过程控制―上水箱液位与进水流量串级控制系统

1、目录1 过程控制系统简介 . 21.1 系统组成 . 21.2 电源控制台 . 31.3 总线控制柜 . 32 实验原理 . 42.1 单容水箱设备工作原理 . 42.2 双容水箱设备工作原理 . 72.3 系统工作原理 . 92.4 控制系统流程图 . 93实验结果分析 . 113.1 实验过程 . 113.2实验分析 . 123.2.1单容水箱实验结果分析 . . 123.2.2双容水箱实验结果分析 . . 143.2.3单容双容水箱比较 . . 163.3实验结论 . 17总结 . . 18参考文献 . 191 过程控制系统简介1.1 系统组成本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成

2、。系统动力支路分两路：一路由三相（380V 交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、PA 电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V 变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。1、被控对象水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。2、检测装置压力传感器、变送器：采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技

3、术，对传感器温度漂移跟随补偿。流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。3、执行机构调节阀：采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯协议的电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。变频器：本装置采用SIEMENS 带PROFIBUS-DP 通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC22

4、0V ，输出为三相AC220V 。水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P ，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W 。可移相SCR 调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA 标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580。4、控制器控制器采用SIEMENS 公司的S7300 CPU，型号为315-2DP ，本CPU 既具有能进行多点通讯功能的MPI 接口，又具有PROFIBUS-

5、DP 通讯功能的DP 通讯接口。5、空气压缩机1.2 电源控制台电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。1.3 总线控制柜总线控制柜有以下几部分构成：(1 控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V 转换为DC24V ，给主控单元和DP 从站供电。(2 控制站：控制站主要包含CPU 、以太网通讯模块、DP 链路、分布式I/O DP从站和变频器DP 从站构成。(3 温度变送器： PA 温度变送器把PT100的检测信号

6、转化为数字量后传送给DP 链路。2 实验原理2.1 单容水箱设备工作原理单容实验系统结构图和方框图如图1所示。被控量为中水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI 或PID 控制。图2.1 单容水箱图 (a结构图 (b方框图所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。一、自衡过程的建摸所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操

7、作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。图2-1所示为一个单容液位被控过程，其流入量Q 1，改变阀1的开度可以改变Q 1的大小。其流出量为Q 2，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变Q 2。液位h 的变化反映了Q 1与Q 2不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程. 若Q 1作为被控过程的输入变量 ,h为其输出变量, 则该被控过程的数学模型就是h 与Q 1之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有Q 1-Q 2=A将公式（2-1）表示成增量式为 dh dt (2-1Q 1-Q 2=A d hdt (2-2在静态时，Q 1=Q 2；当Q 1发生变化时，液位h 随之变化，贮蓄出口处的静压随之变化

8、，Q 2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h 与流量之间为非线形关系2。但为了简化起见，经线形变化，则可近似认为Q 2与h 成正比关系，而与阀2的阻力R 2成反比。为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量Q 2。消去中间变量的方法很多，如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。这里，介绍后一种方法。2（a ）X0 t 0 图2-2液位被控过程及其阶跃响应单容液位过程的传递函数为： W 0(s =K 0H (s R 2=Q 1(s R 1Cs +1T 0s +1 (2-3式中：T 0过程的时间常数，T 0=R 2c ；K 0过程的放大系数，K 0=R 2；C 过程的

9、容量系数，或称过程容量。被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。其物理意义:是：引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大小。图2-2（b ）所示为单容液位被控过程的阶跃响应曲线。从上述分析可知，液阻R 2不但影响过程的时间常数T 0，而且还影响过程的放大系数K 0，而容量系数C 仅影响过程的时间常数。在工业生产过程中，过程的纯时延问题是经常碰到的。如皮带运输机的物料传输过程，管道输送、管道反应和管道的混合过程等。下面讨论纯时延过程的建模。 图2-3 纯时延单容过程及其响应曲线图2-3所示，流量Q 1通过长度为l 的管道流入贮罐。当进水阀开度产生扰动后，Q

10、 1需要流经管道长度为l 的传输时间t 0后才流入贮罐，才使液位h 发生变化。具有纯时延单容过程的阶跃响应曲线如图2-2曲线2所示，它与无时延单容过程的阶跃响应曲线在形状上完全相同，仅差一纯时延t 0。具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为 d h T 0+h =K 0Q 1(T -t 0 dt W 0(s=K 0H(s=e -t 0s Q 1(sT 0s +1 (2-4式中：T 0过程的时间常数，T 0=R 2c ；K 0过程的放大系数，K 0=R 2；t 0过程的纯时延时间。二、无自衡过程的建模所谓无自衡过程，是指过程在扰动的作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其

11、自身能力不能重新恢复平衡的过程。2.2 双容水箱设备工作原理双容实验系统结构图和方框图如图1所示。被控量为上水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI 或PID 控制。图2.5 双容水箱图 (a结构图 (b方框图 在工业生产过程中，被控过程往往是由多个容积和阻力构成，这种过程称为多容过程。现在，以具有自衡能力的双容过程为例，来讨论其建立数学模型的方法。其被控量是第二只水箱的液位h 2，输入

12、量为Q 1与上述分析方法相同，根据物料平衡关系可以列出下列方程 Q 1-Q 2=C 1d h 1 (2-5 dtQ 2=h 1R 2 (2-6 d h 2dt (2-7 Q 2-Q 3=C 2Q 3=h 2R 3 (2-8为了消去双容过程的中间变量h 1、Q 2、Q 3，将上述方程组进行拉氏变换。 W 0(s =K 0H 2(s =Q 1(s (T 1s +1(T 2s +1 (2-9 式中：R 1第一只水箱的时间常数，T 1=R 2C 1；T 2第二只水箱的时间常数，T 2=C 2R 3；K 0过程的放大系数，K 0=R 3；C 1, C 2分别是两只水箱的容量系数。流量Q 1有一阶跃变化时

13、，被控量h 2的响应曲线。与单容过程比较，多容过程受到扰动后，被控参数h 2的变化速度并不是一开始就最大，而是要经过一段时延之后才达到最大值。即多容过程对于扰动的响应在时间上存在时延，被称为容量时延。产生容量时延的原因主要是两个容积之间存在阻力，所以使h 2的响应时间向后推移。容量时延可用作图法求得，即通过h 2响应曲线的拐点D 作切线，与时间轴相交与A ，与h 2相交与C ，C 点在时间轴上的投影B ，OA 即为容量时延时间t c ，AB 即为过程的时间常数T 。对与无自衡能力的双容过程，被控量为h 2，输入量为Q 1。Q 1产生阶跃变化时，液位h 2并不立即以最大的速度变化，由于中间具有容

14、积和阻力。h 2对扰动的响应有他、一定的时延和惯性。W 0(s =H 2(s 11 (2-10 =Q 1(s T 0s (Ts +1式中：T 0过程积分时间常数，T 0 = C2；T第一只水箱的时间常数。同理，无自衡多容过程的数学模型为W 0(s =11 (2-11 T 0s (Ts +1 n当然无自衡多容过程具有纯时延时，则其数学模型为11-t 0s (2-12 e n T 0s (Ts +1 W 0(s =2.3 系统工作原理本系统的主控量为上水箱的液位高度H ，副控量为气动调节阀支路流量Q ，它是一个辅助的控制变量。系统由主、副两个回路所组成。主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量

15、H 等于给定值，因而系统的主调节器应为PI 或PID 控制。副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量H 的控制目的，因而副调节器可采用P 控制。但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI 控制规律。引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。2.4 控制系统流程图控制系统流程图如图2.6所示。图2.6 控制系统流程图本实验主

16、要涉及三路信号，其中两路是现场测量信号上水箱液位和管道流量，另外一路是控制阀门定位器的控制信号。本实验中的上水箱液位信号是标准的模拟信号，与SIEMENS 的模拟量输入模块SM331相连，SM331和分布式I/O模块ET200M 直接相连，ET200M 挂接到PROFIBUS-DP 总线上，PROFIBUS-DP 总线上挂接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP为PROFIBUS-DP 总线上的DP 主站），这样就完成了现场测量信号向控制器CPU315-2 DP 的传送。本实验中的流量检测装置（电磁流量计）和执行机构（阀门定位器）均为带PROFIBUS-PA 通讯接口的部件，挂

17、接在PROFIBUS-PA 总线上，PROFIBUS-PA 总线通过LINK 和COUPLER 组成的DP 链路与PROFIBUS-DP 总线交换数据，PROFIBUS-DP 总线上挂接有控制器CPU315-2 DP。由于PROFIBUS-PA 总线和PROFIBUS-DP 总线中信号传输是双向的，这样既完成了现场检测信号向CPU 的传送，又使得控制器CPU315-2 DP 发出的控制信号经PROFIBUS-DP 总线到达PROFIBUS-PA 总线，以控制执行机构阀门定位器。 3实验结果分析3.1 实验过程本实验选择上水箱和气动调节阀支路组成串级控制系统（也可采用变频器支路）。实验之前先将储

18、水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度，其余阀门均关闭。1、接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC 机，进入的实验主界面。2、在实验主界面中选择本实验项即“上水箱液位与进水口流量串级控制实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图3.1所示。图3.1 实验界面3、在上位机监控界面中，将副调节器设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值。4、合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少副调节器的输出量，使上水箱的液位稳定于设定值。5、整定调节器的参数，并按整定得到的参数对调节器进行设定。6、待上水箱进水流量相对稳定

19、，且其液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：(1 突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化； (2 将气动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；(3 将阀F1-5、F1-13开至适当开度；以上几种干扰均要求扰动量为控制量的515，干扰过大可能造成水箱中水溢出。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定于新的设定值（后面两种干扰方法仍稳定在原设定值）。通过实验界面下边的切换按钮，观察计算机记录的设定值、输出值和参数，上水箱液位的响应过程曲线将如图3.2所示。图3.2 上水箱液位

20、阶跃响应曲线3.2实验分析3.2.1单容水箱实验结果分析图3.3 PI控制下液位阶跃响应曲线1 图3.4 PID控制下液位阶跃响应曲线在单容水箱条件下，即水管直接对中水箱供水，调整比例度K 参数为0.2，积分时间I 参数为120000，得到的中水箱液位阶跃响应曲线如图3.3所示。在保持K,I 参数不变的情况下，增加积分时间D 的作用，设置D 参数为10000，得到的中水箱液位阶跃响应曲线如图3.4所示。两图比较可以看出，阶跃响应曲线基本没有改变，故可分析得出：在本次实验中微分时间D 对中水箱液位的影响不大。图3.5 PI控制下液位阶跃响应曲线2在保持图3.3中I 参数不变的情况下，增加比例度K

21、 的作用，设置K 参数为1.5 ，得到的中水箱液位阶跃响应曲线如图3.5所示。两图比较可以看出，超调量明显减小，并且曲线到达稳态的时间明显缩短。图3.6 PI控制下液位阶跃响应曲线3在保持图3.3中P 参数不变的情况下，增加积分时间I 的作用，设置I 参数为200000，得到的中水箱液位阶跃响应曲线如图3.6所示。两图比较可以看出，超调量略微减小，并且曲线振荡周期明显增长。3.2.2双容水箱实验结果分析图3.7 PI控制下液位阶跃响应曲线A 图3.8 PI控制下液位阶跃响应曲线B如上图3.7、3.8所示。在保持图3.7中P 参数不变的情况下，减小积分时间I 的作用，设置I 参数为100000，得到的中水箱液位阶跃响应曲线如图3.8所示。两图比较可以看出，超调量略微增大，并且曲线振荡周期明显减小。图3.8 PI控制下液位阶跃响应曲线C如上图3.8、3.9所示。在保持图3.8中I 参数不变的情况下，减小比例度K 的作用，设置K 参数为0.1，得到的中水箱液位阶跃响应曲线如图3.9 所示。两图比较可以看出，超调量略微减小，并且曲线振荡周期略微增大。图3.9 PID控制下液位阶跃响应曲线在比例度，积分时间，微分时间都进行的PID 控制的情况下，其液位阶跃响应曲线如图3.9所示。可以看出，由于是双容水箱，系统存在较大的延迟，进行PID 操作不容易得到良好的阶跃响应曲线