過程控制―上水箱液位與進水流量串級控制系統(tǒng)

1、目錄1 過程控制系統(tǒng)簡介 . 21.1 系統(tǒng)組成 . 21.2 電源控制臺 . 31.3 總線控制柜 . 32 實驗原理 . 42.1 單容水箱設備工作原理 . 42.2 雙容水箱設備工作原理 . 72.3 系統(tǒng)工作原理 . 92.4 控制系統(tǒng)流程圖 . 93實驗結果分析 . 113.1 實驗過程 . 113.2實驗分析 . 123.2.1單容水箱實驗結果分析 . . 123.2.2雙容水箱實驗結果分析 . . 143.2.3單容雙容水箱比較 . . 163.3實驗結論 . 17總結 . . 18參考文獻 . 191 過程控制系統(tǒng)簡介1.1 系統(tǒng)組成本實驗裝置由被控對象和上位控制系統(tǒng)兩部分組成

2、。系統(tǒng)動力支路分兩路：一路由三相（380V 交流）磁力驅動泵、電動調節(jié)閥、直流電磁閥、PA 電磁流量計及手動調節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅動泵（220V 變頻）、渦輪流量計及手動調節(jié)閥組成。1、被控對象水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。儲水箱內部有兩個橢圓形塑料過濾網罩，防止兩套動力支路進水時有雜物進入泵中。管道：整個系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。2、檢測裝置壓力傳感器、變送器：采用SIEMENS 帶PROFIBUS-PA 通訊協(xié)議的壓力傳感器和工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，擴散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技

3、術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。流量傳感器、轉換器：流量傳感器分別用來對調節(jié)閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進行測量。本裝置采用兩套流量傳感器、變送器分別對變頻支路及盤管出口支路的流量進行測量，調節(jié)閥支路的流量檢測采用SIEMENS 帶PROFIBUS-PA 通訊接口的檢測和變送一體的電磁式流量計。3、執(zhí)行機構調節(jié)閥：采用SIEMENS 帶PROFIBUS-PA 通訊協(xié)議的電動調節(jié)閥，用來進行控制回路流量的調節(jié)。它具有精度高、體積小、重量輕、推動力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點。變頻器：本裝置采用SIEMENS 帶PROFIBUS-DP 通訊接口模塊的變頻器，其輸入電壓為單相AC22

4、0V ，輸出為三相AC220V 。水泵：本裝置采用磁力驅動泵，型號為16CQ-8P ，流量為32升/分，揚程為8米，功率為180W ?？梢葡郤CR 調壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為420mA 標準電流信號。輸出電壓用來控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。電磁閥：在本裝置中作為氣動調節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為：2W-160-25 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/2，最大壓力為7Kg/2 ；工作溫度：580。4、控制器控制器采用SIEMENS 公司的S7300 CPU，型號為315-2DP ，本CPU 既具有能進行多點通訊功能的MPI 接口，又具有PROFIBUS-

5、DP 通訊功能的DP 通訊接口。5、空氣壓縮機1.2 電源控制臺電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護，帶有漏電保護空氣開關、電壓型漏電保護器、電流型漏電保護器。儀表綜合控制臺包含了原有的常規(guī)控制系統(tǒng)，由于它預留了升級接口，因此它在總線控制系統(tǒng)中的作用就是為上位控制系統(tǒng)提供信號。1.3 總線控制柜總線控制柜有以下幾部分構成：(1 控制系統(tǒng)供電板：該板的主要作用是把工頻AC220V 轉換為DC24V ，給主控單元和DP 從站供電。(2 控制站：控制站主要包含CPU 、以太網通訊模塊、DP 鏈路、分布式I/O DP從站和變頻器DP 從站構成。(3 溫度變送器： PA 溫度變送器把PT100的檢測信號

6、轉化為數(shù)字量后傳送給DP 鏈路。2 實驗原理2.1 單容水箱設備工作原理單容實驗系統(tǒng)結構圖和方框圖如圖1所示。被控量為中水箱的液位高度，實驗要求它的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT1檢測到的中水箱液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調節(jié)器控制氣動調節(jié)閥的開度，以達到控水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調節(jié)器應為PI 或PID 控制。圖2.1 單容水箱圖 (a結構圖 (b方框圖所謂單容過程，是指只有一個貯蓄容量的過程。單容過程還可分為有自衡能力和無自衡能力兩類。一、自衡過程的建摸所謂自衡過程，是指過程在擾動作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操

7、作人員或儀表等干預，依靠起自身重新恢復平衡的過程。圖2-1所示為一個單容液位被控過程，其流入量Q 1，改變閥1的開度可以改變Q 1的大小。其流出量為Q 2，它取決于用戶的需要改變閥2開度可以改變Q 2。液位h 的變化反映了Q 1與Q 2不等而引起貯罐中蓄水或泄水的過程. 若Q 1作為被控過程的輸入變量 ,h為其輸出變量, 則該被控過程的數(shù)學模型就是h 與Q 1之間的數(shù)學表達式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關系有Q 1-Q 2=A將公式（2-1）表示成增量式為 dh dt (2-1Q 1-Q 2=A d hdt (2-2在靜態(tài)時，Q 1=Q 2；當Q 1發(fā)生變化時，液位h 隨之變化，貯蓄出口處的靜壓隨之變化

8、，Q 2也發(fā)生變化。由流體力學可知，流體在紊流情況下，液位h 與流量之間為非線形關系2。但為了簡化起見，經線形變化，則可近似認為Q 2與h 成正比關系，而與閥2的阻力R 2成反比。為了求單容過程的數(shù)學模型，需消去中間變量Q 2。消去中間變量的方法很多，如可用代數(shù)代換法，可用信號流圖法，也可用畫方框圖的方法。這里，介紹后一種方法。2（a ）X0 t 0 圖2-2液位被控過程及其階躍響應單容液位過程的傳遞函數(shù)為： W 0(s =K 0H (s R 2=Q 1(s R 1Cs +1T 0s +1 (2-3式中：T 0過程的時間常數(shù)，T 0=R 2c ；K 0過程的放大系數(shù)，K 0=R 2；C 過程的

9、容量系數(shù)，或稱過程容量。被控過程都具有一定貯存物料或能量的能力，其貯存能力的大小，稱為容量或容量系數(shù)。其物理意義:是：引起單位被控量變化時被控過程貯存兩變化的大小。圖2-2（b ）所示為單容液位被控過程的階躍響應曲線。從上述分析可知，液阻R 2不但影響過程的時間常數(shù)T 0，而且還影響過程的放大系數(shù)K 0，而容量系數(shù)C 僅影響過程的時間常數(shù)。在工業(yè)生產過程中，過程的純時延問題是經常碰到的。如皮帶運輸機的物料傳輸過程，管道輸送、管道反應和管道的混合過程等。下面討論純時延過程的建模。 圖2-3 純時延單容過程及其響應曲線圖2-3所示，流量Q 1通過長度為l 的管道流入貯罐。當進水閥開度產生擾動后，Q

10、 1需要流經管道長度為l 的傳輸時間t 0后才流入貯罐，才使液位h 發(fā)生變化。具有純時延單容過程的階躍響應曲線如圖2-2曲線2所示，它與無時延單容過程的階躍響應曲線在形狀上完全相同，僅差一純時延t 0。具有純時延單容過程的微分方程和傳遞函數(shù)為 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過程的時間常數(shù)，T 0=R 2c ；K 0過程的放大系數(shù)，K 0=R 2；t 0過程的純時延時間。二、無自衡過程的建模所謂無自衡過程，是指過程在擾動的作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預，依靠其

11、自身能力不能重新恢復平衡的過程。2.2 雙容水箱設備工作原理雙容實驗系統(tǒng)結構圖和方框圖如圖1所示。被控量為上水箱的液位高度，實驗要求它的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT1檢測到的中水箱液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調節(jié)器控制氣動調節(jié)閥的開度，以達到控水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調節(jié)器應為PI 或PID 控制。圖2.5 雙容水箱圖 (a結構圖 (b方框圖 在工業(yè)生產過程中，被控過程往往是由多個容積和阻力構成，這種過程稱為多容過程?，F(xiàn)在，以具有自衡能力的雙容過程為例，來討論其建立數(shù)學模型的方法。其被控量是第二只水箱的液位h 2，輸入

12、量為Q 1與上述分析方法相同，根據(jù)物料平衡關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為了消去雙容過程的中間變量h 1、Q 2、Q 3，將上述方程組進行拉氏變換。 W 0(s =K 0H 2(s =Q 1(s (T 1s +1(T 2s +1 (2-9 式中：R 1第一只水箱的時間常數(shù)，T 1=R 2C 1；T 2第二只水箱的時間常數(shù)，T 2=C 2R 3；K 0過程的放大系數(shù)，K 0=R 3；C 1, C 2分別是兩只水箱的容量系數(shù)。流量Q 1有一階躍變化時

13、，被控量h 2的響應曲線。與單容過程比較，多容過程受到擾動后，被控參數(shù)h 2的變化速度并不是一開始就最大，而是要經過一段時延之后才達到最大值。即多容過程對于擾動的響應在時間上存在時延，被稱為容量時延。產生容量時延的原因主要是兩個容積之間存在阻力，所以使h 2的響應時間向后推移。容量時延可用作圖法求得，即通過h 2響應曲線的拐點D 作切線，與時間軸相交與A ，與h 2相交與C ，C 點在時間軸上的投影B ，OA 即為容量時延時間t c ，AB 即為過程的時間常數(shù)T 。對與無自衡能力的雙容過程，被控量為h 2，輸入量為Q 1。Q 1產生階躍變化時，液位h 2并不立即以最大的速度變化，由于中間具有容

14、積和阻力。h 2對擾動的響應有他、一定的時延和慣性。W 0(s =H 2(s 11 (2-10 =Q 1(s T 0s (Ts +1式中：T 0過程積分時間常數(shù)，T 0 = C2；T第一只水箱的時間常數(shù)。同理，無自衡多容過程的數(shù)學模型為W 0(s =11 (2-11 T 0s (Ts +1 n當然無自衡多容過程具有純時延時，則其數(shù)學模型為11-t 0s (2-12 e n T 0s (Ts +1 W 0(s =2.3 系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)的主控量為上水箱的液位高度H ，副控量為氣動調節(jié)閥支路流量Q ，它是一個輔助的控制變量。系統(tǒng)由主、副兩個回路所組成。主回路是一個定值控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)的主控制量

15、H 等于給定值，因而系統(tǒng)的主調節(jié)器應為PI 或PID 控制。副回路是一個隨動系統(tǒng)，要求副回路的輸出能正確、快速地復現(xiàn)主調節(jié)器輸出的變化規(guī)律，以達到對主控制量H 的控制目的，因而副調節(jié)器可采用P 控制。但選擇流量作副控參數(shù)時，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定，比例度必須選得較大，這樣比例控制作用偏弱，為此需引入積分作用，即采用PI 控制規(guī)律。引入積分作用的目的不是消除靜差，而是增強控制作用。顯然，由于副對象管道的時間常數(shù)小于主對象上水箱的時間常數(shù)，因而當主擾動（二次擾動）作用于副回路時，通過副回路快速的調節(jié)作用消除了擾動的影響。2.4 控制系統(tǒng)流程圖控制系統(tǒng)流程圖如圖2.6所示。圖2.6 控制系統(tǒng)流程圖本實驗主

16、要涉及三路信號，其中兩路是現(xiàn)場測量信號上水箱液位和管道流量，另外一路是控制閥門定位器的控制信號。本實驗中的上水箱液位信號是標準的模擬信號，與SIEMENS 的模擬量輸入模塊SM331相連，SM331和分布式I/O模塊ET200M 直接相連，ET200M 掛接到PROFIBUS-DP 總線上，PROFIBUS-DP 總線上掛接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP為PROFIBUS-DP 總線上的DP 主站），這樣就完成了現(xiàn)場測量信號向控制器CPU315-2 DP 的傳送。本實驗中的流量檢測裝置（電磁流量計）和執(zhí)行機構（閥門定位器）均為帶PROFIBUS-PA 通訊接口的部件，掛

17、接在PROFIBUS-PA 總線上，PROFIBUS-PA 總線通過LINK 和COUPLER 組成的DP 鏈路與PROFIBUS-DP 總線交換數(shù)據(jù)，PROFIBUS-DP 總線上掛接有控制器CPU315-2 DP。由于PROFIBUS-PA 總線和PROFIBUS-DP 總線中信號傳輸是雙向的，這樣既完成了現(xiàn)場檢測信號向CPU 的傳送，又使得控制器CPU315-2 DP 發(fā)出的控制信號經PROFIBUS-DP 總線到達PROFIBUS-PA 總線，以控制執(zhí)行機構閥門定位器。 3實驗結果分析3.1 實驗過程本實驗選擇上水箱和氣動調節(jié)閥支路組成串級控制系統(tǒng)（也可采用變頻器支路）。實驗之前先將儲

18、水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-6全開，將上水箱出水閥門F1-9開至適當開度，其余閥門均關閉。1、接通控制系統(tǒng)電源，打開用作上位監(jiān)控的的PC 機，進入的實驗主界面。2、在實驗主界面中選擇本實驗項即“上水箱液位與進水口流量串級控制實驗”，系統(tǒng)進入正常的測試狀態(tài)，呈現(xiàn)的實驗界面如圖3.1所示。圖3.1 實驗界面3、在上位機監(jiān)控界面中，將副調節(jié)器設置為“手動”，并將輸出值設置為一個合適的值。4、合上三相電源空氣開關，磁力驅動泵上電打水，適當增加/減少副調節(jié)器的輸出量，使上水箱的液位穩(wěn)定于設定值。5、整定調節(jié)器的參數(shù)，并按整定得到的參數(shù)對調節(jié)器進行設定。6、待上水箱進水流量相對穩(wěn)定

19、，且其液位穩(wěn)定于給定值時，將調節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下幾種方式加干擾：(1 突增（或突減）設定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化； (2 將氣動調節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開至適當開度；(3 將閥F1-5、F1-13開至適當開度；以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的515，干擾過大可能造成水箱中水溢出。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經過一段調節(jié)時間后，水箱液位穩(wěn)定于新的設定值（后面兩種干擾方法仍穩(wěn)定在原設定值）。通過實驗界面下邊的切換按鈕，觀察計算機記錄的設定值、輸出值和參數(shù)，上水箱液位的響應過程曲線將如圖3.2所示。圖3.2 上水箱液位

20、階躍響應曲線3.2實驗分析3.2.1單容水箱實驗結果分析圖3.3 PI控制下液位階躍響應曲線1 圖3.4 PID控制下液位階躍響應曲線在單容水箱條件下，即水管直接對中水箱供水，調整比例度K 參數(shù)為0.2，積分時間I 參數(shù)為120000，得到的中水箱液位階躍響應曲線如圖3.3所示。在保持K,I 參數(shù)不變的情況下，增加積分時間D 的作用，設置D 參數(shù)為10000，得到的中水箱液位階躍響應曲線如圖3.4所示。兩圖比較可以看出，階躍響應曲線基本沒有改變，故可分析得出：在本次實驗中微分時間D 對中水箱液位的影響不大。圖3.5 PI控制下液位階躍響應曲線2在保持圖3.3中I 參數(shù)不變的情況下，增加比例度K

21、 的作用，設置K 參數(shù)為1.5 ，得到的中水箱液位階躍響應曲線如圖3.5所示。兩圖比較可以看出，超調量明顯減小，并且曲線到達穩(wěn)態(tài)的時間明顯縮短。圖3.6 PI控制下液位階躍響應曲線3在保持圖3.3中P 參數(shù)不變的情況下，增加積分時間I 的作用，設置I 參數(shù)為200000，得到的中水箱液位階躍響應曲線如圖3.6所示。兩圖比較可以看出，超調量略微減小，并且曲線振蕩周期明顯增長。3.2.2雙容水箱實驗結果分析圖3.7 PI控制下液位階躍響應曲線A 圖3.8 PI控制下液位階躍響應曲線B如上圖3.7、3.8所示。在保持圖3.7中P 參數(shù)不變的情況下，減小積分時間I 的作用，設置I 參數(shù)為100000，得到的中水箱液位階躍響應曲線如圖3.8所示。兩圖比較可以看出，超調量略微增大，并且曲線振蕩周期明顯減小。圖3.8 PI控制下液位階躍響應曲線C如上圖3.8、3.9所示。在保持圖3.8中I 參數(shù)不變的情況下，減小比例度K 的作用，設置K 參數(shù)為0.1，得到的中水箱液位階躍響應曲線如圖3.9 所示。兩圖比較可以看出，超調量略微減小，并且曲線振蕩周期略微增大。圖3.9 PID控制下液位階躍響應曲線在比例度，積分時間，微分時間都進行的PID 控制的情況下，其液位階躍響應曲線如圖3.9所示?？梢钥闯?，由于是雙容水箱，系統(tǒng)存在較大的延遲，進行PID 操作不容易得到良好的階躍響應曲線