过程控制大实验.pdf

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1、实实 验验 报报 告告课程名称：课程名称：过程控制实验过程控制实验实验名称：实验名称：水箱液位控制系统目目录录一、系统概论一、系统概论.3二、对象的认识二、对象的认识.4三、执行机构三、执行机构.14四、单回路调节系统四、单回路调节系统.15五、串级调节系统五、串级调节系统.17六、串级调节系统六、串级调节系统.18七、前馈控制七、前馈控制.20八、软件平台的开发八、软件平台的开发.21一、一、系统概论系统概论1.11.1 实验设备实验设备1.1.11.1.1 组成器件组成器件图 1.1 实验设备正面图图 1.2 实验设备背面图本实验设备包含水箱、加热器、变频器、泵、电动阀、电磁阀、进水阀、出

2、水阀、增压器、流量计、压力传感器、温度传感器、操作面板等。1.1.21.1.2 铭牌铭牌加热控制器：功率 1500w，电源 220V（单相输入）泵：Q40-150L/min，H2.5-7m，Hmax2.5m，380V，VL450V，IP44，50Hz，2550rpm，1.1kw，HP1.5，In2.8A，ICL B全自动微型家用增压器：型号 15WZ-10，单相电容运转马达最高扬程 10m，最大流量 20L/min，级数 2，转速 2800rmp，电压 220V，电流 0.36A，频率 50Hz，电容 3.5F，功率 80w，绝缘等级 ELWY-C 型涡轮流量计：口径 4-200mm，介质温度

3、-20+100，环境温度-20+45，供电电源+24V，标准信号输出 4-20mA，负载 0-750，精确度0.5%Fs 1.0%Fs，外壳防护等级 IP65压力传感器 YMC303P-1-A-3RANGE 0-6kPa，OUT 4-20mADC，SUPPLY 24VDC，IP67，RED SUP+，BLUE OUT+/V-SBWZ 温度传感器 PT100量程 0-100，精度 0.5%Fs，输出 4-20mADC，电源 24VDC智能电动调节阀型号 2DYP-16P压力 1.6MPa，输入信号 4-20mA，口径 2.5mm，电源 220V，反馈信号 4-20mA，阀门控制精度 0.1%-8

4、%可调电磁阀 MODEL UW-15，VOLTS 220V，ORIFICE 15，CYCLES 60Hz，PIPESIZE 1/211，OFERATING PRESSURE MINI 0kg/cm2MAX 8kg/cm2交流变频器功率 1500w，电源 220V（单相输入）380V（三相输入）1.21.2 电气接线图电气接线图见最后一页1.31.3 操作面板图操作面板图控制面板中有 4 个 P909 仪表，以及执行机构和变送器的接口。每个 P909 有 4 组接口，分别为（PV，4-20mA），（外给定，4-20mA），（OUT，4-20mA），（报警）。PV 为测量值的输入口，即在闭环回路中

5、为反馈值的输入口，该接口一般与变送器相连。外给定为该 P909 的给定值是由其他仪器给定，而非手动人为调节，在串级控制中为外环的输出口与内环给定的接口。OUT 为该 P909 的输出值。实验中用到的执行机构和变送器为电动阀、电动阀开度变送器、液位变送器。二、二、对象的认识对象的认识2.12.1 对液位系统的认识对液位系统的认识本系统的是由水箱、进水阀、出水阀、泵、压力表、电动阀等组成。2.22.2实验软件实验软件2.2.12.2.1 程序安装程序安装打开安装包选择安装力控 ForceControl 6.1进入安装向导根据向导提示进行安装直到结束，点击完成同理安装驱动程序直至完成在本地计算机安装

6、文件夹下找到IO Severs，将 P909 驱动程序文件夹拷贝到力控安装目录下的“IO Servers”文件夹下然后把力控教学平台复制到Project 文件夹下2.2.22.2.2 程序运行及配置程序运行及配置打开软件点击搜索，选择力控教学平台单击开发进入，点击忽略后软件主界面在 IO 设备组态中配置设备参数完成所有设备配置后，全部编译并运行登陆2.3 P9092.3 P909 的认识和应用的认识和应用与本实验有关的一些功能操作：设定 SV 值各阶层参数说明PV 高点和低点校正Level3 层中外给定高点和低点校正Level3 层中故障与排除2.42.4 对象建模对象建模为了实现对水箱的建模

7、，应该在断开所有的控制器的情况下让水箱获得自然平衡点。利用 P909 手动控制电动阀的开度，保持出水阀的开度不变，手动调节进水阀的开度，使得液位逐渐达到平衡点。在液位到达第一个平衡点之后保持进水阀和出水阀的开度不变，通过P909 手动增大电动阀的开度。（这里之所以实用电动阀来控制输入量是因为电动阀的是线性的，而进水阀是非线性的，从而电动阀的开度该变量是可以量化的）由于开度的增大，进水量必然会增大，但是由于液位不断升高，出水量也会随之增大，最终进水量与出水量相等从而液位重新达到平衡点。这个过程的液位-时间曲线称为飞升曲线。通过飞升曲线可以估计出水箱的模型结构，并且通过分析该曲线的数据可以得到模型

8、的相关参数。控制面板的连线如图 2.1。P909 的(OUT，4-20mA)接电动阀的接口，（PV，4-20mA）接电动阀开度变送器的接口。手动调节输出值OUTL 来控制电动阀开度。在实验中，电磁阀的开度由30%增大到50%，平衡点的液位高度由58.4mm增高到64.8mm。飞升曲线如图 2.2。图 2.1 建模连线图图 2.2 飞升曲线由图 2.2 可以看出水箱的模型为一节惯性系统，其传递函数为其中，K=64.858.45030K,Ts+1=0.32mm/%，T=4.6min=276s0.32276s+1所以水箱的传递函数为三、三、执行机构执行机构本实验的执行机构为电动阀。下面的工作是探究电

9、动阀的传递函数。将 P909 的（PV，4-20mA）接到电动阀开度变送器的接口，（OUT，4-20mA）接到电动阀的接口，连线如图 3.1。图 3.1 电动阀连线图在软件平台上观察电动阀开度从0%-100%以及不同开度的变化曲线（图 3.2），从而得出传递函数。图 3.2 电动阀开度调节曲线从图 3.2 可以得出，电动阀的开度变化和时间是线性关系，设为 开度=kt，进一步分析曲线知 k=100/(0.860)=2.1，所以开度（%）=2.1t，传递函数为2s2.1四、四、单回路调节系统单回路调节系统4.14.1 单回路调节系统方框图单回路调节系统方框图图 4.1 单回路调节方框图4.2 PV

10、4.2 PV 校正校正通过测量知：低水位 10mm，对应的液位变送器值为 7mA；高水位 510mm，对应的液位变送器值为 20mA。由于此处需要有一个量程的变换，即 4-20mA0-100，所以 7mA20,20mA100。在校正 PV 时，需要两个 P909（A 和 B），连线如图 4.2。先将 A 调到手动模式，手动设置OUTL 为 20，使B 进入到 level3，在ANL1 中调节 SV 的大小使 PV 值为 10。再先将 A 手动设置 OUTL 为 100，使 B 进入到 level3，在 ANH1 中调节 SV 的大小使 PV 值为 510。通过以上两步，完成高点和低点的PV 校

11、正。图 4.2 单回路 PV 校正4.34.3 实验过程实验过程Step1：控制面板连线。按照单回路方框图，P909 的（PV，4-20mA）接到液位变送器，接口，（OUT，4-10mA）接到电磁阀接口。如图4.3。图 4.3 单回路控制面板连线图Step2：由于在实际的过程控制中被控量是不可能大幅度变化的，所以在对控制的效果进行评判时是观察在给定值附近的控制效果是否理想。例如，实验时设定液位从100mm 升到200mm，而为了模拟实际情况，我们应该观察从 180mm 到液位稳定这段时间的控制效果。基于以上的分析，在实验中我们分两步进行，手动与自动相结合。首先，当液位低于 180mm时，手动设

12、置 OUTL 为 100（即电动阀开度最大），使液位快速上升。当液位达到 180mm 时，切换到自动调节，根据设定的参数进行PID 调节，使液位最终稳定。4.44.4 实验结果实验结果经过不断的 PID 参数调整，最终我们获得如下的PID 参数：P=8.5，I=43，D=0。调节效果如图 4.4 所示。图 4.4 单回路 PID 调节从上图可以看出效果还是不错的，有一个超调，之后就进入稳态，超调量为217 200 100%=8.5%200如果忽略扰动（电流波动，液位晃动等），基本上是没有静差的。五、五、串级调节系统串级调节系统5.15.1 串级调节系统方框图串级调节系统方框图图 5.1 串级调

13、节方框图5.2 PV5.2 PV 校正校正5.1.15.1.1 主控制器的主控制器的 PVPV 校正校正主控制器的测量值为液位，所以它的PV 校正和单回路 PV 校正相同，控制面板连线见图4.2。5.1.25.1.2 副控制器的副控制器的 PVPV 及外给定校正及外给定校正串级控制系统比单级控制系统多一个控制器，即副控制器。副控制器的给定值是主控制器的输出值，反馈值是电磁阀开度，所以副控制器需要PV 校正和外给定校正。PV 校正：副控制器的 PV 校正的连线和单回路 PV 校正相同，先将主控制器调到手动模式，手动设置 OUTL 为 0，使副控制器进入到 level3，在 ANL1 中调节 SV

14、 的大小使 SV 值为 0。再先将主控制器手动设置OUTL 为 100，使副控制器进入到 level3，在 ANH1 中调节 SV 的大小使 SV 值为 100。通过以上两步，完成高点和低点的PV 校正。外给定校正：主控制器的输出值即电动阀开度的给定值，所以外给定校正的连线图如图5.2。先将主控制器调到手动模式，手动设置 OUTL 为 0，使副控制器进入到 level3，在 ANL2中调节 SV 的大小使 PV 值为 0。再先将主控制器手动设置 OUTL 为 100，使副控制器进入到level3，在 ANH2 中调节 SV 的大小使 PV 值为 100。通过以上两步，完成高点和低点的外给定校正

15、。图 5.2 外给定校正六、六、串级调节系统串级调节系统6.16.1 实验过程实验过程Step1：控制面板连线。按照单回路方框图，主控制器的（PV，4-20mA）接到液位变送器，接口，（OUT，4-10mA）接到副控制器的（外给定，4-20mA）；副控制器的（PV，4-20mA）接到电磁阀开度变送器，（OUT，4-10mA）接到电磁阀接口。如图6.1。图 6.1 串级控制连线图Step2：串级控制系统中有两个 PID 控制器，在调节参数时不应该同时调节，而是应该先调节副控制器再调节主控制器。对于副控制器的要求是响应速度快，电磁阀的开度要能跟得上给定值，所以副控制器的 PID 参数要求为放大倍数

16、比较大，积分时间比较小。对于主控制器的要求是输出的开度调节幅度不能太大，反应速度应该比副控制器慢，所以主控制器的PID 参数要求是放大倍数比较小，积分时间比较大。（注：P909 中的 P 为比例度，为放大倍数的倒数，所以在调节参数时应该是主控制器的P 比较大，副控制器的 P 比较小。）Step3：与单回路调节系统相同，由于在实际的过程控制中被控量是不可能大幅度变化的，所以在对控制的效果进行评判时是观察在给定值附近的控制效果是否理想。（本实验为300mm）6.26.2 实验结果实验结果经过不断的 PID 参数调整，最终我们获得如下的PID 参数：主控制器 P=20，I=50，D=0；副控制器 P

17、=0.1，I=1，D=0。调节效果如图 6.2 所示。图 6.2 串级控制 PID 调节通过串级控制，液位稳定在300mm，没有静差。超调量为205 300 100%=5%300 2006.36.3 单回路与串级调节系统的对比单回路与串级调节系统的对比单回路串级由给定期望值两种系统的过渡曲线可知：单回路调节的超调量为8.5%，串级调节的超调量为5%，串级调节比单回路调节的超调量小。串级调节的过渡时间比单回路调节长。两者都能使输出量稳定并且无静差，但是由于负调节器实现对被控对象的粗调，粗调的准确性影响到过渡过程的稳定性，因此过渡过程曲线有小幅的波动。（从上图中可能看不出串级波动大是因为单回路的图像比串级的图像放大的倍数更大）。由于本实验的液体流量控制通道的滞后性小，所以并不能看出串级控制相较于单回路控制的优势。但是在滞后比较大的系统中，串级控制由于副控制器的快速调节可以使得液位控制更加快速，稳定。七、七、前馈控制前馈控制7.17.1 扰动扰动本实验中的扰动主要为进水量和出水量的扰动。进水量的变化可能是由于泵的转速变化导致进水流量变化，出水量的变化可能是由于出水阀的开度变化导致出水流量的变化。进水流量的扰动应该在副控制器中抑制，出水流量的扰动应该在主控制器中抑制。7.27.2 前馈控制方框图前馈控制方框图八、八、软件平台的开发软件平台的开发图 8.1 主菜单图 8.2 串级控制界面