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.docx

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.docx

《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.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《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.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

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

过程控制系统课设

学院：

班级：

学号：

姓名：

指导老师：

日期：

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

2.4.2P、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

2.6PID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1.1

1.2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1.2

1.2.2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、变频器。

图1.4

1.2.4部分I/O面板

图1.5

图1.6

1.2.5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2.1

2.2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。

2.4.2P、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。

2.6PID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10～20%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1/3～1/4。

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，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τ，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LT103

3.2上位组态

组态流程图界面，如图3.3所示

图3.3

3.3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）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=0

P=22，I=

D=0

图3.4

P=22，I=

D=0

P=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=0

P=22，I=20,D=0

图3.6

P=22，I=8,D=0

P=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=4

P=22，I=20,D=8

图3.8

P=22，I=20,D=2

P=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；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4.2

4.2上位组态

组态流程图界面，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（D＝0）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SP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=3

P1=22，I=20，D=0；P2=1

P1=22，I=20，D=0；P2=2

图4.4

2）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FT103

5.2上位组态

组态流程图界面，如图5.3所示

图5.3

5.3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）输出连接到控制器AI0，将支路1流量变送器（FT-101）输出连接到控制器AI1，调节阀FV-101控制端连接到AO0，变频器控制端连接到AO1。

变频器通过AO1手操控制。

3）启动变频器，运转水泵P101。

4）设定K=0，然后设置PID控制器参数。

5）设定K值，得到满意的响应曲线。

5.4测试结果及分析

1）选择合适的P值，响应曲线图如图5.4、图5.5所示

P=22，I=20，D=0；K=1.5

图5.4

P=22，I=20，D=0；K=3

图5.5

2）分析：

要实现系统对扰动的完全补偿，可根据公式：

，但是这只是在静态关系上达到全补偿，而没考虑动态关系，所以得到的响应曲线效果很差。

如果要达到动态全补偿，还要考虑到各个环节的动态特性。

第六章总结

通过这次实验室调试，我了解到了PID调节器的参数整定的方法，深化了我对过程控制系统的理解。

在实验里，我们观摩模拟真实环境的过程控制，了解了现场系统的结构，以及对现场系统进行几个控制规律具体调试操作的实践。

在实验中，我们利用课本上学到的比例、积分及微分作用对系统性能的影响的相关知识，根据所获得的响应曲线进行P、I、D参数地整定，从而进一步得到满意的响应曲线。

同时，在PID调节器整定的过程中，我对比例积分微分对系统性能的影响有更深的理解，提高了对课本知识的融合。

在实践操作过程中，我认识到理论与实际的差距，再好的理论设计也需要通过实践来检验和校正，这样才能更好地作用于实践。

总之，经过这次实验操作，我受益匪浅。