图 2 2 1 液位和进口流量串级控制流程图 液位和进口流量串级控制测点清单如表 2 2 1 所示 表 2 2 1 液位和进口流量串级控制测点清单 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 20 页 共 56 页 序号 位号或代 号 设备名称用途原始信号类型工程量 1FT 101 1 流量计测量管路 1 流量4 20mADC AI0 3m3 h 2LT 103 V103 液位变 送器 测量液位4 20mADC AI0 2 5kPa 3FV 101 调节阀控制流量2 10VDC AO 0 100 4U101 变频器固定给值 0 10VDCA00 100 水介质一路 I 路 由泵 P101 变频 从水箱 V104 中加压获得压头 经 流量计 FT 101 电动阀 FV 101 水箱 V 103 手阀 QV 116 回流至水箱 V104 而形成水循环 负荷的大小通过手阀 QV 116 来调节 其中 水箱 V103 的液位 由液位变送器 LT 103 测得 给水流量由流量计 FT 101 测得 本例为串级调节 系统 调节阀 FV 101 为操纵变量 以 FT 101 为被控变量的流量控制系统作为 副调节回路 其设定值来自主调节回路 以 LT 103 为被控变量的液位控制系 统 以 FT 101 为被控变量的流量控制系统作为副调节回路 流量变动的时间 常数小 时延小 控制通道短 从而可加快提高响应速度 缩短过渡过程时间 符合副回路选择的超前 快速 反应灵敏等要求 下水箱 V103 为主对象 流量 FT 101 的改变需要经过一定时间才能反应到 液位 时间常数比较大 时延大 由上分析知 副调节器选纯比例控制 反作用 自动 主调节器选用比例 控制或比例积分控制 反作用 自动 实际上 串级控制相对于单 PID 控制而言 稳定性差 好处是在同样的副 回路干扰下 超调非常小 为了比较串级的这样好处 我们设计了如图 2 2 1 所示的工艺流程 首先进 行单 PID 实验 然变频器输出 35Hz 然后找到最好的控制参数 一般 P 1 I 20000 毫秒 等系统稳定后 改变 变频器输出为 50Hz 然后不断记录系统的超调量和稳定时间 之后开始串级实验 同样设定变频器输出 35Hz 系统稳定后 改变变频器 输出为 50Hz 然后不断记录系统的超调量和稳定时间 如果控制好 可以发现 在同样的变频器干扰下 串级超调量远远少于单 PID 的超调量 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 21 页 共 56 页 2 2 2 控制算法和编程控制算法和编程 串级控制系统方框图如图 2 2 2 所示 以串级控制系统来控制下水箱液位 以第一支路流量为副对象 右边水泵 直接向下水箱注水 流量变动的时间常数小 时延小 控制通道短 从而可加 快提高响应速度 缩短过渡过程时间 符合副回路选择的超前 快速 反应灵 敏等要求 下水箱为主对象 流量的改变需要经过一定时间才能反应到液位 时间常 数比较大 时延大 将主调节器的输出送到副调节器的给定 而副调节器的输 出控制执行器 由上分析副调节器选纯比例控制 反作用 要想流量大 则调 节阀开度加大 自动 主调节器选用比例控制或比例积分控制 反作用 要 想液位高 则调节阀开度加大 自动 流量干扰通过变频器频率的变动来实现 变频器频率从 40 50Hz 变动 工业上串级的投入是逐步的 最好可以做到无扰切换 具体实现投入无扰 的方法可以参考网络资料 这里不考虑这么复杂 2 2 3 操作过程和调试操作过程和调试 1 首先完成单 PID 调节阀流量控制 获得变频器 35Hz 变动到 50Hz 的超 调量和稳定时间 X 主调节 器 LIC101 副调节器 LIC102 下水箱液位 LT103 LT103 主回路干扰 给定值 图 2 2 2 液位流量串级控制系统框图 X 调节阀 FV101 流量计 FT101 流量 FT102 下水箱 液位 副回路干扰 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 22 页 共 56 页 2 在现场系统上 打开手动调节阀 QV 103 QV 115 QV 105 调节 QV 116 具有一定开度 闸板高度 6 毫米左右 其余阀门关闭 3 在控制系统上 将流量计 FT 101 连到控制器 AI1 输入端 下水箱液 位 LT 103 连到控制器 AI0 输入端 电动调节阀 FV 101 连到控制器 AO0 端 把变频器设置为面板操作 4 打开设备电源 包括变频器电源 5 连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆 启动控制系统 6 启动计算机 启动组态软件 进入测试项目界面 启动调节器 设置各 项参数 将调节器切换到自动控制 7 启动变频器到 40 50Hz 系统开始运行 8 首先将主调节器置手动状态 调整其输出为某个输出值 将它作为副调 节器的 SP 值 9 在上述状态下 整定副调节器的 P 参数 要求可以稳定 而且比较快 10 预置主调节器的 P I 参数 不要设置的太大 再将主调节器切换到 自动状态 11 依据记录曲线 调整主调节器的 P I 参数 副调节器的 P 参数 一般 是副调节器较大 主调节器较小 副调节器 一般纯比例 P 控制 反作用 自动 KC2 副回路的开环增益 较大 主调节器 比例积分 PI 控制 反作用 自动 KC1 KC2 KC1 主回路开 环增益 12 待系统稳定后 类同于单回路控制系统那样 对系统加扰动信号 扰 动的大小与单回路时相同 就是把变频器从 40 变动到 50Hz 13 通过反复对副调节器和主调节器参数的调节 使系统具有较满意的动 态响应和较高的静态精度 14 使用单回路进行液位控制 流程和串级一样 增加流量干扰 就是把 变频器从 40 变动到 50Hz 控制曲线进行对比 看效果如何 2 2 4 实验结果及记录实验结果及记录 如果串级超调量远远少于单 PID 的超调量 则效果效果比较好了 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 23 页 共 56 页 思考一下 如果干扰在主回路又如何 例如在单 PID 的情况下 把闸板从开 口 11 毫米突然变化到 5 毫米 看系统的超调量如何 在串级下进行同样的操作 看系统的超调量如何 分析理论上这个超调量是否不同 2 3 前馈前馈 反馈控制系统实验反馈控制系统实验 2 3 1 工艺过程描述工艺过程描述 前馈控制又称扰动补偿 它与反馈调节原理完全不同 是按照引起被调参 数变化的干扰大小进行调节的 在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变 化 当干扰刚刚出现而能测出时 调节器就能发出调节信号使调节量作相应的 变化 使两者抵消 因此 前馈调节对干扰的克服比反馈调节快 但是前馈控 制是开环控制 其控制效果需要通过反馈加以检验 前馈控制器在测出扰动之 后 按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值 前馈 反馈控制的工艺和串级完全一样 这是一个让人迷惑的地方 实际的 好处可能就是体现在比例调节器 串级的副回路 和比值加法器 前馈 的控 制速度上 那么我们可以通过同样的工艺设计 验证单 PID 串级控制 前馈 反馈控 制的超调 以及控制时间 稳定时间 这样来比较它们的优缺点 流量 液位前馈反馈控制流程图如图 2 3 1 所示 两个支路并管 手动给值 II 图 2 3 1 流量 液位前馈反馈控制流程图 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 24 页 共 56 页 但是 要想获得加法器的加权系统 首先需要测量一个特性曲线 看多大 的 K 值 使得系统干扰在正常的工作范围内 起到补偿的作用 所以前馈控制 需要事先知道系统的某些特性的 这个曲线可以通过测量调节阀控制量和流量 的关系曲线而获得 2 3 2 控制算法和编程控制算法和编程 如果支路一出现扰动 经过流量计测量之后 测量得到干扰的大小 然后 在通过调整调节阀开度 直接进行补偿 而不需要经过调节器 如果没有反馈 就是开环控制 那么这个控制就会有余差 增加反馈通道 使用 PI 进行控制 我们进行了部分简化 前馈控制和副回路的 P 控制不同 最好能够在控制前获得一个平衡干扰的 公式 例如如果知道流量在 X 下变动 10 对应的调节阀开度变动 Y 那么就可 以直接补偿 被调量为调节阀 控制量是支路 1 流量 控制目标是下水箱液位 然后实现反馈控制 通过测量水箱液位 控制调节阀 从而把前馈控制不 能修正的误差进行修正 2 3 3 操作过程和调试操作过程和调试 1 首先进行单 PID 调节阀流量控制 然后进行串级控制 记录超调量 控制时间和稳定时间 2 在现场系统上 打开手动调节阀 QV 103 QV 115 QV 105 调节 QV 116 具有一定开度 闸板高度 6 毫米左右 其余阀门关闭 3 在控制系统上 将流量计 FT 101 连到控制器 AI1 输入端 下水箱液 位 LT 103 连到控制器 AI0 输入端 电动调节阀 FV 101 连到控制器 AO0 端 把变频器设置为面板操作 4 打开设备电源 包括变频器电源 5 连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆 启动控制系统 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 25 页 共 56 页 6 启动计算机 启动组态软件 进入测试项目界面 启动调节器 设置各 项参数 将调节器切换到自动控制 7 启动变频器到 35 50Hz 系统开始运行 在频率 45 Hz 下 给定值 50 记录最后稳定的流量值 写到组态界面中 8 如果没有测量得到 K 值 则从 3 开始设置 逐步减少 设置调节器到 普通 PID 控制时的最佳值 9 依据记录曲线 调整调节器的 P I 参数 K 参数 10 待系统稳定后 类同于单回路控制和串级控制系统那样 对系统加扰 动信号 扰动的大小与单回路和串级时相同 就是把变频器从 40 变动到 50Hz 11 通过反复对调节器和 K 参数的调节 使系统具有较满意的动态响应和 较高的静态精度 12 使用单回路和串级进行液位控制 流程和串级一样 增加流量干扰 就是把变频器从 40 变动到 50Hz 控制曲线进行对比 看效果如何 2 3 4 实验结果及记录实验结果及记录 如果前馈反馈的超调量远远少于单 PID 的超调量 而且控制时间比串级快 那么就符合理论分析了 液位 流量前馈反馈测试曲线如图 1 1 6 所示 K 3 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 26 页 共 56 页 图 1 1 6 液位 流量前馈反馈测试曲线 2 4 经典解耦控制系统实验经典解耦控制系统实验 2 4 1 工艺过程描述工艺过程描述 管道压力和流量解耦控制流程图如图 2 4 1 所示 两个支路并管 解耦器 I Pt100 I Pt100 图 2 4 1 管道压力和流量解耦控制流程图 管道压力和流量解耦控制测点清单如表 2 4 1 所示 表 2 4 1 管道压力和流量解耦控制测点清单 序号 位号或代 号 设备名称用途原始信号类型工程量 1FT 102 涡轮流量计给水流量 II4 20mADC AI0 3m3 h 2PT 101 压力变送器给水压力4 20mADC AI150kPa 3FV 101 电动调节阀阀位控制2 10VDC AO 0 100 4U 101 变频器频率控制2 10VDC AO 0 100 水介质由泵 P101 变频器 U 101 驱动 从水箱 V104 中加压获得压头 经 手阀 QV 103 用于两个支路连接 流量计 FT 101 压力传感器 PT101 电 动阀 FV 101 水箱 V103 手阀 QV 116 回流至水箱 V104 而形成水循环 水箱 只作为一个连通器 其中 给水压力由压力变送器 PT 101 测得 给水流量由 FT 101 测得 本例为解耦调节系统 调节阀 FV 101 为被控变量压力 PT 101 的 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 27 页 共 56 页 操纵变量 变频器 U 101 为被控变量流量 FT 101 的操纵变量 两条支路各自的 调节器的运算输出通过解耦器的函数解耦运算 分别去控制各自调节回路的操 纵变量 管道中流量 压力控制系统就是相互耦合的系统 变频器和调节阀都对系 统的压力和流量造成影响 因此 当压力偏大而开大调节阀时 流量也将增加 如果此时通过流量控制器作用而调小变频器 结果又使管路的压力下降 变频 器和调节阀互相影响 这是一个典型的关联系统 关联的系数与温度等参数无 关 由于系统变频器调节 I 支路流量 调节阀调节 II 支路流量 为了实现解耦 实验 需要并联两个支路 并管之后还可以选择使用 II 支路的电磁流量计来进 行流量测量 2 4 2 控制算法和编程控制算法和编程 管道中流量 压力控制系统就是相互耦合的系统 变频器和调节阀都对系 统的压力和流量造成影响 因此 当压力偏大而开大调节阀时 流量也将增加 此时通过流量控制器作用而调小变频器 结果又使管路的压力下降 变频器和 调节阀互间互相影响 这是一个典型的关联系统 关联的系数与温度等参数无 关 如图 2 4 2 所示 PT 101 调节阀 FT 102 图 2 4 2 管道压力与流量解耦控制实验 P2 解耦器 PIC FIC 调节器 调节器 P1h 变频器 水泵 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 28 页 共 56 页 我们固定 P1 在小范围内 由于不涉及温度等问题 所以该过程基本上只与 压力和开度有关 是时不变的 如果把 P1 定义成未知数 则可以列出一个方程 使用对角矩阵法进行解耦 算法 如图 2 4 3 所示 Gc1 Gc2 Uc1 Uc2 Y1 Y2 D11 D22 D12 D21 G11 G22 G12 G21 U1 U2 r1给定值 r2给定值 图 2 4 3 解耦控制系统框图 调节器解耦器 对象系统 在本测试题中 Gc1 为流量 变频器的调节器 反作用 Gc2 为压力 调节阀 的调节器 正作用 对于对象 被调量与调节量具有关系 这里换一个变量符号 yP 公式 1 2 1 2 1 2221 1211 2 1 U U GG GG Y Y 加入控制系统 那么调节量来源于解耦器 调节器 可以是一个 PID 调节 器 等等 输出就是解耦器输入 公式 1 2 2 2 1 2221 1211 2 1 C C U U DD DD U U 对于采用了解耦器的系统传递函数为 公式 1 2 3 2 1 2221 1211 2221 1211 2 1 C C U U DD DD GG GG Y Y 综合上面的关系 如果 G 矩阵的逆存在 则我们可以设计 D 就等于它的逆 乘以一个对角阵 可以是单位矩阵 这样可以使得一个被调节量仅与一个调节 器输出量之间有关系 而与另一个独立 从而达到解耦目的 根据我们实验测得 P0 80 P2 5 P1 设为未知数 x 实际数值 P0 150kPa 80 水柱 P2 150kPa 5 水柱 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 29 页 共 56 页 那么增益矩阵为 公式 1 2 2 x 75 80 5 75 x 5 75 x x 75 80 解耦矩阵 公式 1 2 5 2x x 85 80 2x x 85 5 2x x 85 5 2x x 85 80 注意压力与流量有一个限制关系 简单的 在变频器为 35Hz 调节阀开度 50 时 这个压力和流量将作为系统稳定时的给定值 然后在这个值附近变动 不能变化太大 否则无法稳定 如果量程范围不一样 或者水泵特性改了 则整个矩阵不同 为了统一 设置如下 解耦矩阵 公式 1 2 5 2x x 85 80 2x x 85 5 2x x 85 5 2x x 85 80 2 4 3 操作过程和调试操作过程和调试 1 编写单回路控制程序 下装调试 编写单回路测试组态工程 2 编写控制器算法程序 下装调试 编写测试组态工程 连接控制器 进 行联合调试 这些步骤不详细介绍 3 在现场系统上 打开手动调节阀 QV 115 QV 103 QV 105 打开 QV 116 闸板 其余阀门关闭 注意一定关闭阀门 QV 102 QV 114 QV 111 XV102 4 按照连接表接线 将水泵出口压力 PT 101 连接到 AI0 流量计 FT 101 输出到 AI1 AO0 连接到变频器 AO1 连接到电动调节阀 5 打开测试系统电源 调节阀通电 变频器通电 6 可以让调节阀全开 事先进行简单 Pi 控制 做流量计 变频器调节回路 单独工作 确定 PI 控制参数 7 可以让变频器全开 事先进行简单 Pi 控制 压力变送器 调节阀调节回 路单独工作 确定 PI 控制参数 8 引入解耦控制 重新下装程序 重新运行组态软件 一般对调节器直接 使用单 PID 的控制参数 可以适当把比例系数减少 加大积分时间 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 30 页 共 56 页 9 在两个调节器手动的情况下 设置变频器 35Hz 调节阀开度 50 然 后等待系统稳定 记录稳定后的压力和流量 10 把记录下来的压力和流量作为系统的给定值写入 然后把调节器从手 动改为自动 等待系统稳定 11 稍微调节给定值 例如压力增大一些 注意一定在一个合理的变动范 围 否则系统是无法稳定的 2 4 4 实验结果及记录实验结果及记录 如果系统在新的给定值下最终达到稳定 那么系统就是稳定的 当然我们 发现除非压力很高 或者压力很小 否则整个系统很容易稳定的 范例控制曲线如图 1 2 5 所示 流量给定值 15 0 45 立方 小时 压力 86 5 130KPa 图 1 2 5 解耦控制曲线 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 31 页 共 56 页 2 5 联锁控制和超驰调节实验联锁控制和超驰调节实验 2 5 1 工艺过程描述工艺过程描述 水介质一路 I 路 由泵 P101 变频 从水箱 V104 中加压获得压头 经由散热器 X 102II 进入锅筒 E101 通过手阀 QV 114 至泵 P101 变频 而形成热水循环 另一路 II 路 由泵 P102 工频 从水箱 V104 加压获得压头 经由散热器 X 102II 手阀 QV 113 回 流至水箱 V104 而形成冷水循环 I 路循环水量可由手阀 QV 114 来调整 II 路水的开启 切断可由电磁阀 XV 102 来控制 锅炉液位的极限状态可由液位开关 LSH 106 LSL 105 来产生 锅炉温度由热电阻 TE 101 来测得 并经控制器判断发出锅筒 E101 温度高 高高 等状态信号 这四个信号作为联锁控制的数字量信号 保证锅筒在故障状态下 不超过其 能承受的极限 逻辑联锁的紧急保护和紧急停车工艺流程图如图 2 5 1 所示 R S AND HL 报警 电源通断 LSKM 接触器 调压模块 TH 101 NC NC 位号 进水通断 电磁阀 XV 101 NC NC LSL 105 用途 设备名称 触点类型 用途 位号 出 输 能 功 辑逻 入 输 联锁控制测点清单如表 2 5 1 所示 图 2 5 1 联锁控制系统流程图 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 32 页 共 56 页 表 2 5 1 联锁控制测点清单 序号 位号或代 号 设备名称用途信号类型工程量 1TE 101 热电阻锅筒水温 Pt100AI 0 100 2LSL 105 液位开关锅筒液位极低联锁干接点 DINC 3LSH 106 液位开关锅筒液位极高联锁干接点 DINC 4XV 102 电磁阀给水紧急冷却干接点 DONC 5GZ101 加热调压器4 20 毫安 AO 6U101 变频器4 20 毫安 AO 现场系统的锅炉系统具有三级逻辑保护 继电器保护 紧急保护 紧急停 车 1 其中液位开关 LSL 105 是防止干烧的 实际控制电路是继电器硬件 电路 当液位低于防止干烧的最低液位 则自动断开其它控制支路的输入 从 而直接关断调压器 以防止干烧 液位开关 LSL 105 控制的联锁属于硬件连锁 是不能让学生修改的 以避免损坏加热器 2 由锅炉温度传感器 温度控制器 电磁阀 XV102 组成的控制联锁系 统是学生可以自己修改的 测试目标是控制锅炉的温度 2 由液位开关 LSH 106 锅炉温度传感器 温度控制器组成的紧急停车 系统是学生可以自己修改的 测试目标是控制锅炉的温度 2 5 2 控制算法和编程控制算法和编程 典型应用的范例如图 2 2 2 所示 图 2 2 2 温度曲线 电磁阀开关控制 联锁 警戒温度 PID 控制 紧急停车 温度 液位 继电器 保护 程序无 法控制 紧急停 车 高限低限 高限温度 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 33 页 共 56 页 1 液位低限导致加热系统完全停止 2 当锅炉内水温低于警戒温度 调压器 PID 调节 3 温度超过警戒温度 则选择另外一个控制方式 加热器继续 PID 控制 开始注入冷水 直到温度下降到安全位置 在这个温度下 联锁保护系统认为通过强制手段 可以保持继续生产 4 锅炉内水温继续升高 到达高限温度 则系统停止运行 关闭电磁 阀 关闭加热器 变频器继续运行 保持水循环 1 分钟 然后停止 5 如果液位超过高限 则也紧急停车 关闭电磁阀 关闭加热器 变 频器继续运行 保持水循环 1 分钟 然后停止 程序代码如下 每 1000 毫秒运行一次 if 高限 PID0 SP 1 高限 PID0 SP 1 if 停车温度高限 0 5 注水 if AI0 高限 0 5 BITSET DO0 1 0 停止注水 泵停车标记位 1 泵 1 分钟停止 IF 泵停车标记位 1 开始对水泵运行定时器 泵停车标记位 0 恢复水泵运行 1 分钟标记 避免重复 if 紧急停车计时器 0 如果超过 1 变频器运行 AO1 60 紧急停车计时器 紧急停车计时器 1 不断减 1 IF 紧急停车计时器 0 达到 1 则停止水泵 AO1 0 IF 紧急停车计时器 1 开始时 0 变频器运行 保证水循环 这 个只在系统刚进入有效 AO1 60 A3000DS004 A3000 控制系统接线设计 北京华晟高科教学仪器有限公司 编制 第 35 页 共 56 页 2 5 3 操作过程和调试操作过程和调试 1 编写单回路控制程序 下装调试 编写单回路测试组态工程 2 编写控制器算法程序 下装调试 编写测试组态工程 连接控制器 进 行联合调试 这些步骤不详细介绍 3 在现场系统上 打开手动调节阀 QV 115 QV 111 QV 112 打开 QV 102 XV102 其余阀门关闭 4 按照连接表接线 将锅炉温度 LT 101 连接到 AI0 AO0 连接到加热调 压器 AO1 连接电动调节阀手动模式控制 变频器面板操作 DO0