计算机测控系统课程设计

1、计算机测控系统课程设计课 题：基于DCS技术的水箱水位串级控制系统设计与仿真实现专业：*二一、课程设计目的通过对水位监控系统的设计和试验，掌握组态软件的应用，以及计算机 监控系统的基本组成和实现方法。了解DCS应用过程中的主要工作内容及应该注意的问 题，并能根据应用目的，进行分散控制系统的设计组态、调试操作等工作。以P3DCS分散 控制系统为平台，完成DCS的组态。二、课程设计内容 采用P3DCS系统设计完成水箱水位串级控制系统并进行参数整定和调 试，包括数据库组态、SAMA图组态、流程图组态、操作器组态，设计手动和单回路自动 控制、串级自动控制等控制方案，并实现手自动无扰切换和报警，设计相应

2、的模拟量控制和 逻辑控制方案并实现，进行仿真、参数整定与系统调试。其中上水箱水位的对象传递函数 为s e s s G 3 2 1 15 2 ） （ 上水箱水位对下水箱水位传递函数为s e s s G 5 1 1 25 3 .1 ） （ 其它执行器和测量电路的传递函数简化为K= 1三、系统概述两个水箱的串联在工业中运用的非常广泛，上下水箱组成一个串联，这样的 一个串联系统跟单容水箱在控制时间上对比有了一定的迟延，这是由于容积迟延造成的，通 过在P3DCS组态软件的使用下，设计一个串级控制系统。设计串级回路控制的目的就是在 控制系统中加入副回路，从而加快系统的调节速度和增强系统的动态性能。主副回路

3、控制系 统的PID参数采用两步整定法，先整定副回路上水箱的PID参数使之达到稳定，然后再整 定主回路的参数使之达到稳定的状态。并通过P3DCS组态软件对系统的曲线进行实时监 控，调出最优PID参数。系统的工艺流程如下图（图1）所示：图1 3根据水箱系统的 结构，我们设置一个串级控制回路，把下水箱作为串级控制系统的主控制回路，上水箱作为 串级的副控制回路。从而得出串级控制系统的方框图如（图2）所示：图2四、课题设计及其步骤本次课程设计主要有两个方面的工作：即是组态设计和系统调试：1、组态设计1）系统配置组态主要是指DCS中工程师站、操作员站、控制站的主机系统 配置信息及外设类型，I/O 一卡件信

4、息，电源布置，控制柜内安装接线等。此部分内容作为 了解内容，不进行具体组态。2）实时数据库组态 数据库组态是系统组态中应尽早完成的工作，因为只有有了数据库， 其他的组态工作（控制回路组态、画面组态等）才可以调试。数据库组态一般通过专用软件 进行，数据录入时一定要认真仔细，数据库中一个小的错误就会给运行带来极大的麻烦，如 造成显示错误、操作不当甚至死机故障。先进行“系统数据库”的建立，建立好之后如下图（图3）：图33）控制算法组态控制算法组态指的是将系统设计时规定的模拟量控制、开关量控制等功能 用DCS算法予4以实现。本设计以水箱水位高度串级控制策略为对象，并且模拟控制对 象，构成闭环回路，完成

5、这些控制算法的组态工作，即运行“SAMA图组态”来完成控制算 法组态。如图4：图44）4）操作员站显示画面组态通过“图形界面组态”来设计需要显示的画面组态，运行人员 主要通过操作员站画面来观察生产过程运行情况，并通过画面提供的软操作器来干预生产过 程，因此画面设计是否合理、操作是否方便都会对运行产生重要影响。本设计要求设计关于 水位控制的简单流程图画面、趋势画面、参数显示画面、操作画面，并把有关的动态点同控 制算法连接起来。流程界面组态图：图5 5操作窗口组态图（图6）：图65）趋势组态通过“趋势显示”可以来设计所需要观察的数据点的连接并且观察到该数据点 数据变化的波形。实时趋势如下图：2、系

6、统调试设计要求进行动态调试。所谓动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。由于生产过程已 经处于运行或试运行阶段，此时应以观察为主，当涉及到必需的系统修改时，应做好充分的 准备及安全措施，以免影响正常生产，更不允许造成系统或设备故障。动态调试一般包括以 下内容：1）观察过程参数显示是否正常、执行机构操作是否正常；2）检查控制系统逻辑是否正确，并在适当时候投入自动运行；3）对控制回路进行在线整定；4）当系统存在较大问题时，如需进行控制结构修改、增加测点等，应尽量在停机状态下重 新组态下装。若条件不允许，也可进行在线组态，但要熟悉在线组态的各个环节并做好应急 措施。（1）PID参数整定1）断开主回路

7、，用衰减曲线法，整定内回路副调节器，PI作用。反复调整，做定值阶跃扰 动实验，直到衰减率V =0.750.9。2）闭合主回路，用衰减曲线法，整定外回路主调节器，PI作用，反复调整主调节器并做定 值阶跃扰动实验，直到衰减率V =0.9。记下比例带5 S，测量上升时间tr。按照公式计 算PID参数。3）按计算参数设置PID，做定值阶跃扰动，观察曲线。4）细调主副调节器参数，直到满意为止。五、课题设计实验结果不同PID参数下不同的响应曲线1）主控制器比例增益K1=1，积分时间K2=0.25 （分），微分时间K3=0 （分），微分增益=1, 如控制器参数为：K1=2，积分时间为0.25 （分），K3=

8、0（分），微分增益=1，波形如下，可见 控制效果很好。图7其他参数不变，只让主PID控制器积分时间K3=1 （分）时，波形 如下，可见加微风作用之后波形平滑了但变慢了。图8再让K3=4 （分），这时波形如下： 7图9给副调节器加上微风作用后波形如下，可见给内回路加微分作用反而不好。图10 把副控制器的微分作用去掉后，将比例增益K1变大为8时内回路控制量出现等幅震荡（如 图11）,可见副回路的比例增益不宜过大。8图11当把主PID积分时间改小为0.1时， 波形如下（图12）：图12可见积分时间也不能太小，太小会比较震荡，调整时间变得较 长。经过多次尝试，得到最理想的参数为：主控制器比例增益K1=

9、2,积分时间K2=0.15（分）， 微分时间K3=0（分），微分增益=1,如控制器参数为：K1=3,积分时间为0.25（分），K3=0（分）， 微分增益=1，对应波形如图13所示。9图13六、实验心得小结实验中在SAMA图组态，流程图组图以及PID参数调整方面花的时间较多，为了较理想的 输出曲线而反复的测试，SAMA图组态中遇到了的困难，就看软件自带的帮助文档，上网 查资料，同学帮助等，总之通过本次课程设计，学到很多东西，比如掌握了DCS软件组太 的方法，设计调试步骤及应该注意的问题，以后工作上遇到不会东西，用这样的通过看相关 文档和上网查资料的探索的方法，或向别人寻求帮助等多种方法，也会很有用。在实验中遇 到了一些现在仍然没有解决的问题，如PID模块的每个输入输出端口的含义，及如何连接， 这个在文档里找不到。P3DCS软件的历史数据库组态和历史趋势组态用不了。而且我们没 有真正地用于控制，如果真的用于实际控制，那外面的信号如何接入？控制信号如何输出到 响应机构去？组态