過程控制上水箱液位與進(jìn)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(shí)驗(yàn)原理 42.1 單容水箱設(shè)備工作原理42.2 雙容水箱設(shè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 113.1 實(shí)驗(yàn)過程 113.2 實(shí)驗(yàn)分析 123.2.1 單容水箱實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 123.2.2 雙容水箱實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 143.2.3 單容雙容水箱比較163.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 173.4 18參考文獻(xiàn) 1925 / 261 過程控制系統(tǒng)簡介1.1 系統(tǒng)組成本實(shí)驗(yàn)裝置由被控對象和上位控制系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)動力支路分兩路：一路由三相（ 380V 交流）磁力驅(qū)動泵、電動調(diào)節(jié)閥

2、、直流電磁閥、 PA 電磁流量計 及手動調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動泵（ 220V 變頻）、渦輪流量 計及手動調(diào)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(nèi)部有兩個橢圓形塑料過濾網(wǎng)罩，防止兩套動力支路進(jìn)水時有雜物進(jìn)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(zhì)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(kuò)散硅壓力變送器，擴(kuò)散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時采用 信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳

3、感器分別用來對調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進(jìn)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(jìn)行測量，調(diào)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(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥：采用 SIEMENS 帶 PROFIBUS-PA 通訊協(xié)議的電動調(diào)節(jié)閥，用來進(jìn)行控制回路流量的調(diào)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(diǎn)。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 AC220V ，輸出為三相 AC220V 。水泵：

4、本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為16CQ-8P ，流量為32 升/分，揚(yáng)程為8米，功率為 180W 。可移相SCR調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為420mA標(biāo)準(zhǔn)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(diào)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/cm 2,最大壓力為7Kg/cm 2 ;工 作溫度：580C。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(jìn)行多點(diǎn)通訊功能的 MPI 接口，又具有PROFIBUS-DP 通訊功能的 DP

5、 通訊接口。5、空氣壓縮機(jī)1.2 電源控制臺電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護(hù)，帶有漏電保護(hù)空氣開關(guān)、電壓型漏電保護(hù)器、電流型漏電保護(hù)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(yù)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(gòu)成：(1 控制系統(tǒng)供電板：該板的主要作用是把工頻AC220V 轉(zhuǎn)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(wǎng)通訊模塊、 DP 鏈路、分布式I/ODP從站和變頻器DP從站構(gòu)成。(3溫度變送器：PA溫度變送器把PT100的檢測信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后傳送給

6、DP 鏈路。2 實(shí)驗(yàn)原理2.1 單容水箱設(shè)備工作原理單容實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖 1 所示。被控量為中水箱的液位高度，實(shí)驗(yàn)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(diào)節(jié)器控制氣動調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到控水箱液位的目的。為了實(shí)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(diào)節(jié)器應(yīng)為 PI 或 PID 控制。圖2.1單容水箱圖(a結(jié)構(gòu)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，不需要操作人員或儀表等干

7、預(yù)，依靠起自身重新恢復(fù)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Q2。液位 h 的變化反映了 Q1與Q 2不等而引起貯罐中蓄水或泄水的過程.若Q1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(xué)模型就是h與Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有Q 1-Q 2=A將公式(2-1)表示成增量式為dh dt (2-1?Q 1-?Q 2=A d ?hdt (2-2在靜態(tài)時，Q 1=Q 2；當(dāng)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，Q2也發(fā)生變

8、化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位 h與流量之間為非線形關(guān)系2。但為了簡化起見，經(jīng)線形變化，則可近似認(rèn)為 Q 2與h 成正比關(guān)系，而與閥2的阻力R 2成反比。為了求單容過程的數(shù)學(xué)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。(a )圖2-2液位被控過程及其階躍響應(yīng)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 過程的容量系數(shù)，或稱過程容量。被控

9、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(yīng)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(chǎn)過程中，過程的純時延問題是經(jīng)常碰到的。如皮帶運(yùn)輸機(jī)的物料傳 輸過程，管道輸送、管道反應(yīng)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(yīng)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(dāng)進(jìn)水閥開度產(chǎn)生擾動 后，Q1需要流經(jīng)管道長度為l的傳

10、輸時間t0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(yīng)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(yīng)曲線在形狀上完全相同，僅差一純時延 t 0o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 W0(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(yù)，依靠其自身能力不能重新恢復(fù)平衡的過

11、程。2.2 雙容水箱設(shè)備工作原理雙容實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖1所示。被控量為上水箱的液位高度，實(shí)驗(yàn)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(diào)節(jié)器控制氣動調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到控水 箱液位的目的。為了實(shí)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(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。圖2.5雙容水箱圖（a結(jié)構(gòu)圖（b方框圖在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控過程往往是由多個容積和阻力構(gòu)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(xué)模型的方法。其被控量是第二只水箱的液位h 2，輸入量為 Q 1 與上述分析方法相同

12、，根據(jù)物料平衡關(guān)系可以列出下列方程?Q 1 -?Q 2=C 1d ?h 1 (2-5 dt?Q 2=?h 1R 2 (2-6 d ?h 2dt (2-7 ?Q 2-Q 3=C 2?Q 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(jìn)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

13、階躍變化時，被控量h 2 的響應(yīng)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(jīng)過一段時延之后才達(dá)到最大值。即多容過程對于擾動的響應(yīng)在時間上存在時延，被稱為容量時延。產(chǎn)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(yīng)時間向后推移。容量時延可用作圖法求得，即通過h 2 響應(yīng)曲線的拐點(diǎn) D 作切線，與時間軸相交與A ，與 h 2 相交與 C ， C 點(diǎn)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(chǎn)生階躍變化時，液位h

14、 2并不立即以最大的速度變化，由于中間具有容積和阻力。 h 2 對擾動的響應(yīng)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(xué)模型為W 0(s =11 (2-11 T 0s (Ts +1 n當(dāng)然無自衡多容過程具有純時延時，則其數(shù)學(xué)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(diào)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

15、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H 等于給定值，因而系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)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(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出的變化規(guī)律，以達(dá)到對主控制量H 的控制目的，因而副調(diào)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(qiáng)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(dāng)主擾動(二次擾動)作用于副回路時，通過副回路快速的調(diào)節(jié)作用消除了擾動的影響。2.4 控制系統(tǒng)流程

16、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(shí)驗(yàn)主要涉及三路信號，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(shí)驗(yàn)中的上水箱液位信號是標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)中的流量檢測裝置（電磁

17、流量計）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（閥門定位器）均為帶PROFIBUS-PA 通訊接口的部件，掛接在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(jīng)PROFIBUS-DP總線到達(dá) PROFIBUS-PA 總線，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門定位器。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析3.1實(shí)驗(yàn)過程本實(shí)

18、驗(yàn)選擇上水箱和氣動調(diào)節(jié)閥支路組成審級控制系統(tǒng)（也可采用變頻器支路）。實(shí)驗(yàn)之前先將儲水箱中貯足水量，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(dāng)開度，其余閥門均關(guān)閉。1、接通控制系統(tǒng)電源，打開用作上位監(jiān)控的的 PC機(jī)，進(jìn)入的實(shí)驗(yàn)主界面。2、在實(shí)驗(yàn)主界面中選擇本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)即上水箱液位與進(jìn)水口流量審級控制實(shí) 驗(yàn)”，系統(tǒng)進(jìn)入正常的測試狀態(tài)，呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)界面如圖3.1所示。圖3.1實(shí)驗(yàn)界面3、在上位機(jī)監(jiān)控界面中，將副調(diào)節(jié)器設(shè)置為手動二并將輸出值設(shè)置為一個合適的值。4、合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加 /減少副調(diào)節(jié)器的 輸出量，使上水箱的液位穩(wěn)定于設(shè)定值。5、整

19、定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并按整定得到的參數(shù)對調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)定6、待上水箱進(jìn)水流量相對穩(wěn)定，且其液位穩(wěn)定于給定值時，將調(diào)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(shè)定值的大小，使其有一個正（或負(fù)）階躍增量的變化；（2將氣動調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4 （同電磁閥）開至適當(dāng)開度；（3將閥F1-5、F1-13開至適當(dāng)開度；以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的5%15% ,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(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后，水箱 液位穩(wěn)定于新的設(shè)定值（后面兩種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值）。通過實(shí)驗(yàn)界面下邊的切換按鈕，觀察計算機(jī)記錄的設(shè)定

20、值、輸出值和參數(shù)，上水箱液位的響應(yīng)過程 曲線將如圖3.2所示。圖3.2上水箱液位階躍響應(yīng)曲線3.2 實(shí)驗(yàn)分析3.2.1 單容水箱實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖3.3 PI控制下液位階躍響應(yīng)曲線1在單容水箱條件下，即水管直接對中水箱供水，調(diào)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(yīng)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(shè)置D 參數(shù)為10000，得到的中水箱液位階躍響應(yīng)曲線如圖 3.4 所示。兩圖比較可以看出，階躍響應(yīng)曲線基本沒有改變，故可分析得出：在本次實(shí)驗(yàn)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(yīng)

21、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 的作用，設(shè)置K 參數(shù)為1.5,得到it-w-Mir式時用反怙猾0g |叫我暗|it上禮I翼制3祜下代的中水箱液位階躍響應(yīng)曲線如圖 3.5所示。兩圖比較可以看出，超調(diào)量明顯減小，并且曲線到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時間明顯縮短。圖3.6 PI控制下液位階躍響應(yīng)曲線3在保才！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(shè)置I參數(shù)為200000，得到的中水箱液位階躍響應(yīng)曲線如圖3.6所示。兩圖比較可以看出，超調(diào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖3.7 PI控制下液位階躍響應(yīng)曲線A圖3.8 PI控制下液位階躍響應(yīng)

22、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(shè)置I 參數(shù)為100000，得到的中水箱液位階躍響應(yīng)曲線如圖3.8所示。兩圖比較可以看出，超調(diào)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(yīng)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(shè)置K 參數(shù)為0.1，得到的中水箱液位階躍響應(yīng)曲線如圖3.9所示。兩圖比較可以看出，超調(diào)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(yīng)曲線在比例度，積分時間，微分時間都進(jìn)行的 PID 控制的情況下，其液位階躍響應(yīng)曲線如圖 3.9所示?？梢钥闯觯捎谑请p容水箱，系統(tǒng)存在較大的延遲，進(jìn)行PID 操作不容易得到良好的階躍響應(yīng)曲線。并且由于顯示有限，圖中不能看到完整的到達(dá)穩(wěn)態(tài)的曲線。3.2.3 單容雙