DDC控制概述及相关的几个实验secretWord文档格式.docx
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ICP
图1-3ICP7017某一通道接线图
图1-2ICP7017接线图
2、ICP7024模块:
4路电压型模拟量输出,4路电流型模拟量输出。
电流输出范围:
0~20mA,4~20mA
电压输出范围:
-10v~10v,0~10v,-5~5v,0~5v
ICP7024模块外部接线图:
任一通道接线方式:
图1-5ICP7024接线图
图1-4ICP7024接线图
二)、7000Utility软件的使用说明,如图所示:
图1-67000Utility软件启动界面
图1-77000Utility软件设置界面
图1-87000Utility软件通讯检测界面
7000Utility软件主要是为7000系列的模块提供以下功能:
1、检测与主机相连的7000系列模块。
2、设置7000系列的配置。
3、对7000系列各个模块执行数据输入或数据输出。
4、保存检测到模块的信息(文件格式为*.map)
三)、MCGS组态软件的介绍:
MCGS组态软件的安装盘只有一张光盘。
具体安装步骤如下:
启动Windows;
在相应的驱动器中插入光盘;
插入光盘后会自动弹出MCGS安装程序窗口(如没有窗口弹出,则从Windows的“开始”菜单中,选择“运行...“命令,运行光盘中AutoRun.exe文件),MCGS安装程序窗口如下图所示:
在安装程序窗口中选择“安装MCGS组态软件通用版”,启动安装程序开始安装;
随后,安装程序将提示你指定安装目录,用户不指定时,系统缺省安装到D:
\MCGS目录下,如下图所示:
安装过程大约要持续数分钟;
MCGS系统文件安装完成后,安装程序要建立象标群组和安装数据库引擎,这一过程可能持续几分钟,请耐心等待;
安装过程完成后,安装程序将弹出“安装完成”对话框,上面有两个复选框,重新启动计算机和不启动计算机。
一般在计算机上初次安装时需要选择重新启动计算机。
按下“完成”按钮,将结束安装程序的运行,如下图所示:
安装完成后,Windows操作系统的桌面上添加了如下图所示的两个图标,分别用于启动MCGS组态环境和运行环境:
同时,Windows开始菜单中也添加了相应的MCGS程序组,如下图所示;
MCGS程序组包括五项:
MCGS组态环境、MCGS运行环境、MCGS电子文档、MCGS自述文件以及卸载MCGS组态软件。
运行环境和组态环境为软件的主体程序,自述文件描述了软件发行时的最后信息,MCGS电子文档则包含了有关MCGS最新的帮助信息。
MCGS系统的运行方式
MCGS系统分为组态环境和运行环境两个部分。
文件McgsSet.exe对应于MCGS系统的组态环境,文件McgsRun.exe对应于MCGS系统的运行环境。
此外,系统还提供了几个组态完好的样例工程文件,用于演示系统的基本功能。
MCGS系统安装完成后,在用户指定的目录(或系统缺省目录D:
\MCGS)下创建有三个子目录:
Program、Samples和Work。
组态环境和运行环境对应的两个执行文件以及MCGS中用到的设备驱动、动画构件及策略构件存放在子目录Program中,样例工程文件存放在Samples目录下,Work子目录则是用户的缺省工作目录。
分别运行执行程序McgsSet.exe和McgsRun.exe,就能进入MCGS的组态环境和运行环境。
安装完毕后,运行环境能自动加载并运行样例工程。
用户可根据需要创建和运行自己的新工程。
四)、ICP7000计算机组态介绍
ICP7000通过RS485转232通讯硬件和组态软件进行设备通讯组态,可采集到ICP7017输入模块送来的(如:
液位、温度、流量)检测信号,在组态软件里编写(液位、温度、流量)PID控制算法,由计算机送出输出控制信号到ICP7024再经由他们送出到执行机构的控制端,即可组成闭环控制。
通过画面组态,动画组态和策略组态等,可以良好的完成计算机动态实时监控对象的运行情况。
并作出丰富的动态实时、历史图形曲线。
1、组态说明:
组态一共可以分主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库、运行策略5大块内容,完成这五项,即完成的组态的全过程。
在用户窗口选项菜单里,所有的计算机监控界面组态窗口都在用户窗口菜单项里建立。
如下图所示:
ICP7017和ICP7024数据采集是通过下图所示的设备窗口组态来完成的。
详细设置请参看组态软件的帮助文档。
根据不同的实验需要采集的数据不同,设置不同的通道,本装置同时提供4路电压输入通道。
若实验中只要用到一个通道,则不同的实验可以共用一个通道。
比如:
通道AD0上的数据对象为pv1,那么流量、温度、液位等都可以通过这个通道采集上来,只是需要在用户窗口里的控制脚本中把pv1转化为流量、温度、液位的对应值即可。
通道组态连接表:
实验名称
ICP7017通道值
ICP7024通道值
接入信号
数据对象
对应通道号
通道号
实验一、一阶单容系统对象特性测试实验
上水箱液位
pv1
AD0
OP2
DA0
实验二、上水箱液位PID整定实验
实验三、锅炉内胆二位式控制实验
锅炉水温
实验四、锅炉内胆温度控制实验
实验五、锅炉夹套温度控制实验
夹套水温
实验六、电磁流量计流量控制实验
电磁流量
实验七、涡轮流量与小流量比值控制实验
涡轮流量
pv2
AD1
实验八、上下水箱液位串级控制实验
下水箱液位
pv1(主控)
pv2(副控)
OP4
DA1
下图所示是主画面的组态界面:
包括对象的动力支路演示、实时液位的跟踪、给定值的设定、参数的调节、实时曲线和历史曲线的记录、通讯状态的指示等。
下图所示的是实时数据库选项:
在实时数据库里建立数据对象名称,组态里需要用到的变量(如液位、温度、流量、中间变量、比例、积分、微分等)均在此定义,且一个变量对应一个点,点数不能超过128点,若超过128点,运行将出错。
在组态环境运行组态好的程序可以直接按F5或点击
按钮即可进入运行环境。
二、系统实验
实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验
一、实验目的
1)、熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
2)、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线,用相关的方法分别确定它们的参数。
二、实验设备
1)、AE2000过程控制实验装置:
配置:
ICP-7017、7024模块、万用表、上位机软件、计算机、实验连接线。
三、系统结构框图
单容水箱如图1-1所示:
图1-1、单容水箱系统结构图
四、实验原理
阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下,待系统稳定后,通过调节器或其他操作器,手动改变对象的输入信号(阶跃信号)。
同时,记录对象的输出数据或阶跃响应曲线,然后根据已给定对象模型的结构形式,对实验数据进行处理,确定模型中各参数。
图解法是确定模型参数的一种实用方法,不同的模型结构,有不同的图解方法。
单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时,常可用两点法直接求取对象参数。
如图1-1所示,设水箱的进水量为Q1,出水量为Q2,水箱的液面高度为h,出水阀V2固定
于某一开度值。
根据物料动态平衡的关系,求得:
在零初始条件下,对上式求拉氏变换,得:
式中,T为水箱的时间常数(注意:
阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数),T=R2*C,K=R2为过程的放大倍数,R2为V2阀的液阻,C为水箱的容量系数。
令输入流量Q1(S)=RO/S,RO为常量,则输出液位的高度为:
当t=T时,则有:
h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞)
即h(t)=KR0(1-e-t/T)
当t—>
∞时,h(∞)=KR0,因而有
K=h(∞)/R0=输出稳态值/阶跃输入
上式表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数,如图1-2所示。
当由实验求得图1-2所示的
图1-2、阶跃响应曲线
阶跃响应曲线后,该曲线上升到稳态值的63%所对应时间,就是水箱的时间常数T,该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线,切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T,其理论依据是:
上式表示h(t)若以在原点时的速度h(∞)/T恒速变化,即只要花T秒时间就可达到稳态值h(∞)。
五、实验内容和步骤
1、设备的连接和检查:
(1)、关闭阀22,将AE2000A实验对象的储水箱灌满水(至最高高度)。
(2)、打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门:
阀1、阀4、阀7,关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:
阀2、阀6、阀11、阀18、阀21。
(3)、打开上水箱的出水阀:
阀9至适当开度。
(4)、检查电源开关是否关闭
2、系统连线图:
图1-3、实验接线图
1)、关闭电源控制板上的所有电源开关。
2)、按照上图1-3所示进行接线。
3、启动实验装置
1)、将实验装置电源插头接到380V的三相交流电源。
2)、打开电源三相带漏电保护空气开关。
4、实验步骤
1)、打开电动调节阀、24VDC电源开关。
2)、启动计算机MCGS组态软件,进入实验系统相应的实验如图1-4所示:
图1-4、实验软件界面
2)、点击启动模块按钮后,双击设定输出按钮,进行设定输出值的大小,这个值根据阀门开度的大小来给定,一般初次设定值<
5。
开启单相泵电源开关,启动动力支路。
将被控参数液位高度控制在20%处(一般为5cm)。
3)、观察系统的被调量:
上水箱的水位是否趋于平衡状态。
若已平衡,应记录输出值,以及水箱水位的高度h1和测量显示值并填入下表。
亚当模块输出值(0~100)
水箱水位高度h1(mm)
组态显示值(mm)
4)、迅速增加亚当模块手动输出值,增加5%的输出量,记录此引起的阶跃响应的过程参数,均可在上位软件上获得,以此数据绘制变化曲线。
t(秒)
水箱水位
h1(mm)
组态读数
(mm)
5)、直到进入新的平衡状态。
再次记录平衡时的下列数据,并填入下表:
6)、将亚当模块输出值调回到步骤5)前的位置,再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。
重复上述实验步骤。
填入下表:
六、实验报告要求
(1)作出一阶环节的阶跃响应曲线。
(2)根据实验原理中所述的方法,求出一阶环节的相关参数。
七、注意事项
(1)做本实验过程中,阀8不得任意改变开度大小。
(2)阶跃信号不能取得太大,以免影响正常运行;
但也不能过小,以防止对象特性的不真实性。
一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。
(3)在输入阶跃信号前,过程必须处于平衡状态。
八、思考题
(1)在做本实验时,为什么不能任意变化阀9的开度大小?
(2)用两点法和用切线对同一对象进行参数测试,它们各有什么特点?
一、实验目的
1)、通过实验熟悉单回路计算机PID调节控制算法。
2)、分析DDC的P、PI和PID调节过程图形曲线。
3)、编制数字PID算法
二、实验设备
1)、AE2000A型过程控制实验装置:
万用表、上位机软件、计算机、ICP7017、ICP7024模块、实验连接线。
扰动
三、实验原理
给定
液位
上小水箱
电动调节阀
PID控制器
─
+
液位变送
图2-1、实验原理图
图2-1为单回路上水箱液位控制系统,单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定,而调节器只接受一个测量信号,其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度,即控制的任务是控制上小水箱液位等于给定值所要求的高度。
根据控制框图,这是一个闭环反馈单回路液位控制,采用DDC控制。
在单位阶跃作用下,P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-2中的曲线①、②、③所示。
图2-2、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
四、实验步骤
(1)、将AE2000A实验对象的储水箱灌满水(至最高高度)。
阀2、阀6、阀11、阀18、阀21。
(4)、检查电源开关是否关闭。
2、系统连线如图2-3所示:
图2-3、上水箱液位PID参数整定控制接线图
2)、按照上图2-3所示进行接线。
1)、打开亚当模块、电动调节阀、24VDC电源开关。
2)、启动计算机MCGS组态软件,进入实验系统相应的实验如图2-4所示:
图2-4、实验软件界面
(一)、比例调节
1)、打开单相电源泵开关,开始实验。
2)、设定给定值,调整P参数。
3)、待系统稳定后,对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动,一般可通过改变设定值实现)。
记录曲线在经过几次波动稳定下来后,系统有稳态误差,并记录余差大小。
4)、减小P重复步骤5,观察过渡过程曲线,并记录余差大小。
5)、增大P重复步骤5,观察过渡过程曲线,并记录余差大小。
6)、选择合适的P,可以得到较满意的过渡过程曲线。
改变设定值(如设定
值由50%变为60%),同样可以得到一条过渡过程曲线。
7)、注意:
每当做完一次试验后,必须待系统稳定后再做另一次试验。
(二)、比例积分调节器(PI)控制
1)、在比例调节实验的基础上,加入积分作用,即在界面上设置I参数不为0,观察被控制量是否能回到设定值,以验证PI控制下,系统对阶跃扰动无余差存在。
2)、固定比例P值(中等大小),改变PI调节器的积分时间常数值Ti,然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形,并记录不同Ti值时的超调量σp。
表二、不同Ti时的超调量σp
积分时间常数Ti
大
中
小
超调量σp
3)、固定于某一中间值,然后改变P的大小,观察加扰动后被调量输出的动态波形,据此列表记录不同值Ti下的超调量σp。
表三、不同δ值下的σp
比例P
4)、选择合适的P和Ti值,使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。
此曲线可通过改变设定值(如设定值由50%变为60%)来获得。
(三)、比例积分微分调节(PID)控制
1)、在PI调节器控制实验的基础上,再引入适量的微分作用,即把软件界面上设置D参数,然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动,记录系统被控制量响应的动态曲线,并与实验
(二)PI控制下的曲线相比较,由此可看到微分D对系统性能的影响。
2)、选择合适的P、Ti和Td,使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线(阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现)。
3)、在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。
五、实验报告要求
1)、画出单容水箱液位控制系统的方块图。
2)、用接好线路的单回路系统进行投运练习,并叙述无扰动切换的方法。
3)、作出P调节器控制时,不同δ值下的阶跃响应曲线。
4)、作出PI调节器控制时,不同δ和Ti值时的阶跃响应曲线。
5)、画出PID控制时的阶跃响应曲线,并分析微分D的作用。
6)、比较P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。
六、注意事项
1)、实验线路接好后,必须经指导老师检查认可后方可接通电源。
七、思考题
1)、实验系统在运行前应做好哪能些准备工作?
2)、为什么要强调无扰动切换?
3)、如何实现减小或消除余差?
纯比例控制能否消除余差?
实验三、锅炉内胆温度二位式控制实验
1)、熟悉实验装置,了解DDC的二位式温度控制系统的组成。
2)、掌握位式控制系统的工作原理、控制过程和控制特性。
1)、AE2000A型过程控制实验装置
1、温度传感器
温度测量通常采用热电阻元件(感温元件)。
它是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。
其电阻值与温度关系式如下:
Rt=Rt0[1+α(t-t0)]
式中Rt——温度为t(如室温20℃)时的电阻值;
Rt0——温度为t0(通常为0℃)时的电阻值;
α——电阻的温度系数。
可见,由于温度的变化,导致了金属导体电阻的变化。
这样只要设法测出电阻值的变化,就可达到温度测量的目的。
虽然大多数金属导体的电阻值随温度的变化而变化,但是它们并不能都作为测温用的热电阻。
作为热电阻的材料一般要求是:
电阻温度系数小、电阻率要大、热容量要小;
在整个测温范围内,应具有稳定的物理、化学性质和良好的重复性;
并要求电阻值随温度的变化呈线性关系。
但是,要完全符合上述要求的热电阻材料实际上是有困难的。
根据具体情况,目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。
本装置使用的是铂电阻元件PT100,并通过温度变送器(测量电桥或分压采样电路或者AI人工智能工业调节器)将电阻值的变化转换为电压信号。
铂电阻元件是采用特殊的工艺和材料,具有很高的稳定性和耐震动等特点,还具有较强的抗污染能力。
在0~650℃的温度范围内,铂电阻与温度的关系为:
Rt=Rt0(1+At+Bt2+Ct3)
A、B、C是常数,一般A=3.90802*10-31/℃,B=-5.802*10-71/℃,C=-4.2735*10-121/℃。
Rt-t的关系称为分度表,用分度号来表示。
2、二位式温度控制系统
二位控制是位式控制规律中最简单的一种。
本实验的被控对象是1KW电加热管,被控制量是复合小加温箱中内套水箱的水温T,智能调节仪内置继电器线圈控制的常开触点开关控制电加热管的通断,图3-1为位式控制系统的方块图。
图3-1、位式调节器的特性图
由图3-1可见,在一定的范围内不仅有死区存在,而且还有回环。
因而图3-2所示的系统实质上是一个典型的非线性控制系统。
执行器只有“开”或“关”两种极限工作状态,故称这种控制器为两位调节器。
该系统的工作原理是当被控制的水温T小于给定值时,即给定值>
测量值,且当e=VS-VP≥dF时,调节器的继电器线圈接通,常开触点变成常闭,电加热管接通380V电源而加热。
随着水温T的升高,Vp也不断增大,e相应变小。
若T高于给定值,即Vs〈Vp,e=Vg-Vi=负值,若e≤-dF时,则两位调节器的继电器线圈断开,常闭触点变成常开,切断电加热管的供电。
由于这种控制方式具有冲击性,易损坏元器件,只是在对控制质量要求不高的系统才使用。
图3-2位式控制系统的方块图
如图3-2位式控制系统的方框图所示,温度给定值在智能仪表上通过设定获得。
被控对象为锅炉内胆中的三相电热管,被控制量为内胆水温。
它由铂电阻PT100测定,输入到智能调节仪上。
根据给定值加上dF与测量的温度相比较向继电器线圈发出控制信号,从而达到控制水箱温度的目的。
由过程控制原理可知,双位控制系统的输出是一个断续控制作用下的等幅振荡过程,如图4-3所示。
因此不能用连续控制作用下的衰减振荡过程的温度品质指标来衡量,而用振幅和周期作为品质指标。
一般要求振幅小,周期长,然而对同一双位控制系统来说,若要振幅小,则周期必然短;
若要周期长,则振幅
必然大。
因此通过合理选择中间区以
使振幅在限定范围内,而又尽可能获
得较长的周期。
3-3双位控系统的过程曲线
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