基于ADAM4000控制系統(tǒng)的A3000高級復雜實驗培訓

1、基于ADAM4000控制系統(tǒng)的A3000高級復雜實驗培訓（版本1.0）Ijhuartec用戶文件編號：A3000DH033北京華晟高科教學儀器有限公司編制、夕 4刖百基于ADAM4000控制系統(tǒng)的A3000高級復雜實驗培訓是根據(jù) A3000 過程控制實驗系統(tǒng)的相關內容編寫的，包括了如下內容：1、計算機一般控制實驗。2、復雜控制實驗。3、高等控制實驗。為了更容易理解算法本身，所以選擇最簡單的控制系統(tǒng) ADAM4000 ,算法 在組態(tài)軟件中實現(xiàn)。同時所有程序都可以在仿真系統(tǒng)上驗證。參考公司產(chǎn)品 A3000SIMU 相關文件。除了復雜控制實驗之外，其他實驗的對象操作過程比較簡單， 所以不介紹操 作步

2、驟。本培訓書缺點和錯誤在所難免，敬請各位專家、院校師生和廣大讀者批評指 正。中明：本培訓書內容只適合華晟高科 A3000教學實驗。范例和文檔內容只 用于提供信息，對本書不承擔任何保證。北京華晟高科教學儀器有限公司 二零零八年二月第一章計算機控制一般性實驗 41.1 數(shù)字程序控制實驗41.2 數(shù)字濾波技術、標度變換、非線性校正實驗 61.3 數(shù)字PID控制實驗81.4 BANG-BANG 控制 111.5 校正網(wǎng)絡數(shù)字濾波器實現(xiàn) 13第二章復雜控制實驗152.1 比值控制系統(tǒng)實驗152.2 串級控制實驗 192.3 前饋-反饋控制系統(tǒng)實驗 232.4 經(jīng)典解耦控制系統(tǒng)實驗 262.5 聯(lián)鎖控制和

3、超馳調節(jié)實驗 302.6 大延遲的 Smith預估補償控制 35第三章高等控制系統(tǒng)實驗413.1 自適應控制413.2 專家系統(tǒng)423.3 模糊控制453.4 神經(jīng)網(wǎng)絡503.5 推理控制55ihuaiecA3000DS004 A3000捽制系統(tǒng)接線設計第一章計算機控制一般性實驗為了方便控制，所以計算機控制一般性實驗和復雜控制將在ADAM4000上實現(xiàn)。1.1 數(shù)字程序控制實驗1.1.1 工藝過程描述模擬一個純凈水處理過程。水在經(jīng)過反滲透之前，兩個水泵向精濾膜供水。由于水中雜質比較多，在一定時間后，精濾膜的透過流量變小。48小時之后，精濾膜需要進行反沖洗。但是向反滲透供水的工作不能停止。一般采

4、用如下數(shù)字 程序控制。我們模擬這個過程，但是時間大大縮短。時間2.4 分=144 秒1.2分=72秒1.2 分=72 秒A泵流星1立方/小時，33%0.5立方/小時,16.5%停止，進行反沖洗B泵流星停止，進行反沖洗0.5立方/小時1立方/小時控制流程圖如圖1.1.1所示1.1.2 算法實現(xiàn)和關鍵操作步驟采用PID控制。兩個PID,但是程序控制其給定值。界面如圖所示。系西曲工工一：一rr hirft-SE”rtn«-:E, da n *r v ai i ti |i a i.L-b a rgi an ibbib s 程序代碼如下：/1000毫秒執(zhí)行一次。中間變量1=中間變量1+1；if

5、（中間變量1>400） 中間變量1=0； 輸入PID0_PV=AI0;PID1_PV=AI1; if（PID0_SP=0） AO0=0; else AO0=PID0_MV; if（PID1_SP=0） AO1=0; elseAO1=PID1_MV;if（中間變量1>=0 && 中間變量1<=100） PID0_SP=33; PID1_SP=0; if（中間變量1>100 && 中間變量1<=200） PID0_SP=16.5;PID1_SP=16.5; if（中間變量1>300 && 中間變量1<=400

6、） PID0_SP=0; PID1_SP=33;注意開啟兩個水泵，兩個流量控制。一支路使用調節(jié)閥，一支路使用變頻器。1.1.3 實驗結果及記錄控制曲線如圖1.1.2所示。多個值的控制曲線繪制在同一個圖上。1.2 數(shù)字濾波技術、標度變換、非線性校正實驗1.2.1 工藝過程描述數(shù)字濾波技術、標度變換、非線性校正實驗就是單容下水箱液位控制，流程圖如圖1.2.1所示。北京華晟高科教學儀器有 限公司編制 第5頁共56頁A3000DS004 A3000捽制系統(tǒng)接線設計圖1.2.1數(shù)字濾波技術和非線性校正實驗1.2.2 算法實現(xiàn)和關鍵操作步驟由于液位具有波動，所以數(shù)據(jù)不是非常穩(wěn)定，采用數(shù)字濾波技術采用，進行

7、濾波。濾波算法：PV過濾=PV舊值*0.9+PV新值*0.1。由于ADAM4000內部已經(jīng)有了濾波，所以效果 不如使用PCI1711好。標度變換，使用線性算法，把4-20毫安轉換成0-25厘米。非線性校正則考慮到水箱的出口流量和液位高度的開方成正比。所以采取開方算法，把輸入的過程值直接校正，隨輸出流量成為線性。工程量尺度變換float a;a=（AI0-4.0）*25.0/16.0;數(shù)字濾波中間變量1=中間變量1*數(shù)字濾波加權系數(shù)+a*（1-數(shù)字濾波加權系數(shù)）；同時對給定值和輸入值校正給定值1=Sqrt（中間變量2）;測量值1=Sqrt（中間變量1）;輸出AO0=操作值1;1.2.3 實驗結果

8、及記錄控制器控制曲線如圖1.2.2所示。1.3 數(shù)字PID控制實驗1.3.1 題目工藝過程描述單容下水箱液位 PID控制流程圖如圖3.1.1所示。.J, fa - I "I'-/I圖3.1.1單容下水箱液位調節(jié)閥 PID單回路控制測點清單如表3.1.1所示表3.1.1單容下水箱液位調節(jié)閥PID單回路控制測點清單序號位號或代號設備名稱用途原始信號類型工程量1FV-101電動調節(jié)閥閥位控制2 10VDCAO0 100%2LT-103壓力變送器下水箱液位420mADCAI2.5kPa1.3.2 算法實現(xiàn)和關鍵操作步驟實驗界面如圖所示。北京華晟高科教學儀器有限公司編制 第7頁共56頁

9、ihuaiecA3000DS004 A3000捽制系統(tǒng)接線設計PID運算可以采用標準的直接計算法和增量計算法。Pout(t) Kp*e(t) Ki* e(t) Kd * (e(t) e(t 1)上次的計算值Pout(t 1) Kp*e(t1) Ki * e(t 1)Kd * (e(t 1) e(t2)兩次相減：Pout(t) Kp*(&t)e(t 1)Ki*e(t)Kd*(e(t) 2*e(t1)e(t 2)輸出時加上上次輸出就可以了。從公式可見，直接計算法很可能導致積分飽和，所以需要抗飽和的操作。定義ET0、ET1、ET2,要求變量可以負值和正值。例如定義到-100000到10000

10、0PID_KI, PID_KD在畫面中每1秒執(zhí)行一次。/數(shù)字PID控制。關聯(lián)到IO數(shù)據(jù)PID0_PV=AI0;if (PID_I=0) 避免除 0PID_I=0.01;數(shù)字 PID_KI = PID_P * 1/ PID_I;/1運算周期數(shù)字 PID_KD = PID_P * PID_D /1;數(shù)字 PID_ET0 = PID0_SP- PID0_PV;本站點 數(shù)字PID算法選擇=1)/'=1采用增量計算保留了上次 本站點 操作值1PID0_MV= PID0_MV + PID_P * (數(shù)字 PID_ET0 -數(shù)字 PID_ET1); 比例作用 If (PID_I<10000)積

11、分作用PID0_MV =PID0_MV + PID0MV =PID0MV +數(shù)字PID_KI *數(shù)字PID_ET0;/積分作用數(shù)字 PID_KD * (數(shù)字 PID_ET0 - 2 * 數(shù)字 PID_ET1 + 數(shù)字PID_ET2);微分作用數(shù)字 PID_ET2 = 數(shù)字 PID_ET1;數(shù)字 PID_ET1 = 數(shù)字 PID_ET0;ELSE采用直接計算清除了本站點操作值1PID0_MV=0;PID0_MV =PID0_MV+ PID_P *數(shù)字 PID_ET0; 比例作用IF (PID_I<10000)/積分作用有意義本站點數(shù)字本站點數(shù)字PID_ISUM + 數(shù)字PID_KI*數(shù)字P

12、ID_ET0;積分作用本站點數(shù)字PID_ISUM> 100)抗積分飽和 本站點數(shù)字PID_ISUM= 100;本站點數(shù)字PID_ISUM;PID0_MV =PID0_MV + 數(shù)字 PID_KD*(數(shù)字 PID_ET0-數(shù)字 PID_ET1);/微分作用 IF(PID0_MV>100) 輸出限制PID0_MV=100;IF(PID0_MV<0)/ 輸出限制PID0_MV=0;關聯(lián)到IO數(shù)據(jù)AO0=PID0_MV;1.3.3 實驗結果及記錄控制器控制曲線如圖 2.2.3所示。北京華晟高科教學儀器有 限公司編制 第9頁共56頁ihuaiecA3000DS004 A3000捽制系統(tǒng)

13、接線設計1.4 BANG-BANG 控制但是我們將采用比較簡單的算法，來驗該控制的復雜算法可以解決一些高等控制問題, 證這類控制的意義。1.4.1 工藝過程描述如果要求單容下水箱液位PID控制的具有快速響應特性，并且在給定點位置還要準確控制，那么如何控制呢。系統(tǒng)的工藝流程如圖1.4.1所示。圖1.4.1單容下水箱液位調節(jié)閥BANG-BANG單回路控制1.4.2 算法實現(xiàn)和關鍵操作步驟BANG-BANG 控制最早由龐特里亞金提出，屬于開關控制的非線性控制。如果一個系統(tǒng)控制有以下要求；即控制要實時性好，系統(tǒng)要穩(wěn)定，控制精度要求高。則可以采用非線性的 Bang-Bang控制和線性的PID控制結合，其

14、控制效果比較好。如果采用線性的 PID控制，雖然穩(wěn)態(tài)精度容易滿足，但是大偏差時就容易出現(xiàn)較大的偏差，而且過度的時間比較長，如果采用非線性的 Bang-Bang控制，雖然能使過渡時間最 短，但是容易出現(xiàn)超調，而且在零點附近容易產(chǎn)生振蕩造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。鑒于這種情況，設計了一種變結構的控制器是兩者的優(yōu)點有機的結合起來，從而使系統(tǒng)運行起來既快又穩(wěn)。設計的變結構式的雙?？刂破魅鐖D3所示：圖3變結構式的雙?？刂苹芈方Y構圖此結構控制就是使系統(tǒng)的結構可以在控制過程的各個瞬間，根據(jù)某些參數(shù)的狀態(tài)以躍變的方式有目的的變化，從而將不同的結構揉和在一起，取得比固定結構系統(tǒng)更加完善的性能指標。據(jù)此，針對流漿箱的液位和總

15、壓控制，提出了一種將非線性的Bang-Bang控制與線性的控制結合的變結構雙?？刂品椒?。如圖2所示：當設定值（SP）與檢測值（PV）產(chǎn)生一個偏差，由識別機構通過不同的 偏差來選擇不同的控制器，當偏差大于某個值的時候采用非線性Bang-Bang控制，當偏差小于某個值的時候系統(tǒng)自動切換到線性的PID控制。Bang-Bang控制器的設計Bang-Bang控制也稱為開關式控制，對于較大的偏差，例如IEnia,控制量變化u取+Umg-Um實行非線性開關控制模態(tài)，以提高系統(tǒng)的響應速度。具 表達式如下:尸 +1L En- a3= *-0.J其中a為選擇開關的切換值對于液位控制如果直接使用PID,就必須在快速

16、性和穩(wěn)定性之間進行抉擇。 但是如果實現(xiàn)了解了對象的特性，然后選擇了合適的bang-bang控制結合PID,則可能有比較好的結果。我們這里的bang-bang控制選擇比較簡單的控制算法。首先測量液位和控制 量在穩(wěn)態(tài)情況的一個對應曲線。這在系統(tǒng)特性測量中已經(jīng)獲取，當然也可以依據(jù) 閘板的高度不同，重新測量。例如 SP下，控制量該是A穩(wěn)定。那么：如果 PV<SP-a, MV=A-U ,如果 PV>SP-a, MV=A+U ,其他情況使用 PID 控制。最好在切換時增加跟隨程序，保證切換時沒有擾動。選擇合適的a, A,以便獲得最好的效果。實驗的組態(tài)界面如圖所示。LA. 4gaTi«

17、uoonnf mtn, en*»Ln 03QVlg通觸 調下怖MESF承*出 w-inff作值 授巾也7L<nL1U. IC的點 快理Bl (Ua*i 町3 M PT近七也切勒昆-2工司器*口艮 電*i曲了旭修峋王猶岫斯凱.陸以使用白己的哂曜:fH部+酣怖加1眸,R；=T if rvigT曲腕圍 thn rsA+y if玨一.判優(yōu)置產(chǎn)青硼麻固thrn Ft曬制 成好呼卜作下篇矽加值可川宣界,士里他也二 >iihum比猾鬲的r校分源觸S，裊韓三篙目疆-避熊俳瀏:率俳審啥F群二檸1噩噩曙售睡甯鵬丁工工 11 3 , i +L 7T：一H8H4BE：.暮上白含琴可二二金二匕1”

18、 士整A?r?rr-!藕避 蠲篇 霸賽 藕瞌n ft:;1二H募L ： TIVY：口"二二：l：t±!,5t番三 二!三工L於玉QU：Qgl舉號：二；11.4.3 實驗結果及記錄測量穩(wěn)態(tài)液位對應的控制量如表所示。我們可以簡化一下，在液位 30-60之 間使用直線表示。如果我們要控制液位60%,此時對應的控制量為43。那么如果PV<60-a, MV=43-U ,如果PV>60-a, MV=43+U ,其他情況使用 PID控制1.5 校正網(wǎng)絡數(shù)字濾波器實現(xiàn)1.5.1 工藝過程描述單容非線性上水箱液位 PID控制流程圖如圖1.5.1所示。圖1.5.1校正網(wǎng)絡數(shù)字濾波實

19、驗流程1.5.2 算法實現(xiàn)和關鍵操作步驟這里的算法和自適應不同， 而是把一個非線性的系統(tǒng)通過校正網(wǎng)絡，使得它成為線性特性。并且最好能夠把液位高度繼續(xù)校正為正比流量。把等截面積系統(tǒng)液位高度開方。液位控制，調節(jié)閥控制的是流量，那么液位變化率。如果輸入流量為Q,則高度變化率具有如下特性：H (Q k1 * . H) / , R2 (R H)2采用H對應到VH)/Jl (1 H/R)2來進行濾波。在H=R時的PI控制參數(shù)，獲得一 定的控制效果。注意開啟時，需要讓水進入上水箱。在組態(tài)軟件中的具體算法如下：工程量尺度變換數(shù)字濾波，按照 S=積分：K*sqrt(100h-h*h),/不考慮開方，積分 h*h

20、/2.0-h*h*h/300歸一化中間值0作為給定值PID1_SP=中間值0;/僅僅用于顯示PID0_PV=sqrt(AI0*AI0/2.0-AI0*AI0*AI0/300.0);PID0_SP=sqrt(中間值0*中間值0/2.0-中間值0*中間值0*中間值0/300.0);北京華晟高科教學儀器有 限公司編制 第13頁共56頁lj huatecA3000DS004 A3000捽制系統(tǒng)接線設計輸出AO0=PID0_MV;控制界面如圖所示。1U0, DDM. 03 0040. QiLE拉！_<用上才的耳唾避療喂正異任.常正本或注匡也便中言: P1U *府蘆.與殿曳TJ" ZDfc

21、二4;工工1土節(jié)工3比4 二:;2:-4-11t7t一OZO. 0Q箕i D二W手至三菱五工rt±J1:二二二二>-士; 士：+；*丈二士X空運:工:t生I i1.5.3 實驗結果及記錄使用普通PID進行實驗，然后找到最好的控制參數(shù)，得到控制曲線。然后使用校正網(wǎng)絡的方法進行控制。然后找到最好的控制參數(shù)，得到控制曲線。 要求在各自最好的情況下，使用校正網(wǎng)絡的方法可以得到更好的控制效果。第二章復雜控制實驗2.1 比值控制系統(tǒng)實驗2.1.1 測試題目描述流量比值控制系統(tǒng)控制流程圖如圖2.1.1所示。圖2.1.1流量比值控制流程圖流量比值控制測點清單如表2.1.1所示。表2.1.1流量

22、比值控制控制測點清單序號位號或代 號設備名稱用途原始信號類型工程量1FT-1011#t#測量管路1流量420mADCAI30-3m /h2FT-1022#t#測量管路2流量420mADCAI30-3m /h3U-101變頻器頻率控制，手動控 制1#流量210VDCAO0 100%4FV-101閥控制跟蹤的流量210VDCAO0 100%水介質一路（簡稱為I路）由泵P101 （變頻器驅動，手動控制作為給定值） 從水箱V104中加壓獲得壓頭，經(jīng)電磁閥XV-101進入V103,水流量可通過變頻 器或者手閥QV-106來調節(jié)；另一路（簡稱為II路）由泵P102從水箱V104加 壓獲得壓頭，經(jīng)由調節(jié)閥F

23、V-101、水箱V103、手閥QV-116回流至水箱V104 形成水循環(huán)，通過調節(jié)閥FV-101調節(jié)此路的水流量；其中，I路水流量通過渦 輪流量計FT-101測得，II路水流量通過電磁流量計 FT-102測得。2.1.2 控制算法和編程這是一個單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)， 或者說是隨動系統(tǒng)?？梢宰屢粋€流量梗 跟隨另一個流量的變化。有兩個算法。(1)流量計FT-101流量與流量計FT-102成比例控制,如2.1.2所示，把FT101乘以比值系數(shù)，然后作為調節(jié)器的給定值。1#Qi北京華晟高科教學儀器有限公司編制 第17頁共56頁圖2.1.2比值控制系統(tǒng)原理圖被調量為調節(jié)閥開度，控制目標是水流量，通過兩

24、個流量不同比例下的比較， 然后輸出控制值到調節(jié)閥。實行 PID控制，看控制效果，進行比較。這樣方式下，由于FT101的測量不是非常穩(wěn)定，所以調節(jié)器的給定值是有 些變動的?？刂品€(wěn)定性可能不是很好，另外在實時曲線上可以直接看到穩(wěn)定的曲 線。(2)流量計FT-101流量與流量計FT-102成比例控制，如2.1.3所示，把FT101 /FT102,然后作為調節(jié)器的測量值，而比值 K作為調節(jié)器給定值。lj huatecA3000DS004 A3000捽制系統(tǒng)接線設計這樣方式下，調節(jié)器的給定值是穩(wěn)定的，控制穩(wěn)定性較好，但是在實時曲線上可以顯示K值，最好的范圍是 0.1-10 （我們設置k的范圍就是0-10

25、,而曲線上刻度是 0-100,所以有 些差異。2.1.3 操作過程和調試1、編寫控制器算法程序，下裝調試；編寫測試組態(tài)工程，連接控制器，進 行聯(lián)合調試。這些步驟不詳細介紹。2、在現(xiàn)場系統(tǒng)上，打開手閥 QV-102、QV-105, QV115, QV106,電磁閥 XV101直接打開（面板上 DOCOM接24V, XV101接GND）或打開QV111。3、在控制系統(tǒng)上，將支路1流量變送器（FT-101）輸出連接到控制器AI1, 將支路2流量變送器（FT-102）輸出連接到控制器AI0,變頻器控制端連接到 AO0,調節(jié)閥FV-101控制端連接到AO1 ,且變頻器手動控制。注意：具體哪個通道連接指定

26、的傳感器和執(zhí)行器依賴于控制器編程。對于全連好線的系統(tǒng)，例如DCS,則必須按照已經(jīng)接線的通道來編程。4、打開設備電源，包括調節(jié)閥電源，變頻器電源，變頻器設為外部信號操 作模式。5、連接好控制系統(tǒng)和監(jiān)控計算機之間的通訊電纜，啟動控制系統(tǒng)。6、啟動計算機，啟動組態(tài)軟件，進入測試項目界面。啟動調節(jié)器，設置各 項參數(shù)，將調節(jié)器切換到自動控制。7、啟動水泵P102。8、設置PID控制器參數(shù)，可以使用各種經(jīng)驗法來整定參數(shù)，這里不限制使 用的方法。具體可以參考2.4節(jié)。建議：因為PID的SP值會有一定的波動，所以控制的穩(wěn)定性稍差，有一些 難度。注意控制目標是比值的穩(wěn)定，而給定值也是比值。干擾可以是K值的改變，

27、也可以是變頻器控制量的改變（從而改變了FT-101）。2.1.4 實驗結果及記錄流量比值控制曲線如圖1.1.4所示。比值系數(shù)3。P=24, I=2.5秒。IULLO聊, r r -I9D.0is - " g 4-i-I I h ' ;i , " "i| q f V'gP 叫"- a i用一 L Ja u «! ii4bi + ir*u皿必1 1 4" " I , "F Bnip010.0.D I I I 卜1- - ii.1 - - R- - - i.i-i -43 +I* I“, )n 勖*Mri

28、 .ii ' -1， ，|K il |B IV J M li ifiTil I E i 1 I a ! Mill L I * F 小 M J，I I ! , V Jl -i «H I I rifl J I I Iri > a i a n 4| 1.d. .far J. '.«!"- - ,I ._ _F"D4D.0Ii mY d，*，> /* rr r * i :ri h tr 一一-m一1I* . q v vif vL,! * L* ，1*-tJ-3 rw |v evp vw|iv1 *mi，*L kla HiHi i, &

29、#187; "uiaiuiMi4a i i i ill ns i 11 1 LI I L I I.HI1JII B 11 L . . 1 111 1. M I I-i j . j i - aI 磬F + +H-»-l + 1 iri ： ai4iha J - IW ! f - «I Fq19：冊， J» _« 1 |-、p 11 1l A 叫一工二:;:卜圖1.1.4流量比值控制曲線2.2串級控制實驗2.2.1 測試題目描述液位和進口流量串級控制流程圖如圖2.2.1所示。圖2.2.1液位和進口流量串級控制流程圖液位和進口流量審級控制測點清單如表

30、 2.2.1所示表2.2.1液位和進口流量串級控制測點清單序號位號或代 號設備名稱用途原始信號類型工程量1FT-1011#t#測量管路1流量420mADCAI30-3m /h2LT-103V103液位變送器測量液位420mADCAI0-2.5kPa3FV-101調節(jié)閥控制流量210VDCAO0 100%4U101變頻器固定給值0-10VDCA00-100%水介質一路（I路）由泵P101 （變頻）從水箱V104中加壓獲得壓頭，經(jīng)流 量計FT-101、電動閥FV-101、水箱V-103、手閥QV-116回流至水箱V104而形 成水循環(huán)，負荷的大小通過手閥 QV-116來調節(jié)；其中，水箱V103的液

31、位由液 位變送器LT-103測得，給水流量由流量計FT-101測得。本例為審級調節(jié)系統(tǒng)， 調節(jié)閥FV-101為操縱變量，以FT-101為被控變量的流量控制系統(tǒng)作為副調節(jié) 回路，其設定值來自主調節(jié)回路一一以 LT-103為被控變量的液位控制系統(tǒng)。以FT-101為被控變量的流量控制系統(tǒng)作為副調節(jié)回路一一流量變動的時間 常數(shù)小、時延小，控制通道短，從而可加快提高響應速度，縮短過渡過程時間， 符合副回路選擇的超前，快速、反應靈敏等要求。下水箱V103為主對象，流量FT-101的改變需要經(jīng)過一定時間才能反應到 液位，時間常數(shù)比較大，時延大。由上分析知：副調節(jié)器選純比例控制，反作用，自動。主調節(jié)器選用比例

32、控 制或比例積分控制，反作用，自動。實際上，用級控制相對于單PID控制而言，穩(wěn)定性差，好處是在同樣的副 回路干擾下，超調非常小。為了比較申級的這樣好處，我們設計了如圖 2.2.1所示的工藝流程。首先進 行單PID實驗，然變頻器輸出35Hz。然后找到最好的控制參數(shù)，一般 P=1, 1=20000毫秒，等系統(tǒng)穩(wěn)定后，改變 變頻器輸出為50Hz,然后不斷記錄系統(tǒng)的超調量和穩(wěn)定時間。之后開始審級實驗，同樣設定變頻器輸出35Hz,系統(tǒng)穩(wěn)定后，改變變頻器輸出為50Hz,然后不斷記錄系統(tǒng)的超調量和穩(wěn)定時間。如果控制好，可以發(fā)現(xiàn) 在同樣的變頻器干擾下，用級超調量遠遠少于單PID的超調量。1.1.2 控制算法和

33、編程圖2.2.2液位流量串級控制系統(tǒng)框圖以審級控制系統(tǒng)來控制下水箱液位，以第一支路流量為副對象，右邊水泵直 接向下水箱注水，流量變動的時間常數(shù)小、時延小，控制通道短，從而可加快提 高響應速度，縮短過渡過程時間，符合副回路選擇的超前，快速、反應靈敏等要 求。下水箱為主對象，流量的改變需要經(jīng)過一定時間才能反應到液位，時間常數(shù) 比較大，時延大。將主調節(jié)器的輸出送到副調節(jié)器的給定， 而副調節(jié)器的輸出控 制執(zhí)行器。由上分析副調節(jié)器選純比例控制，反作用（要想流量大，則調節(jié)閥開 度加大），自動。主調節(jié)器選用比例控制或比例積分控制， 反作用（要想液位高， 則調節(jié)閥開度加大），自動。流量干擾通過變頻器頻率的變動

34、來實現(xiàn)。變頻器頻率從40-50HZ變動。工業(yè)上審級的投入是逐步的，最好可以做到無擾切換，具體實現(xiàn)投入無擾的 方法可以參考網(wǎng)絡資料。這里不考慮這么復雜。1.1.3 操作過程和調試1、首先完成單PID調節(jié)閥流量控制，獲得變頻器35Hz變動到50Hz的超調 量和穩(wěn)定時間。2、在現(xiàn)場系統(tǒng)上，打開手動調節(jié)閥QV-103、QV-115、QV-105,調節(jié)QV-116 具有一定開度（閘板高度6毫米左右），其余閥門關閉。3、在控制系統(tǒng)上，將流量計（FT-101）連到控制器AI1輸入端，下水箱液 位（LT-103）連到控制器AI0輸入端，電動調節(jié)閥FV-101連到控制器AO0端。 把變頻器設置為面板操作。4、打

35、開設備電源，包括變頻器電源。5、連接好控制系統(tǒng)和監(jiān)控計算機之間的通訊電纜，啟動控制系統(tǒng)。6、啟動計算機，啟動組態(tài)軟件，進入測試項目界面。啟動調節(jié)器，設置各 項參數(shù)，將調節(jié)器切換到自動控制。7、啟動變頻器到40-50HZ,系統(tǒng)開始運行。8、首先將主調節(jié)器置手動狀態(tài)，調整其輸出為某個輸出值，將它作為副調 節(jié)器的SP值。9、在上述狀態(tài)下，整定副調節(jié)器的 P參數(shù)。要求可以穩(wěn)定，而且比較快。10、預置主調節(jié)器的P、I參數(shù)（不要設置的太大），再將主調節(jié)器切換到 自動狀態(tài)。11、依據(jù)記錄曲線，調整主調節(jié)器的 P、I參數(shù)、副調節(jié)器的P參數(shù)，一般 是副調節(jié)器較大，主調節(jié)器較小。副調節(jié)器：一般純比例（P）控制，反

36、作用，自動，KC2（副回路的開環(huán)增益） 較大。主調節(jié)器：比例積分（PI）控制，反作用，自動，KC1 KC2（KC1主回路開 環(huán)增益）。12、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，類同于單回路控制系統(tǒng)那樣，對系統(tǒng)加擾動信號，擾動 的大小與單回路時相同。就是把變頻器從 40變動到50Hz。13、通過反復對副調節(jié)器和主調節(jié)器參數(shù)的調節(jié)， 使系統(tǒng)具有較滿意的動態(tài) 響應和較高的靜態(tài)精度。14、使用單回路進行液位控制，流程和審級一樣。增加流量干擾，就是把變 頻器從40變動到50Hz。控制曲線進行對比，看效果如何。1.1.4 實驗結果及記錄如果審級超調量遠遠少于單PID的超調量，則效果效果比較好了。思考一下，如果干擾在主回路又如何

37、 ？例如在單PID的情況下，把閘板從開 口 11毫米突然變化到5毫米，看系統(tǒng)的超調量如何。在審級下進行同樣的操作, 看系統(tǒng)的超調量如何。分析理論上這個超調量是否不同。2.3 前饋-反饋控制系統(tǒng)實驗2.3.1 工藝過程描述前饋控制又稱擾動補償，它與反饋調節(jié)原理完全不同，是按照引起被調參數(shù) 變化的干擾大小進行調節(jié)的。在這種調節(jié)系統(tǒng)中要直接測量負載干擾量的變化， 當干擾剛剛出現(xiàn)而能測出時，調節(jié)器就能發(fā)出調節(jié)信號使調節(jié)量作相應的變化， 使兩者抵消。因此，前饋調節(jié)對干擾的克服比反饋調節(jié)快。但是前饋控制是開環(huán) 控制，其控制效果需要通過反饋加以檢驗。 前饋控制器在測出擾動之后，按過程 的某種物質或能量平衡條

38、件計算出校正值。前饋-反饋控制的工藝和審級完全一樣，這是一個讓人迷惑的地方。實際的好 處可能就是體現(xiàn)在比例調節(jié)器（用級的副回路）和比值加法器（前饋）的控制速 度上。那么我們可以通過同樣的工藝設計，驗證單 PID,審級控制，前饋-反饋控制 的超調，以及控制時間，穩(wěn)定時間，這樣來比較它們的優(yōu)缺點。流量-液位前饋反饋控制流程圖如圖2.3.1所示。圖2.3.1流量-液位前饋反饋控制流程圖但是，要想獲得加法器的加權系統(tǒng)，首先需要測量一個特性曲線，看多大的 K值，使得系統(tǒng)干擾在正常的工作范圍內，起到補償?shù)淖饔?。所以前饋控制需要事先知道系統(tǒng)的某些特性的。這個曲線可以通過測量調節(jié)閥控制量和流量的關系 曲線而獲

39、得。2.3.2 控制算法和編程如果支路一出現(xiàn)擾動，經(jīng)過流量計測量之后，測量得到干擾的大小，然后在 通過調整調節(jié)閥開度，直接進行補償，而不需要經(jīng)過調節(jié)器。如果沒有反饋，就是開環(huán)控制，那么這個控制就會有余差。增加反饋通道， 使用PI進行控制。我們進行了部分簡化。前饋控制和副回路的P控制不同，最好能夠在控制前獲得一個平衡干擾的公 式。例如如果知道流量在 X下變動10,對應的調節(jié)閥開度變動 Y。那么就可以 直接補償。被調量為調節(jié)閥，控制量是支路1流量，控制目標是下水箱液位。然后實現(xiàn)反饋控制，通過測量水箱液位，控制調節(jié)閥，從而把前饋控制不能 修正的誤差進行修正。2.3.3 操作過程和調試1、首先進行單P

40、ID調節(jié)閥流量控制，然后進行審級控制。記錄超調量、控 制時間和穩(wěn)定時間。2、在現(xiàn)場系統(tǒng)上，打開手動調節(jié)閥QV-103、QV-115、QV-105,調節(jié)QV-116 具有一定開度（閘板高度6毫米左右），其余閥門關閉。3、在控制系統(tǒng)上，將流量計（FT-101）連到控制器AI1輸入端，下水箱液 位（LT-103）連到控制器AI0輸入端，電動調節(jié)閥FV-101連到控制器AO0端。 把變頻器設置為面板操作。4、打開設備電源，包括變頻器電源。5、連接好控制系統(tǒng)和監(jiān)控計算機之間的通訊電纜，啟動控制系統(tǒng)。北京華晟高科教學儀器有限公司編制 第23頁共56頁i huaiecA3000DS004 A3000捽制系統(tǒng)

41、接線設計6、啟動計算機，啟動組態(tài)軟件，進入測試項目界面。啟動調節(jié)器，設置各 項參數(shù)，將調節(jié)器切換到自動控制。7、啟動變頻器到35-50HZ,系統(tǒng)開始運行。在頻率45 Hz下，給定值50%, 記錄最后穩(wěn)定的流量值，寫到組態(tài)界面中。8、如果沒有測量得到K值，則從3開始設置，逐步減少。設置調節(jié)器到普 通PID控制時的最佳值。9、依據(jù)記錄曲線，調整調節(jié)器的 P、I參數(shù)、K參數(shù)。10、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，類同于單回路控制和審級控制系統(tǒng)那樣， 對系統(tǒng)加擾動 信號，擾動的大小與單回路和審級時相同。就是把變頻器從40變動到50Hz。11、通過反復對調節(jié)器和K參數(shù)的調節(jié)，使系統(tǒng)具有較滿意的動態(tài)響應和 較高的靜態(tài)精度。

42、12、使用單回路和審級進行液位控制，流程和審級一樣。增加流量干擾，就 是把變頻器從40變動到50Hz?？刂魄€進行對比，看效果如何。2.3.4 實驗結果及記錄如果前饋反饋的超調量遠遠少于單 PID的超調量，而且控制時間比審級快, 那么就符合理論分析了。液位-流量前饋反饋測試曲線如圖1.1.6所示。K=3。圖1.1.6液位-流量前饋反饋測試曲線2.4 經(jīng)典解耦控制系統(tǒng)實驗2.4.1 工藝過程描述管道壓力和流量解耦控制流程圖如圖2.4.1所示圖2.4.1管道壓力和流量解耦控制流程圖管道壓力和流量解耦控制測點清單如表2.4.1所示表2.4.1管道壓力和流量解耦控制測點清單序號位號或代 號設備名稱用途

43、原始信號類型工程量1FT-102渦輪流量計給水流量II420mADCAI0-3m3/h2PT-101壓力變送器給水壓力420mADCAI150kPa3FV-101電動調節(jié)閥閥位控制210VDCAO0 100%4U-101變頻器頻率控制210VDCAO0 100%水介質由泵P101 （變頻器U-101驅動）從水箱V104中加壓獲得壓頭，經(jīng)手 閥QV-103 （用于兩個支路連接）、流量計 FT-101、壓力傳感器PT101、電動閥 FV-101、水箱V103、手閥QV-116回流至水箱V104而形成水循環(huán)，水箱只作為 一個連通器；其中，給水壓力由壓力變送器PT-101測得，給水流量由FT-101測

44、得。本例為解耦調節(jié)系統(tǒng)，調節(jié)閥 FV-101為被控變量壓力PT-101的操縱變 量，變頻器U-101為被控變量流量FT-101的操縱變量，兩條支路各自的調節(jié)器 的運算輸出通過解耦器的函數(shù)解耦運算，分別去控制各自調節(jié)回路的操縱變量。北京華晟高科教學儀器有限公司編制 第#頁共56頁A3000DS004 A3000捽制系統(tǒng)接線設計管道中流量、壓力控制系統(tǒng)就是相互耦合的系統(tǒng)。變頻器和調節(jié)閥都對系統(tǒng) 的壓力和流量造成影響，因此，當壓力偏大而開大調節(jié)閥時，流量也將增加，如 果此時通過流量控制器作用而調小變頻器， 結果又使管路的壓力下降，變頻器和 調節(jié)閥互相影響，這是一個典型的關聯(lián)系統(tǒng)。關聯(lián)的系數(shù)與溫度等參

45、數(shù)無關。由于系統(tǒng)變頻器調節(jié)I支路流量，調節(jié)閥調節(jié)II支路流量，為了實現(xiàn)解耦實 驗，需要并聯(lián)兩個支路。并管之后還可以選擇使用 II支路的電磁流量計來進行 流量測量。2.4.2 控制算法和編程管道中流量、壓力控制系統(tǒng)就是相互耦合的系統(tǒng)。變頻器和調節(jié)閥都對系統(tǒng) 的壓力和流量造成影響。因此，當壓力偏大而開大調節(jié)閥時，流量也將增加，此 時通過流量控制器作用而調小變頻器， 結果又使管路的壓力下降，變頻器和調節(jié) 閥互問互相影響，這是一個典型的關聯(lián)系統(tǒng)。關聯(lián)的系數(shù)與溫度等參數(shù)無關。 如 圖2.4.2所示：圖2.4.2管道壓力與流量解耦控制實驗我們固定P1在小范圍內，由于不涉及溫度等問題，所以該過程基本上只與

46、壓力和開度有關，是時不變的。如果把P1定義成未知數(shù)，則可以列出一個方程。使用對角矩陣法進行解耦 算法。如圖2.4.3所小。在本測試題中，Gc1為流量-變頻器的調節(jié)器，反作用；Gc2為壓力-調節(jié)閥 的調節(jié)器，正作用。對于對象，被調量與調節(jié)量具有y P關系，這里換一個變量符號。(公式 1.2.1)YiG11G12U1Y2G21G22 U 2加入控制系統(tǒng)，那么調節(jié)量來源于解耦器，調節(jié)器（可以是一個PID調節(jié)器,等等）輸出就是解耦器輸入。U1U2D11D12D21D22U C1U C2(公式 1.2.2)北京華晟高科教學儀器有限公司編制 第29頁共56頁對于采用了解耦器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為丫1G11G12

47、D11D12U C1G21G22D21D22U C2(公式 1.2.3)綜合上面的關系，如果G矩陣的逆存在，則我們可以設計 D就等于它的逆 乘以一個對角陣。以是單位矩陣），這樣可以使得一個被調節(jié)量僅與一個調節(jié)器 輸出量之間有關系，而與另一個獨立。從而達到解耦目的。根據(jù)我們實驗測得P0=80,P2=5,P1設為未知數(shù)x。實際數(shù)值P0=150kPa*80% 水柱，P2=150kPa*5%水柱。那么增益矩陣為：（:。狀(x - 5)/75(80-x)/75(公式 1.2.2)解耦矩陣：(80-x)/(85-2x)(5-x)/(85-2x)(5 - x)/(85 - 2x)(80 - x)/(85 -

48、 2x)(公式 1.2.5)注意壓力與流量有一個限制關系。簡單的，在變頻器為 35Hz,調節(jié)閥開度 50%時，這個壓力和流量將作為系統(tǒng)穩(wěn)定時的給定值，然后在這個值附近變動。 不能變化太大，否則無法穩(wěn)定。如果量程范圍不一樣，或者水泵特性改了，則整個矩陣不同。為了統(tǒng)一，設 置如下：(公式 1.2.5)解耦矩陣：(80-x)/(85-2x) (5-x)/(85-2x)(5 - x)/(85 - 2x) (80 - x)/(85 - 2x)2.4.3 操作過程和調試2.4.4 回路控制程序，下裝調試；編寫單回路測試組態(tài)工程。2、編寫控制器算法程序，下裝調試；編寫測試組態(tài)工程，連接控制器，進 行聯(lián)合調試

49、。這些步驟不詳細介紹。3、在現(xiàn)場系統(tǒng)上，打開手動調節(jié)閥QV-115、QV-103, QV-105,打開QV-116 閘板，其余閥門關閉。注意一定關閉閥門 QV-102, QV-114, QV-111, XV102。4、按照連接表接線：將水泵出口壓力 PT-101連接到AI0;流量計FT-101 輸出到AI1 ; AO0連接到變頻器，AO1連接到電動調節(jié)閥。5、打開測試系統(tǒng)電源，調節(jié)閥通電，變頻器通電。6、可以讓調節(jié)閥全開，事先進行簡單 Pi控制，做流量計-變頻器調節(jié)回路 單獨工作，確定PI控制參數(shù)。7、可以讓變頻器全開，事先進行簡單 Pi控制，壓力變送器-調節(jié)閥調節(jié)回 路單獨工作，確定PI控制

50、參數(shù)。8、引入解耦控制。重新下裝程序，重新運行組態(tài)軟件。一般對調節(jié)器直接 使用單PID的控制參數(shù)，可以適當把比例系數(shù)減少，加大積分時間。9、在兩個調節(jié)器手動的情況下，設置變頻器 35Hz,調節(jié)|彳開度50%,然后 等待系統(tǒng)穩(wěn)定，記錄穩(wěn)定后的壓力和流量。10、把記錄下來的壓力和流量作為系統(tǒng)的給定值寫入。然后把調節(jié)器從手動 改為自動。等待系統(tǒng)穩(wěn)定?？?IB- A3000DS004 A3000捽制系統(tǒng)接線設計11、稍微調節(jié)給定值，例如壓力增大一些。注意一定在一個合理的變動范圍, 否則系統(tǒng)是無法穩(wěn)定的。2.4.5 實驗結果及記錄如果系統(tǒng)在新的給定值下最終達到穩(wěn)定， 那么系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。當然我們發(fā) 現(xiàn)除

51、非壓力很高，或者壓力很小，否則整個系統(tǒng)很容易穩(wěn)定的。范例控制曲線如圖1.2.5所示。流量給定值15% （0.45立方/小時），壓力86.5 % （130KPa）。管道壓力流量輝耦實驗" OOQi15392200 000KUOO.QOC00.000越丘置。：泛胃二il亂的）1巴冷定滸r*第1手©號出Ol« o«©ei40 000疑他200 000：. s -一 * 聲：ISTl2氏楣,52。K2自動K?丘森用腕內檜震oittSH -仙iVi寸一輪6（14910I7J4I fl: Ji1 生”7I;I7?3JBm看:M那二" 15圖1.2

52、.5解耦控制曲線86.6 鎖控制和超馳調節(jié)實驗86.6.1 藝過程描述水介質一路（I路）由泵P101（變頻）從水箱V104中加壓獲得壓頭，經(jīng)由散熱器X-102II 進入車筒E101,通過手閥QV-114至泵P101 （變頻）而形成熱水循環(huán)；另一路（II路）由 泵P102 （工頻）從水箱 V104加壓獲得壓頭，經(jīng)由散熱器 X-102II、手閥QV-113回流至水箱V104而形成冷水循環(huán)；I路循環(huán)水量可由手閥 QV-114來調整，II路水的開啟、切斷可 由電磁閥XV-102來控制。鍋爐液位的極限狀態(tài)可由液位開關LSH-106、LSL-105來產(chǎn)生,鍋爐溫度由熱電阻 TE-101來測得，并經(jīng)控制器判斷發(fā)出鍋筒 E101溫度高、高高等狀態(tài)信 號。這四個信號作為聯(lián)鎖控制的數(shù)字量信號，保證鍋筒在故障狀態(tài)下， 不超過其能承受的極限。邏輯聯(lián)鎖的緊急保護和緊急停車工藝流程圖如圖2.5.1所示。輸入邏輯功能輸出位號用途觸點類型位號設備名稱用途LSL-105，一NCAND=LSKM接觸器調壓模塊 電源通斷舊也”NC|I -! >m巴畤NCX