PID液位控制系統(tǒng)單回路反饋

1、過程控制實驗報告學(xué) 院： 學(xué) 號： 姓 名： 實驗指導(dǎo)老師： 日 期：一、 實驗要求與簡介3二、 控制原理4三、 實驗設(shè)備詳細(xì)介紹6四 實驗過程調(diào)試.15五單回路控制系統(tǒng)16六課程總結(jié).16一 實驗要求與簡介要求：設(shè)計液位控制系統(tǒng)，利用實驗室過程控制設(shè)備構(gòu)建單回路PID液位控制系統(tǒng)。了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架，學(xué)習(xí)對象模型建立的方法和技術(shù)、PID參數(shù)整定技術(shù)、自動化儀表選擇相關(guān)技能。根據(jù)實驗條件和系統(tǒng)配置確定實驗過程性能指標(biāo)。綜合考慮抗干擾問題、系統(tǒng)穩(wěn)定性問題、動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)偏差等，對實驗結(jié)果進(jìn)行分析。實驗?zāi)繕?biāo)如下：A. 了解實驗設(shè)備，能夠根據(jù)實物畫出系統(tǒng)框圖；B. 了解和掌握P909自動化儀表的應(yīng)用

2、場合和使用方法；C. 熟悉PID參數(shù)整定技術(shù)，在實驗中正確運(yùn)用，分析參數(shù)整定的作用和效果；D. 熟悉液位控制系統(tǒng)中各種自動化測量點、調(diào)節(jié)閥的相關(guān)技術(shù)參數(shù)；E. 實現(xiàn)單回路液位控制，有基本的系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。液位的自動控制在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的非常普遍，就控制系統(tǒng)本身而言，其含有壓力傳感器、計算機(jī)與采集板組成的控制器、執(zhí)行器（水泵）、控制對象（水箱）等。本次實驗的主要任務(wù)是了解一個完整的液位系統(tǒng)的組成、構(gòu)成液位控制系統(tǒng)的各個部件的工作原理及連接方式、工業(yè)上離散控制系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)、熟悉p909儀表的操作并實現(xiàn)單回路液位控制，有基本的液位調(diào)節(jié)能力。液位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：整個系統(tǒng)主要有水泵、電磁閥、傳感器、水箱組

3、成。由水泵供水，電動閥調(diào)節(jié)流速（實驗系統(tǒng)中還含有手動調(diào)節(jié)閥）通過兩個入水口進(jìn)入水箱，在通過一個出水口進(jìn)入排水箱，之所以用兩個入水口是考慮到進(jìn)水會帶來液位的波動從而給控制器的控制帶來困難所以通過兩個入口從底部進(jìn)水，但雖然減少了液位波動但也造成了一些負(fù)面影響：入水管中的壓強(qiáng)會隨著液位的上升而變大，在實際成產(chǎn)中可能會導(dǎo)致事故。安置在系統(tǒng)中的傳感器將系統(tǒng)的狀態(tài)（溫度，水箱液位，入水管壓強(qiáng)）通過電流形式上傳給上位機(jī)，通過控制器的計算再輸出電流控制執(zhí)行器，如：電動閥的開度，加熱器等從而達(dá)到系統(tǒng)的反饋控制。傳感變送系統(tǒng)傳感器：壓力傳感器：測量液位高度用的壓力傳感器為集成壓力傳感器，通過內(nèi)部電路將壓力信號轉(zhuǎn)化

4、為420mA標(biāo)準(zhǔn)信號傳送給控制器P909。傳感器安裝在容器的底部，傳感器信號傳送至P909。二控制原理控制系統(tǒng)框圖：本系統(tǒng)使用的是PID控制，但PID控制器的參數(shù)與系統(tǒng)所處的穩(wěn)態(tài)工況有關(guān)。一旦工況改變了，控制器參數(shù)的“最佳”值也就隨著改變，這就意味著需要適時地整定控制器的參數(shù)。但PID 參數(shù)復(fù)雜繁瑣的整定過程一直困擾著工程技術(shù)人員。因此研究PID參數(shù)整定技術(shù)具有十分重大的工程實踐意義。在 實時控制中，一般要求被控過程是穩(wěn)定的，對給定量的變化能夠迅速跟蹤，超調(diào)量要小且有一定的抗干擾能力。一般要同時滿足上述要求是很困難的，但必須滿足主 要指標(biāo)，兼顧其它方面。參數(shù)的選擇可以通過實驗確定，也可以通過試

5、湊法或者經(jīng)驗數(shù)據(jù)法得到。PID參數(shù)的整定方法：1用試湊法確定PID控制器參數(shù)試湊法就是根據(jù)控制器各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響程度，邊觀察系統(tǒng)的運(yùn)行，邊修改參數(shù)，直到滿意為止。 一 般情況下，增大比例系數(shù)Kp會加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有利于減少靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩使穩(wěn)定性變差。減小積分系數(shù)KI將 減少積分作用，有利于減少超調(diào)使系統(tǒng)穩(wěn)定，但系統(tǒng)消除靜差的速度慢。增加微分系數(shù)KD有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)，是超調(diào)減少，穩(wěn)定性增加，但對干擾的抑制能力 會減弱。在試湊時，一般可根據(jù)以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行先比例、后積分、再微分的步驟進(jìn)行整定。（1） 比例部分整定。首先將

6、積分系數(shù)KI和微分系數(shù)KD取零，即取消微分和積分作用，采用純比例控制。將比例系數(shù)Kp由小到大變化，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)，直至速度 快，且有一定范圍的超調(diào)為止。如果系統(tǒng)靜差在規(guī)定范圍之內(nèi)，且響應(yīng)曲線已滿足設(shè)計要求，那么只需用純比例調(diào)節(jié)器即可。（2） 積分部分整定。如果比例控制系統(tǒng)的靜差達(dá)不到設(shè)計要求，這時可以加入積分作用。在整定時將積分系數(shù)KI由小逐漸增加，積分作用就逐漸增強(qiáng)，觀察輸出會發(fā) 現(xiàn)，系統(tǒng)的靜差會逐漸減少直至消除。反復(fù)試驗幾次，直到消除靜差的速度滿意為止。注意這時的超調(diào)量會比原來加大，應(yīng)適當(dāng)?shù)慕档鸵稽c比例系數(shù)KP。（3） 微分部分整定。若使用比例積分（PI）控制器經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍達(dá)不到設(shè)計要求，

7、或不穩(wěn)定，這時應(yīng)加入微分作用，整定時先將微分系數(shù)KD從零逐漸增加，觀察超調(diào)量和穩(wěn)定性，同時相應(yīng)地微調(diào)比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI，逐步使湊，直到滿意為止。2擴(kuò)充臨界比例度法這種方法適用于有自平衡的被控對象，是模擬系統(tǒng)中臨界比例度法的擴(kuò)充。其整定步驟如下：（1） 選擇一個足夠短的采樣周期T。所謂足夠段，就是采樣周期小于對象的純之后時間的1/10。（2） 讓系統(tǒng)作純比例控制，并逐漸縮小比例度（=1/KP）是系統(tǒng)產(chǎn)生臨界振蕩。此時的比例度和振蕩周期就是臨界比例度K和臨界振蕩周期TK。（3） 選定控制度。所謂控制，就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，將系統(tǒng)的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較，其筆直即控制度。擴(kuò)充

8、臨界比例度法的參數(shù)整定表。三設(shè)備詳細(xì)介紹：一 YMC303P型壓力變送器原理：把壓力信號傳到電子設(shè)備，進(jìn)而在計算機(jī)顯示壓力將水壓這種壓力的力學(xué)信號 轉(zhuǎn)變成電流（4-20mA） 這樣的電子信號壓力和電壓或電流大小成線性關(guān)系，一般是正比關(guān)系所以，變送器輸出的電壓或電流 隨壓力增大而增大由此得出一個壓力和電壓或電流的關(guān)系式壓力變送器的被測介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，低壓室壓力采用大氣壓或真空，作用在元件(即敏感元件)的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離片和元件內(nèi)的填充液傳送到測量膜片兩側(cè)。壓力變送器是由測量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個電容器。 當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓

9、力差成正比，故兩側(cè)電容量就不等，通過振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的信號。壓力變送器的選擇：先確定系統(tǒng)中要確認(rèn)測量壓力的最大值，一般而言，需要選擇一個具有比最大值還要大1.5倍左右的壓力量程的變送器。這主要是在許多系統(tǒng)中，尤其是水壓測量和加工處理中，有峰值和持續(xù)不規(guī)則的上下波動，這種瞬間的峰值能破壞壓力傳感器，持續(xù)的高壓力值或稍微超出變送器的標(biāo)定最大值會縮短傳感器的壽命，然而，由于這樣做會精度下降。于是，可以用一個緩沖器來降低壓力毛刺，但這樣會降低傳感器的響應(yīng)速度。所以在選擇變送器時，要充分考慮壓力范圍，精度與其穩(wěn)定性。二ZDYP-16P型電動調(diào)節(jié)閥ZDYP超小型電動單座調(diào)節(jié)閥，由電子式執(zhí)

10、行機(jī)構(gòu)和低流阻直通閥體組成。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用 DY-JSF 精小型電動執(zhí)行器伺服放大器，它以 220V交流單相電源作為驅(qū)動電源，接受標(biāo)準(zhǔn)的 4-20mA DC控制信號，經(jīng)伺服放大器控制，使電機(jī)帶動減速器運(yùn)行而產(chǎn)生軸向推力，使閥芯作相應(yīng)移動，改變閥門的開度，達(dá)到對壓力、溫度、流量、液位等工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)自動控制的目的。伺服放大器還輸出一個與執(zhí)行器的位移相對應(yīng)的 4-20mA DC閥位反饋輸出信號。選擇電動調(diào)節(jié)閥的技巧：1. 從調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量分析K1變送器的放大系數(shù)，K2調(diào)節(jié)儀表的放大系數(shù)，K3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)，K4控制閥的放大系數(shù)，K5調(diào)節(jié)對象的放大系數(shù)。很明顯，系統(tǒng)的總放大系數(shù)K為

11、：K=K1*K2*K3*K4*K5K1、K2、K3、K4、K5分別為變送器、調(diào)節(jié)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制閥、調(diào)節(jié)對象的放大系數(shù)，在負(fù)荷變動的情況下，為使調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍能保持預(yù)定的品質(zhì)指標(biāo)；則希望總的放大系數(shù)在調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整個操作范圍內(nèi)保持不變。通常，變送器、調(diào)節(jié)器（已整定好）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)是一個常數(shù)，但調(diào)節(jié)對象的放大系數(shù)卻總是隨著操作條件變化而變化，所以對象的特性往往是非線性的。因此，適當(dāng)選擇控制閥的特性，以閥的放大系數(shù)的變化來補(bǔ)償調(diào)節(jié)對象放大系數(shù)的變化，而使系統(tǒng)的總放大系數(shù)保持不變或近似不變，從而提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量。因此，控制閥流量特性的選擇應(yīng)符合： K4*K5=常數(shù) 對于放大系數(shù)隨負(fù)荷的加大而

12、變小的現(xiàn)象，假如選用放大系數(shù)隨負(fù)荷加大而變大的等百分比特性控制閥，便能使兩者相互抵消，合成的結(jié)果，使總放大系數(shù)保持不變，近似于線性。當(dāng)調(diào)節(jié)對象的放大系數(shù)為線性時，則應(yīng)采用直線流量特性，使總放大系數(shù)保持不變。2. 從工藝配管情況考慮控制閥總是與管道、設(shè)備等連在一起使用，由于系統(tǒng)配管情況的不同，配管阻力的存在引起控制閥上壓降的變化，因此，閥的工作流量特性與閥的理想流量特性也有差異。必須根據(jù)系統(tǒng)特點來選擇希望得到的工作特性，然后再考慮配管情況來選擇相應(yīng)的理想特性。3. 從負(fù)荷變化情況分析直線特性控制閥在小開度時流量相對變化值大，過于靈敏容易引起振蕩，使閥芯、閥座極易受到破壞，在S值小，負(fù)荷變化大的場

13、合不宜采用。等百分比控制閥的放大系數(shù)隨控制閥行程增加而增加，流量相對變化值是恒定不變的，因此它對負(fù)荷波動有較強(qiáng)的適應(yīng)性，無論在滿負(fù)荷或半負(fù)荷生產(chǎn)時，都能很好的調(diào)節(jié)；從制造角度來看也并不困難。在生產(chǎn)過程中等百分比是應(yīng)用最廣泛的一種。三 P909儀表P909 智能PID控制儀表特點： 型號sp-p909詳細(xì)說明spp900系列50段pid可編程序控制儀，具有ai人工智能控制功能，適用于需要按一定時間規(guī)律自動改變給定值進(jìn)行控制的場合，可設(shè)置任意大小的給定值升/降斜率，從而獲得斜率加熱/降溫或曲線加熱的能力，它具有強(qiáng)大的可編程能力，可進(jìn)一步提高控制設(shè)備的自動化程序。1、可根據(jù)生產(chǎn)過程要求，按照一定的曲

14、線進(jìn)行控制，最多可分50段曲線對控制對象進(jìn)行編程控制，每一段均采用pid及ai人工智能控制,使控制更為精確可靠.2、每一段時間設(shè)定范圍為19999分或19999秒.3、利用150段程序的跳轉(zhuǎn)功能,實現(xiàn)多條不同曲線的記憶與運(yùn)行.4、具有運(yùn)行/暫停(run/hoid)功能,程序在運(yùn)行時,時間計時,給定值按預(yù)先編排的程序曲線變化；程序在暫停狀態(tài)下,時間停止時,給定值不變.5、具有2路事件輸出功能,事件輸出由程序編排發(fā)生,可在程序運(yùn)行中控制2路報警開關(guān)動作.以方便控制各種外部設(shè)備同步或連鎖工作.6、具有準(zhǔn)備(rdy)與測量值啟動功能,用于自動解決啟動運(yùn)行時的測量值與設(shè)定值的不一致而對程序產(chǎn)生的不確定性

15、,以獲得高效率,完整并符合用戶要求的程序運(yùn)行結(jié)果.7、停機(jī)/開機(jī)事件,儀表接通電源或在運(yùn)行中意外停電.可提供多種處理方案供用戶選擇.8、可以在運(yùn)行時查詢正在運(yùn)行的程序段和運(yùn)行該段的剩余時間.四 儀表接口標(biāo)準(zhǔn)RS-485智能儀表是隨著80年代初單片機(jī)技術(shù)的成熟而發(fā)展起來的，現(xiàn)在世界儀表市場基本被智能儀表所壟斷。究其原因就是企業(yè)信息化的需要，企業(yè)在儀表選型時其中的一個必要條件就是要具有聯(lián)網(wǎng)通信接口。最初是數(shù)據(jù)模擬信號輸出簡單過程量，后來儀表接口是RS232接口，這種接口可以實現(xiàn)點對點的通信方式，但這種方式不能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。隨后出現(xiàn)的RS485解決了這個問題。RS-485標(biāo)準(zhǔn) RS-485是雙向、半

16、雙工通信協(xié)議,允許多個驅(qū)動器和接收器掛接在總線上,其中每個驅(qū)動器都能夠脫離總線。該規(guī)范滿足所有RS-422的要求,而且比RS-422穩(wěn)定性更強(qiáng)。具有更高的接收器輸入阻抗和更寬的共模范圍(-7V至+12V)。接收器輸入靈敏度為200mV,這就意味著若要識別符號或間隔狀態(tài),接收端電壓必須高于+200mV或低于-200mV。最小接收器輸入阻抗為12k,驅(qū)動器輸出電壓為1.5V (最小值)、5V (最大值)。 驅(qū)動器能夠驅(qū)動32個單位負(fù)載,即允許總線上并聯(lián)32個12k的接收器。對于輸入阻抗更高的接收器,一條總線上允許連接的單位負(fù)載數(shù)也較高。RS-485接收器可隨意組合,連接至同一總線,但要保證這些電路

17、的實際并聯(lián)阻抗不高于32個單位負(fù)載(375)。采用典型的24AWG雙絞線時,驅(qū)動器負(fù)載阻抗的最大值為54,即32個單位負(fù)載并聯(lián)2個120終端匹配電阻。RS-485已經(jīng)成為POS、工業(yè)以及電信應(yīng)用中的最佳選擇。較寬的共模范圍可實現(xiàn)長電纜、嘈雜環(huán)境(如工廠車間)下的數(shù)據(jù)傳輸。更高的接收器輸入阻抗還允許總線上掛接更多器件。四、實驗過程調(diào)試PID參數(shù)整定在調(diào)整PID參數(shù)時，可以使用試湊法，根據(jù)參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行“先比例，后積分，再微分”的步驟。首先整定比例部分，可以先將比例系數(shù)Kp由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到響應(yīng)曲線超調(diào)小，反應(yīng)快。如果系統(tǒng)沒有靜差，或者靜差小到允許的范圍內(nèi)，

18、那么只需比例調(diào)節(jié)即可。如果比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時首先置積分時間一較大值，并將第一步整定的比例系數(shù)Kp減小，然后減小積分時間，使靜差消除。如果動態(tài)性能也能滿意，則PI調(diào)節(jié)器即可。若動態(tài)性能不好則需加入微分控制環(huán)節(jié)。整定時，使微分時間從0變大，并相應(yīng)改變比例系數(shù)和積分時間，逐步湊試，直到滿意為止。PID參數(shù)整定原則以及各參數(shù)影響效果1. 根據(jù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行準(zhǔn)則，對于控制系統(tǒng)開環(huán)總增益（）來講，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行正常后，如果增大了，則應(yīng)將相應(yīng)地減少相同倍數(shù)；反之亦然。例如，變送器量程變小時，應(yīng)相應(yīng)減小倍數(shù)；當(dāng)執(zhí)行器口徑變大時，相應(yīng)減小等。2. 是廣義對象的動態(tài)參數(shù)

19、，該值越大，控制系統(tǒng)越不易穩(wěn)定，這時，應(yīng)減小，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時和應(yīng)合適，通常取，。3. P、I、D三者中，P作用是最基本的控制作用。一般先按純比例進(jìn)行閉環(huán)測試，然后適當(dāng)引入和。也可根據(jù)廣義對象的時滯，設(shè)置好和，然后調(diào)整比例增益。4. 硬盡量發(fā)揮積分作用消除余差。一般取。引入積分作用后，所引入的相位滯后不應(yīng)超過40度。幅值比增加不超過20%，為此，應(yīng)比純P時減小約10%。5. 微分作用的引入時為了解決高階現(xiàn)象的過渡階段滯后對對象控制品質(zhì)的不利影響，對于純滯后，微分做喲無能為力。一般取。多數(shù)情況下引入微分后，應(yīng)比純P時增加約10%。6. 對于有高頻噪聲的過程，不易引入微分，否則，高頻分量將

20、被放大得很厲害，對控制不利。7. 穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)的前提條件。通常，可取衰減比作為穩(wěn)定性指標(biāo)。在整定完成后一定要確保過程控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。8. 衰減比的選擇，對于隨動控制系統(tǒng)，通常衰減比n=10:1；定值控制系統(tǒng)常取n=4:1。五 單回路控制系統(tǒng) 單回路控制框圖單回路系統(tǒng)簡介：單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一般是指用一個控制器來控制一個被控對象，即SISO（single input single output）系統(tǒng)。其中，控制器只接收一個測量喜好，其輸出也只控制一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。單回路流量PID控制系統(tǒng)也是一種單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如上圖所示。在此控制回路中，被控對象的液位是被控量。利用壓力型液位感測器和調(diào)理電路對測量信號進(jìn)行歸一化處理，形成420mA的信號；PID控制器作為系統(tǒng)的核心，控制輸出，使液位打到期望的設(shè)定值。六 課程總結(jié)建立更好的人機(jī)界面，更好的控制性能，更人性化的操作，未來的過程控制一定是更加的完善，不如記錄歷史數(shù)據(jù)、勾畫歷史數(shù)據(jù)曲線，控制系統(tǒng)集成化，實現(xiàn)在一個控制室實現(xiàn)多個參量的控制、觀測監(jiān)督等。生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展使得生產(chǎn)規(guī)模越來越大，生產(chǎn)速度和強(qiáng)度越來越高，從單一參數(shù)的局部測量逐漸發(fā)展到多參數(shù)或間接指標(biāo)的檢測和計算、巡回檢測和數(shù)據(jù)處理;在控制方面由簡單的順序控制、單回路反饋控制逐漸發(fā)展到集中管理、相互關(guān)聯(lián)的反饋控制、前饋控制和最優(yōu)化控制等