單容液位定值控制系統(tǒng)

1、第二節(jié) 單容液位定值控制系統(tǒng)一、實驗目的1了解單容液位定值控制系統(tǒng)的結構與組成。2掌握單容液位定值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定和投運方法。3研究調(diào)節(jié)器相關參數(shù)的變化對系統(tǒng)靜、動態(tài)性能的影響。4了解P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對液位控制的作用。5掌握同一控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現(xiàn)過程。二、實驗設備（同前）三、實驗原理圖3-6 中水箱單容液位定值控制系統(tǒng)(a)結構圖 (b)方框圖本實驗系統(tǒng)結構圖和方框圖如圖3-6所示。被控量為中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，實驗要求中水箱的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT2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

2、制電動調(diào)節(jié)閥的開度，以達到控制中水箱液位的目的。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(diào)節(jié)器應為PI或PID控制。四、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇中水箱作為被控對象。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全開，將中水箱出水閥門F1-10開至適當開度，其余閥門均關閉。具體實驗內(nèi)容與步驟按五種方案分別敘述，這五種方案的實驗與用戶所購的硬件設備有關，可根據(jù)實驗需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1將“SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制”掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/232轉換器

3、連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。圖3-7 智能儀表控制單容液位定值控制實驗接線圖2接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相、單相空氣開關，給智能儀表及電動調(diào)節(jié)閥上電。3打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗三、單容液位定值控制系統(tǒng)”，進入實驗三的監(jiān)控界面。4在上位機監(jiān)控界面中點擊“啟動儀表”。將智能儀表設置為“手動”，并將設定值和輸出值設置為一個合適的值，此操作可通過調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)。5合上三相電源空氣開關，

4、磁力驅動泵上電打水，適當增加/減少智能儀表的輸出量，使中水箱的液位平衡于設定值。6按本章第一節(jié)中的經(jīng)驗法或動態(tài)特性參數(shù)法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，選擇PI控制規(guī)律，并按整定后的PI參數(shù)進行調(diào)節(jié)器參數(shù)設置。7待液位穩(wěn)定于給定值后，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”控制狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表設定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化；（此法推薦，后面三種僅供參考）（2）將電動調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開至適當開度；（3）將下水箱進水閥F1-8開至適當開度；（改變負載）（4）接上變頻器電源，并將變頻器輸出接至磁力泵，然后打開閥門F2-1、F2-4，用變

5、頻器支路以較小頻率給中水箱打水。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或系統(tǒng)不穩(wěn)定。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)定至新的設定值（采用后面三種干擾方法仍穩(wěn)定在原設定值），記錄此時的智能儀表的設定值、輸出值和儀表參數(shù)，液位的響應過程曲線將如圖3-8所示。圖3-8 單容水箱液位的階躍響應曲線8分別適量改變調(diào)節(jié)儀的P及I參數(shù)，重復步驟7，用計算機記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的階躍響應曲線。9分別用P、PD、PID三種控制規(guī)律重復步驟48，用計算機記錄不同控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應曲線。（二）、遠程數(shù)據(jù)采集控制1將“SA-22遠程數(shù)據(jù)采集模擬

6、量輸出模塊”、“SA-23遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸入模塊”掛件掛到屏上，并將掛件上的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/232轉換器連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。圖3-9 遠程數(shù)據(jù)采集控制單容液位定值控制實驗接線圖2接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給智能采集模塊及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相空氣開關，給電動調(diào)節(jié)閥上電。3打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗三、單容液位定值控制”，進

7、入實驗三的監(jiān)控界面。4以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟49。（三）、DCS分布式控制1按照第一章圖1-6用網(wǎng)線和交換機連接操作員站（網(wǎng)卡IP設為128.0.0.2）和服務器（A網(wǎng)卡IP設為128.0.0.1），以及服務器（B網(wǎng)卡設為168.0.0.1）和主控單元，將“SA-31 FM148現(xiàn)場總線遠程I/O模塊”、“SA-33 FM151現(xiàn)場總線遠程I/O模塊”掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)Profibus-DP總線接口上，將控制屏左側Profibus-DP總線連接到主控單元DP口，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置

8、。圖3-10 DCS分布式控制單容液位定值控制實驗接線圖2接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給現(xiàn)場總線I/O模塊及壓力變送器上電，打開主控單元電源。啟動服務器程序，在工程師站的組態(tài)中選擇“單回路控制系統(tǒng)”工程進行編譯下裝，再重啟服務器程序。3啟動操作員站，打開主菜單，點擊“實驗三、單容液位定值控制”，進入實驗三的監(jiān)控界面。在流程圖的液位測量值上點擊左鍵，彈出PID窗口，可進行相關參數(shù)的設置。4按下啟動按鈕，合上單相空氣開關，給電動調(diào)節(jié)閥上電。5以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟59。（四）、S7-200PLC控制1將SA-42 S7-200PLC控制掛件掛到屏上，并

9、用PC/PPI通訊電纜線將S7-200PLC連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。圖3-11 S7-200PLC控制單容液位定值控制實驗接線圖2接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相、空氣開關，給S7-200PLC及電動調(diào)節(jié)閥上電。3打開Step 7-Micro/WIN 32軟件，并打開“S7-200PLC”程序進行下載，然后將S7-200PLC置于運行狀態(tài)，然后運行MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“S7-200PLC控制系統(tǒng)”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗三、

10、單容液位定值控制”，進入實驗三的監(jiān)控界面。4以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟49。（五）、S7-300PLC控制1將掛件SA-41 S7-300PLC控制掛件掛到屏上，并用MPI通訊電纜線將S7-300PLC連接到計算機CP5611專用網(wǎng)卡，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。圖3-12 S7-300PLC控制單容液位定值控制實驗接線圖2接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給S7-300PLC及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相空氣開關，給電動調(diào)節(jié)閥上電。3打開Step 7軟件，打開“S7-300”程序進行下載

11、，然后將S7-300PLC置于運行狀態(tài)，然后運行WinCC組態(tài)軟件，打開“S7-300PLC控制系統(tǒng)”工程，然后激活WinCC運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗三、單容液位定值控制”，進入實驗三的監(jiān)控界面。4以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟49。五、實驗報告要求1畫出單容水箱液位定值控制實驗的結構框圖。2用實驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關參數(shù)，寫出整定過程。3根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的靜、動態(tài)性能。4比較不同PID參數(shù)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。5分析P、PI、PD、PID四種控制規(guī)律對本實驗系統(tǒng)的作用。6綜合分析五種控制方案的實驗效果。六、思考題1如果采用下水箱做實驗，其響

12、應曲線與中水箱的曲線有什么異同？并分析差異原因。2改變比例度和積分時間TI對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？第三節(jié) 雙容水箱液位定值控制系統(tǒng)一、實驗目的1通過實驗進一步了解雙容水箱液位的特性。2掌握雙容水箱液位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運方法。3研究調(diào)節(jié)器相關參數(shù)的改變對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。4研究P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對液位系統(tǒng)的控制作用。5掌握雙容液位定值控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現(xiàn)過程。二、實驗設備（同前）三、實驗原理本實驗以中水箱與下水箱串聯(lián)作為被控對象，下水箱的液位高度為系統(tǒng)的被控制量。要求下水箱液位穩(wěn)定至給定量，將壓力傳感器LT2檢測到的中水箱液位信號作為反饋信號，在與給定

13、量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，以達到控制下水箱液位的目的。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(diào)節(jié)器應為PI或PID控制。調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定可采用本章第一節(jié)所述任意一種整定方法。本實驗系統(tǒng)結構圖和方框圖如圖3-13所示。圖3-13 雙容液位定值控制系統(tǒng)(a)結構圖 (b)方框圖四、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇中水箱和下水箱串聯(lián)作為雙容對象（也可選擇上水箱和中水箱）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-7全開，將中水箱出水閥門F1-10、下水箱出水閥門F1-11開至適當開度（要求閥F1-10稍大于閥F1-11），其余閥門均關閉。具體實驗內(nèi)容與步驟可根據(jù)本實驗的目的與原理參照前一節(jié)單容液位定值控制中的相應方案進行。實驗的接線與第二章第一節(jié)單容對象特性測試的接線圖完全一樣。值得注意的是手自動切換的時間為：當中水箱液位基本穩(wěn)定不變（一般約為35cm）且下水箱的液位趨于給定值時切換為最佳。五、實驗報告要求1畫出雙容水箱液位定值控制實驗的結構框圖。2用實驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關參數(shù)，寫出整定過程。3根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作