水箱液位過控實(shí)訓(xùn)報(bào)告 2

1、 TOC o 1-5 h z 1引言12系統(tǒng)介紹12.1系統(tǒng)組成及其框圖12.2系統(tǒng)工作原理及其設(shè)備介紹 23調(diào)試系統(tǒng)44調(diào)試結(jié)果9心得體會(huì)101引言在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位是最基本的工藝參數(shù)之一，因此對(duì) 水箱液位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)之一。自動(dòng)化專業(yè)的畢業(yè)生工作后，將面臨的任務(wù)之一是對(duì)自動(dòng)控 制系統(tǒng)（設(shè)備、裝置）進(jìn)行維護(hù)、維修和技術(shù)改造等。本訓(xùn)練項(xiàng) 目的任務(wù)是通過為期1周的工程實(shí)踐訓(xùn)練，對(duì)單容水箱液位控制 系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理作一個(gè)全面的了解，對(duì)主電路及控制電路 等進(jìn)行原理分析，中間信號(hào)的檢測(cè)調(diào)試、故障分析處理等，進(jìn)一 步完善和優(yōu)化系統(tǒng)性能。本次系統(tǒng)綜合工程實(shí)踐訓(xùn)練內(nèi)容覆蓋面廣，應(yīng)

2、用性強(qiáng)，通過工 程訓(xùn)練，目的是提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合能力，將理論知識(shí)用 于實(shí)踐分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的檢修調(diào)試 方法，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，近一步縮短教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)際的距離，為畢 業(yè)后順利上崗打下良好基礎(chǔ)。2系統(tǒng)介紹2.1系統(tǒng)組成及其系統(tǒng)框圖本次工程實(shí)踐訓(xùn)練采用是THJ-2型高級(jí)過程控制系統(tǒng)，它是一個(gè) 多功能多分支的大系統(tǒng)，由于時(shí)間關(guān)系，無法對(duì)此系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng) 進(jìn)行全面熟悉和訓(xùn)練，所以只是選用了此系統(tǒng)的單容水箱液位控制系 統(tǒng)及其設(shè)備作為訓(xùn)練內(nèi)容，系統(tǒng)由過程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象系統(tǒng)、智能儀表 控制臺(tái)、上位監(jiān)控PC機(jī)及監(jiān)控軟件MCGS組態(tài)軟件組成。單容水箱液位控制系統(tǒng)的由液位給定，控制器，D/

3、A轉(zhuǎn)換器，電 動(dòng)節(jié)閥，單容水箱，檢測(cè)變送器，A/D轉(zhuǎn)換器，擾動(dòng)信號(hào)組成，框 圖如下：圖1單容水箱液位控制系統(tǒng)框圖2.2系統(tǒng)工作原理及其設(shè)備介紹工作原理THJ-2型高級(jí)過程控制系統(tǒng)里的單容水箱液位控制系統(tǒng)是一 個(gè)使液位保持在一定高度的控制系統(tǒng)。它采用的控制方法是PID 控制。先用水泵給水箱抽水，改變電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度來控制水的 流量從而控制水箱液位的高度。并選用壓力傳感器對(duì)液位高度進(jìn) 行測(cè)量，將測(cè)量的值傳輸給系統(tǒng)并與系統(tǒng)的給定值進(jìn)行比較，通 過改變PID的控制參數(shù)，使測(cè)量值能夠跟隨系統(tǒng)給定值，實(shí)現(xiàn)對(duì) 液位的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和控制。系統(tǒng)采用的PID控制器在模擬過程控制中，數(shù)字PID控制算 式為：u(k) =

4、 Kpe(k)+1 寸 e(j)+%(k) -e(k-1)TiTj=o式中：T采樣周期e(k)系統(tǒng)第k次采樣時(shí)刻的偏差值e(k-1)系統(tǒng)第(k-1)次采樣時(shí)刻的偏差值u (k)第k時(shí)刻的控制輸出k為采樣序號(hào)，k=0, 1, 2o過程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)備包含有：不銹鋼儲(chǔ)水箱；上、中、下三個(gè)串接有機(jī) 玻璃圓筒型水箱；三相4.5KW電加熱鍋爐(由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加 溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼冷卻鍋爐夾套構(gòu)成)和鋁塑盤管組成。系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)有兩套：一套由三相(380V交流)不銹鋼磁力 驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪流量計(jì)等組成;另一套由 日本三菱變頻器、三相不銹鋼磁力驅(qū)動(dòng)泵(220V變頻)、渦輪流

5、量 計(jì)等組成。整套對(duì)象系統(tǒng)完全由不銹鋼材料制造，包括對(duì)象框架、管道、 底板，甚至小到每一顆緊固螺釘。對(duì)象系統(tǒng)中的各類檢測(cè)變送及執(zhí)行裝置擴(kuò)散硅壓力變送器三只：分別檢測(cè)上水箱、中水箱、下水 箱液位；渦輪流量計(jì)三只：分別檢測(cè)兩條動(dòng)力支路及盤管出水口的 流量；Pt100熱電阻溫度傳感器六只：分別用來檢測(cè)鍋爐內(nèi)膽、鍋 爐夾套、盤管(三只)及上水箱出水口水溫；控制模塊：包含三相可控硅移相調(diào)壓裝置、電磁閥、電動(dòng) 調(diào)節(jié)閥、三菱變頻器各一個(gè)；接觸器位式控制裝置、三相380V不銹鋼磁力驅(qū)動(dòng)泵、三相220V 不銹鋼磁力驅(qū)動(dòng)泵。上位監(jiān)控PC機(jī)“THJ-2型高級(jí)過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”配置一臺(tái)上位監(jiān)控PC機(jī)，PC機(jī)上安裝

6、有工控組態(tài)軟件（MCGS、組態(tài)王可選），通過 RS232/485轉(zhuǎn)換器、儀表控制臺(tái)側(cè)面的RS485總線接口與所有的儀 表進(jìn)行通訊。我們可對(duì)下位儀表各參數(shù)進(jìn)行設(shè)定、修改PID控制 參數(shù)，并能觀察被控參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線，SV設(shè)定值、PV 測(cè)量值、OP輸出值，各實(shí)驗(yàn)都設(shè)有動(dòng)態(tài)變化棒圖顯示和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。3調(diào)試系統(tǒng)單容水箱液位控制系統(tǒng)的調(diào)試主要包括以下各部分：調(diào)試控 制對(duì)象、調(diào)試檢測(cè)裝置、調(diào)試執(zhí)行裝置、調(diào)試控制器以及PID調(diào) 試。由于控制對(duì)象、檢測(cè)裝置、執(zhí)行裝置、控制器都是由生產(chǎn)廠 家調(diào)試好了的，在成功運(yùn)行這些裝置的情況下，主要是調(diào)試PID 參數(shù)?？刂茖?duì)象圓筒形有機(jī)玻璃上水箱（200 X 330mm

7、）的水箱液位。檢測(cè)裝置擴(kuò)散硅壓力液位變送器工作原理：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)（液體）的壓力作用于傳感器時(shí)，壓 力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)歸一化差分放大和輸V/A 電壓、電流轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成與被測(cè)介質(zhì)（液體）的液位壓力成線 性對(duì)應(yīng)關(guān)系的420mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。水箱液位傳感器的校準(zhǔn)：水箱液位傳感器測(cè)量范圍：010Kpa； 24VDC電源供電，420mA 電流輸出，兩線制接法。校準(zhǔn)前先打開電源總開關(guān)，接通24V開 關(guān)電源，檢查直流電壓是否為24V，用萬用表在接線口測(cè)量確認(rèn)。 確認(rèn)后可以開始校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方法：零位校準(zhǔn)（15V對(duì)應(yīng)液位01000mm）打開閥L01 （R01）,排空上水箱中的水后，關(guān)閉閥L01（

8、R01）。用萬用表20V直流電壓檔測(cè)量I/O信號(hào)面板上的上水箱液位的電壓值，此時(shí)上水箱液位為零，調(diào)節(jié)上水箱液位傳感器 的Z（zero）電位器，使測(cè)量的電壓值為1.00V。增益校準(zhǔn)：打開單相水泵的220V供電電源開關(guān)，上水箱開始進(jìn)水。當(dāng)上水箱液位達(dá)到溢流口時(shí)，關(guān)閉單相水泵電源開關(guān)，從水箱刻度尺上讀出測(cè)量值?？慈f用表20V直流電壓檔測(cè)量的 上水箱液位的電壓值，測(cè)量值二（電壓值-1）X 250mm，若不是， 調(diào)節(jié)上水箱液位傳感器的R （增益）電位器，使電壓值經(jīng)過換算后 和測(cè)量值吻合。重復(fù)步驟1）、2），復(fù)調(diào)零位和增益。直到液位為零時(shí)電壓顯 示為1V，最大值時(shí)電壓與實(shí)際測(cè)量值吻合。注：調(diào)好以后就不 再

9、調(diào)。注：液位傳感器的校準(zhǔn)一般在出廠前已完成。執(zhí)行裝置：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥QSTP-16K智能電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥主要技術(shù)參數(shù)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)型式：智能型直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入信號(hào)：010mA/420mADC/05VDC/15VDC輸入阻抗：250Q /500Q輸出信號(hào)：420mADC輸出最大負(fù)載：5000信號(hào)斷電時(shí)的閥位：可任意設(shè)置為保持/全開/全關(guān)/0100%間 的任意值電源：220V10%/50Hz控制器單回路上水箱液位控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個(gè) 調(diào)節(jié)對(duì)象上用一個(gè)調(diào)節(jié)器來保持一個(gè)參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接 受一個(gè)測(cè)量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)所要保 持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)

10、是控制上小水箱 液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個(gè)閉環(huán)反 饋單回路液位控制，當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調(diào)節(jié) 器的參數(shù)，一個(gè)單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞 與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來 滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會(huì)使控制 質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期效果。因此，當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)組成好以 后，如何整定好控制器參數(shù)是一個(gè)很重要的實(shí)際問題。一個(gè)控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)我們知道，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個(gè) 有差系統(tǒng)，比例度6的大小不僅會(huì)影響到余差的大小，而且也與 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性

11、能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的 作用，不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)6，Ti調(diào)節(jié)合理， 也能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是 在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差 存在，又能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。在單位階 躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖4-2中的曲 線、所示。圖2 P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線4.PID參數(shù)調(diào)節(jié)PID參數(shù)的整定有兩種可用的方法，理論設(shè)計(jì)法及實(shí)驗(yàn)確定 法。用理論設(shè)計(jì)法確定PID控制參數(shù)的前提是要有被控對(duì)象準(zhǔn)確 的數(shù)學(xué)模型，這在工業(yè)過程中是很難做到的。因此，用實(shí)驗(yàn)確定 法

12、來選擇PID控制參數(shù)的方法便成為經(jīng)常采用而行之有效的辦法。 根據(jù)所學(xué)知識(shí)及實(shí)際情況考慮，本次系統(tǒng)的PID參數(shù)調(diào)試采用試 湊法。試湊法是通過仿真或?qū)嶋H運(yùn)行，觀察系統(tǒng)對(duì)典型輸入作用的 響應(yīng)曲線，根據(jù)各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)調(diào)節(jié)試湊，直到 滿意為止，從而確定PID參數(shù)。我們知道，PID控制器各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響是；增大開環(huán)比例 系數(shù)Kp，一般將加快系統(tǒng)的影響速度，在有靜差的情況下則有利 于減小靜差；但過大的比例系數(shù)又會(huì)加大系統(tǒng)超調(diào)，甚至產(chǎn)生振 蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。在試湊時(shí)，實(shí)行先比例、后積分、再微分的反復(fù)調(diào)整。其步驟如下:1）整定比例部分先置PID控制器中的T1=8、T2=0,使之成為比例控制器，

13、再將比例系數(shù)Kp由小變大，觀察相應(yīng)的響應(yīng)，使系統(tǒng)的過渡過程 達(dá)到4:1的衰減振蕩和較小的靜差。如果系統(tǒng)靜差已小到允許范圍 內(nèi)，并且已達(dá)到4： 1衰減的響應(yīng)曲線，那么只需用比例控制器既 可，最優(yōu)比例度就由此確定。2）加入積分環(huán)節(jié)如果只用比例控制，系統(tǒng)的靜差不能滿足要求，則需加入積 分環(huán)節(jié)。整定時(shí)，先將比例系統(tǒng)減小10-20%，以補(bǔ)償因加入積 分作用而引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，然后由大到小調(diào)節(jié)Ti，在保持 系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下消除靜差。這一步可以反復(fù)進(jìn)行，以 期得到滿意的效果。3）加入微分環(huán)節(jié)在整定時(shí)，先置T為零，然后，在第2步整定的基礎(chǔ)上再增 大T，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)K和積分時(shí)間T，逐步試湊

14、以獲得 的控制效果和控制參數(shù)。4調(diào)試結(jié)果在系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試成功后，運(yùn)行MCGS軟件，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上通 過PID試湊法經(jīng)過多次調(diào)節(jié)，較為理想的一組PID值為：P=18.00， Ti=95.0，Tp=0.0，其曲線如下圖所示：圖3調(diào)試曲線圖心得體會(huì)經(jīng)過為期1周的單容水箱控制系統(tǒng)工程實(shí)踐訓(xùn)練，進(jìn)一步理解 和掌握了計(jì)算機(jī)過程控制這門課的基本理論和實(shí)驗(yàn)方法。在沈細(xì) 群老師的精心指導(dǎo)和同學(xué)們互相團(tuán)結(jié)協(xié)作下得以圓滿地完成了此 次訓(xùn)練任務(wù)。通過工程實(shí)踐訓(xùn)練，增強(qiáng)了我的學(xué)習(xí)能力，提高了 將理論知識(shí)用于分析實(shí)踐問題和解決具體問題的能力。學(xué)習(xí)對(duì)實(shí) 際系統(tǒng)的檢修調(diào)試方法，積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，近一步縮短教學(xué)與生 產(chǎn)實(shí)際的距離，為畢業(yè)后順利參加工作打下良好基礎(chǔ)。同時(shí)也學(xué) 到了很多新的知識(shí)，開闊了視野。在這一過程中，我一直嚴(yán)格要 求自己，認(rèn)真對(duì)待此次實(shí)踐訓(xùn)練，力求理論與實(shí)踐像結(jié)合，達(dá)到 學(xué)以全用的效果。此次實(shí)踐訓(xùn)練中遇到了許許多多的困難，但在 老師的詳細(xì)