单容下水箱液位调节阀PID单回路控制、液位和进口流量串级控制、流量-液位前馈反馈控制

1、过程控制系统课设学 院：班 级：学 号：姓 名：指导老师：日 期：目录第一章 系统产品的介绍 1.1 物理系统逻辑结构 1.2 现场系统 1.2.1 现场系统示意图 1.2.2 现场系统工艺流程图 1.2.3 控制箱面板 1.2.4 部分I/O面板 1.2.5 控制系统I/O接口图第二章 系统的基本部分 2.1 过程控制系统的组成 2.2 过程检测 2.2.1 液位测量 2.2.2 流量检测 2.3 过程执行器 2.4 被控过程 2.4.1 过程建模 2.4.2 P、I、D对控制品质的影响 2.5 控制策略 2.5.1 单回路PID控制 2.5.2 串级控制 2.5.3 前馈反馈复合控制 2.

2、6 PID控制参数 2.6.1 衰减振荡法 2.6.2 经验法 2.6.3 响应曲线法第三章 单容下水箱液位调节阀PID 单回路控制 3.1 工艺过程 3.2 上位组态 3.3 操作过程和调试 3.4 测试结果及分析第四章 液位和进口流量串级控制 4.1 工艺过程 4.2 上位组态 4.3 操作过程和调试 4.4 测试结果及分析第五章 流量-液位前馈反馈控制 5.1 工艺过程 5.2 上位组态 5.3 操作过程和调试 5.4 测试结果及分析第六章 总结第一章 系统产品的介绍 1.1 物理系统逻辑结构，如图1.1所示 图1.11.2 现场系统 物理受控系统包括了测试对象单元、供电系统、传感器、执

3、行器（包括变频器及移相调压器），从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。1.2.1 现场系统示意图，如图1.2所示 图1.21.2.2 现场系统工艺流程图，如图1.3所示 图1.3 1.2.3 控制箱面板，如图1.4所示。 1、三相剩余电流保护器。合上该空气开关，才能加热。 2、单相剩余电流保护器。合上该空气开关，所有设备才能上电。 3、三相电供电时亮起。 4、单相电供电时亮起。 5、对象顶部照明电灯旋钮开关。 6、水泵1#的变频器供电旋钮开关，打开变频器电源。 7、水泵2#供电旋钮开关，打开水泵电源。 8、变频器正转启动旋钮开关。 9、电压表，调压模块输出端电压。 10

4、、变频器。 图1.41.2.4 部分I/O面板 图1.5 图1.61.2.5 控制系统I/O接口图，如图1.7所示 图1.7第二章 系统的基本部分2.1 过程控制系统的组成过程控制系统是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。过程控制系统一般由控制器、执行器、被控过程和测量变送等环节组成，其一般性框图如图2.1所示。 被控过程执行器控制器 测量变送 图2.12.2 过程检测 2.2.1 液位测量 物位是指存放在容器或工业设备中物质的高度或位置，如液体介质液位的高度称为液位。物位测量仪表种类很多，本系统

5、中采用扩散硅压力/液位变送器。 2.2.2 流量检测 流量通常是指单位时间内流经管道某截面流体的数量，也就是所谓的瞬间流量；在某一时间内流过流体的总和，称为总量或累积流量。本系统中采用涡轮流量计，是一种速度式流量仪。2.3 过程执行器执行器接受控制器输出的控制信号，并转换成位移（直线位移或角位移）或速度，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的控制。本系统中使用的是调节阀，其特性为：单座阀，螺纹连接，线性流量。2.4 被控过程 2.4.1 过程建模1）机理建模根据对象或生产过程的内部机理，写出各种有关的平衡方程，从而得到对象或过程的数学模型。2）试验建模在机理模型难以建立的情

6、况下，针对所要研究的对象，人为地施加一个输入作用，然后用仪表记录表征对象特性的物理量随时间变化的规律，得到一系列试验数据或曲线。3）混合建模结合机理建模和试验建模。先由机理分析的方法提出数学模式的结构形式，然后对其中某些未知的或不确定的参数利用试验的方法给予确定。 2.4.2 P、I、D对控制品质的影响 1）P作用能快速抵消干扰的影响。通常，加大增益Kc 响应曲线振荡加强，减小Kc 响应曲线振荡减弱。 2）I作用是消除系统的余差。减小积分时间，积分作用增强；加大积分时间，积分作用减弱。 3）D作用能快速响应干扰，超前控制。微分时间越大，微分作用越强。2.5 控制策略 2.5.1 单回路控制单回

7、路控制系统是由被控对象、控制器、执行器、和测量变送装置四大基本部分组成。在广义对象（被控对象、执行器、和测量变送装置）特性已确定，不能改变的情况下，只能通过控制规律的选择来提高系统的稳定性与控制质量。常用的控制规律主要有：位式控制、P控制、PI控制、PD控制、PID控制。 2.5.2 串级控制当对象容量滞后或纯滞后较大，负荷和干扰变化比较剧烈而频繁，或是工艺对产品质量的要求很高时，而采用单回路控制方法不太有效，这时就可以采用串级控制。其原理方框图，如图2.2所示。串级控制系统，采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵调节阀。及时调节校正二次干扰，减少对

8、主对象的影响。 2.5.3 前馈反馈复合控制当反馈控制系统出现较大的动态偏差时，采用前馈控制方式，在扰动尚未影响被控对象前，提前调节已补偿扰动对被控对象的影响。其原理方框图，如图2.3所示。其中 应用前馈控制时，其扰动量应可测及不可控，且变化频繁、幅值较大。2.6 PID控制参数 2.6.1 衰减振荡法1）选择合适的采样的周期，控制器作纯比例Kc作用。2）改变选择Kc，得到纯比例作用的近似4:1衰减振荡曲线。3）选择控制度。控制度为数字控制和模拟控制的误差平方和最小之比。4）根据选定的控制度，计算Ts、Kc、Ti和Td的值。5）改变控制度，得到不同的Ts、Kc、Ti和Td，通过设定参数值，得到

9、合适的响应曲线。 2.6.2 经验法 1）纯比例凑试。置积分时间Ti=，微分时间Td=0，改变控制器的比例增益Kc（或比例度PB）的初值，尽量得到4:1 的衰减响应曲线。 2）积分作用凑试。同比例凑试，改变积分时间Ti，得到合适的响应曲线。由于加入积分作用后系统稳定性有所降低，可将比例增益Kc 减小1020%左右，以补偿加入积分作用。 3）如果需要，最后加入微分作用。微分时间Td 大约是积分时间Ti 的1/31/4。加入微分作用后，可适当加大Kc，减小Ti。 按照以上三个步骤，经过反复凑试直到满 2.6.3 响应曲线法 1）首先测取广义对象在阶跃输入下的响应曲线。 2）在响应曲线的拐点处作切线

10、，通过切线与初始值和新稳态值的交点，可以测得广义对象的时间常数T和纯滞后时间，得到一阶惯性加纯滞后通道传递函数简化模型，表达了广义对象动态特性。第三章 单容下水箱液位调节阀PID 单回路控制3.1 工艺过程 1）单容下水箱液位 PID 控制流程图，如图3.1所示 图3.1 水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV-101进入水箱V103，通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT-103测得，用调节手阀QV-116 的开启程度来模拟负载的大小。本例为定值自动调节系统，FV-101为操纵变量，LT-103为被控变量，采用PID调节来完

11、成。 2）原理方框图，如图3.2所示 干扰下水箱调节阀FV101控制器 下水箱液位LT1033.2 上位组态组态流程图界面，如图3.3所示 图3.33.3 操作过程和调试 1）在现场系统上，打开手阀QV102、QV105，调节下水箱闸板QV116开度(可以稍微大一些)，其余阀门关闭。 2）在控制系统上，将IO面板的下水箱液位输出连接到AI0，IO面板的电动调节阀控制端连到AO0。 3）启动计算机组态软件，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。 4）设置比例参数，待系统稳定后，对系统加扰动信号(一般可通过改变设定值实现)，选择合适的P，得到较满意的过渡过程曲线。 5

12、）固定比例P值，改变PI调节器的积分时间Ti，对系统加扰动信号选择合适的I，得到较满意的响应曲线。 6）固定I于某一中间值，微调P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，得到满意的响应曲线。7）在PI调节器控制的基础上，再引入适量的微分作用（设置D参数），得到满意的响应曲线。3.4 测试结果及分析 1）选择合适的P值，响应曲线图如图3.4、图3.5所示P=20，I=,D=0P=22，I=,D=0 图3.4P=22，I=,D=0P=24，I=,D=0 图3.5 分析：根据图3.4、3.5可知，P=20、P=22与P=24的响应曲线相比较，峰值时间，即越小，响应速度越快；但P=24的响应曲线有振

13、荡的趋势。综合考虑，选择P=22。 2）选择合适的I值，响应曲线图如图3.6、图3.7所示P=22，I=15，D=0P=22，I=20,D=0 图3.6P=22，I=8,D=0P=22，I=10,D=0 图3.7分析：根据图3.6、3.7可知，I=20、I=15、I=10与I=8的响应曲线相比较，超调量；稳态误差，同时I=8的曲线有振荡的趋势。综合考虑，选择P=22，I=20。 注意：I=20与I=15、I=10、I=8曲线所加的扰动不一样，需对I=20的扰动进行折合。 3）选择合适的D值，响应曲线图如图3.8、图3.9所示P=22，I=20,D=4P=22，I=20,D=8 图3.8P=22

14、，I=20,D=2P=22，I=20,D=4 图3.9 分析：根据图3.8、3.9可知，D=8、D=4与D=2的响应曲线相比较，超调量，而D=2的微分作用较弱。综合考虑，选择P=22，I=20，D=4。 注意：D=8与D=4、D=2曲线所加的扰动不一样，需对D=8的扰动进行折合。第四章 液位和进口流量串级控制4.1 工艺过程 1）液位和进口流量串级控制流程图，如图4.1所示 图4.1 水介质一路（I路）由泵P101（变频器）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

15、；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。 2）原理方框图，如图4.2所示 图4.24.2 上位组态 组态

16、流程图界面，如图4.3所示 图4.3 4.3 操作过程和调试 1）在现场系统上，打开手动调节阀QV-103、QV-105，关闭QV-102。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。 2）在控制系统上，将下水箱液位（LT-103）连到控制器AI0输入端，流量计（FT-101）连到控制器AI1输入端，电动调节阀FV-101连到控制器AO0端。 3）启动变频器，工频运行水泵P101 4）首先，利用主回路，做一个单回路液位实验，确定P、I值（D0）设定一个SP值A1，并记录稳定时的流量计FT101的测量值A2 5）将主调节器置手动状态，调整其输出为A2，将A2作为副调节器的S

17、P值，整定副调节器的P参数。 6）再将主调节器切换到自动状态，预置主调节器的P、I参数不变。系统应仍然稳定。4.4 测试结果及分析 1）选择合适的P2值，响应曲线图如图4.4所示P1=22，I=20，D=0；P2=3P1=22，I=20，D=0；P2=1P1=22，I=20，D=0；P2=2 图4.42）分析：根据图4.4可知，P2=1、P2=2和P2=3的响应曲线相比较，稳态误差，但P2=1到P2=2再到P2=3曲线的振荡周期越多。综合考虑，选择P1=22，I=20，D=0；P2=2。注意：主回路的P、I参数采用的是单容下水箱液位调节阀PID 单回路控制实验的结果。第五章 流量-液位前馈反馈

18、控制5.1 工艺过程 1）流量-液位前馈反馈控制流程图，如图5.1所示 图5.1 水介质(并管)由泵P101（变频器驱动）从水箱V104中加压获得压头，经涡轮流量计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。本例为前馈调节系统，调节阀FV-101为操纵变量，在LT-103为被控变量的定值液位控制系统中，接收由I路流量的前馈信号参予到定值系统中，整体构成前馈反馈控制系统。 如果水路流量出现扰动，经过流量计FT-101测量之后，测量得到干扰的大小，然后通过调整调节阀开度，直接进行补偿，而不需要经过调节器。 2）原理方框图，如图5.2所示流量FT101前馈控制器 流量下水箱调节阀FV101控制器 下水箱液位FT1035.2 上位组态 组态流程图界面，如图5.3所示 图5.35.3 操作过程和调试 1）在现场系统上，打开手动调节阀QV-103、QV-105，关闭QV-102。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。 2）在控制系统上，将下水箱液位变送器（LT-103）输出连接到控