过程控制上水箱液位与进水流量串级控制系统Word文件下载.docx
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2、检测装置
压力传感器、变送器:
采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器,扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片,同时采用信号隔离技术,对传感器温度漂移跟随补偿。
温度传感器:
本装置采用六个Pt100传感器,分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。
六个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器,直接转化成数字信号;
另外五路经过常规温度变送器,可将温度信号转换成4~20mADC电流信号。
流量传感器、转换器:
流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。
本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量,调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。
3、执行机构
调节阀:
采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀,用来进行控制回路流量的调节。
它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。
变频器:
本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器,其输入电压为单相AC220V,输出为三相AC220V。
水泵:
本装置采用磁力驱动泵,型号为16CQ-8P,流量为32升/分,扬程为8米,功率为180W。
可移相SCR调压装置:
采用可控硅移相触发装置,输入控制信号为4~20mA标准电流信号。
输出电压用来控制加热器加热,从而控制锅炉的温度。
电磁阀:
在本装置中作为气动调节阀的旁路,起到阶跃干扰的作用。
电磁阀型号为:
2W-160-25;
工作压力:
最小压力为0Kg/㎝2,最大压力为7Kg/㎝2;
工作温度:
-5~80℃。
4、控制器
控制器采用SIEMENS公司的S7300CPU,型号为315-2DP,本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口,又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。
5、空气压缩机
1.2电源控制台
电源控制屏面板:
充分考虑人身安全保护,带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。
仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统,由于它预留了升级接口,因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。
1.3总线控制柜
总线控制柜有以下几部分构成:
(1)控制系统供电板:
该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V,给主控单元和DP从站供电。
(2)控制站:
控制站主要包含CPU、以太网通讯模块、DP链路、分布式I/ODP从站和变频器DP从站构成。
(3)温度变送器:
PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。
2串级控制系统简介
2.1串级控制系统的概述
图2.1是串级控制系统的方框图。
该系统有主、副两个控制回路,主、副调节器相串联工作,其中主调节器有自己独立的给定值R,它的输出m1作为副调节器的给定值,副调节器的输出m2控制执行器,以改变主参数C1。
图2.1串级控制系统方框图
2.2串级控制系统的特点
(1)改善了过程的动态特性;
(2)能及时克服进入副回路的各种二次扰动,提高了系统抗扰动能力;
(3)提高了系统的鲁棒性;
(4)具有一定的自适应能力。
2.3主、副调节器控制规律的选择
在串级控制系统中,主、副调节器所起的作用是不同的。
主调节器起定值控制作用,它的控制任务是使主参数等于给定值(无余差),故一般宜采用PI或PID调节器。
由于副回路是一个随动系统,它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律,对副参数的动态性能和余差无特殊的要求,因而副调节器可采用P或PI调节器。
2.4串级控制系统的整定方法
在工程实践中,串级控制系统常用的整定方法有以下三种:
1、逐步逼近法:
在主回路断开的情况下,按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数,把副调节器的参数设置在所求的数值上,然后使主回路闭合,仍按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。
尔后,将主调节器参数设置在所求得的数值上,再进行整定,求取第二次副调节器的整定参数值,然后再整定主调节器。
依此类推,逐步逼近,直至满足动态品质指标要求为止。
2、两步整定法:
两步整定法就是第一步整定副调节器参数,第二步整定主调节器参数。
整定的具体步骤为:
(1)在工况稳定,主回路闭合,主、副调节器都在纯比例作用条件下,主调节器的比例度置于100%,然后用单回路控制系统的衰减(如4:
1)曲线法来整定副回路。
记下相应的比例度δ2S和振荡周期T2S。
(2)将副调节器的比例度置于所求得的δ2S值上,且把副回路作为主回路中的一个环节,用同样方法整定主回路,求取主回路的比例度δ1S和振荡周期T1S。
(3)根据求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值,按单回路系统衰减曲线法的整定公式,计算主、副调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间Td的数值。
(4)按“先副后主”,“先比例后积分最后微分”的整定程序,设置主、副调节器的参数,再观察过渡过程曲线,必要时进行适当地调整,直到过程的动态品质达到满意为止。
3、一步整定法:
一步整定法,就是根据经验先确定副调节器的参数,然后将副回路作为主回路的一个环节,按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。
具体的整定步骤为:
(1)在工况稳定,系统为纯比例作用的情况下,根据K02/δ2=0.5这一关系式,通过副回路的放大系数K02,求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取,并将其设置在副调节器上。
(2)按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。
(3)改变给定值,观察被控制量的响应曲线。
根据主调节器放大系数K1和副调节器放大系数K2的匹配原理,适当调整调节器的参数,使主参数的动态品质指标最佳。
(4)如果出现较大的振荡现象,只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数TI,即可得到改善。
3上水箱液位与进水流量串级控制系统
3.1实验设备:
1.THJ-FCS型高级过程控制系统实验装置。
2.计算机及相关软件。
3.2液位-流量串级控制系统的结构框图
图3.1液位-流量串级控制系统的结构框图
3.3系统工作原理
本系统的主控量为上水箱的液位高度H,副控量为气动调节阀支路流量Q,它是一个辅助的控制变量。
系统由主、副两个回路所组成。
主回路是一个定值控制系统,要求系统的主控制量H等于给定值,因而系统的主调节器应为PI或PID控制。
副回路是一个随动系统,要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律,以达到对主控制量H的控制目的,因而副调节器可采用P控制。
但选择流量作副控参数时,为了保持系统稳定,比例度必须选得较大,这样比例控制作用偏弱,为此需引入积分作用,即采用PI控制规律。
引入积分作用的目的不是消除静差,而是增强控制作用。
显然,由于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常数,因而当主扰动(二次扰动)作用于副回路时,通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。
3.4控制系统流程图
控制系统流程图如图3.2所示。
图3.2控制系统流程图
本实验主要涉及三路信号,其中两路是现场测量信号上水箱液位和管道流量,另外一路是控制阀门定位器的控制信号。
本实验中的上水箱液位信号是标准的模拟信号,与SIEMENS的模拟量输入模块SM331相连,SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连,ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上,PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP(CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站),这样就完成了现场测量信号向控制器CPU315-2DP的传送。
本实验中的流量检测装置(电磁流量计)和执行机构(阀门定位器)均为带PROFIBUS-PA通讯接口的部件,挂接在PROFIBUS-PA总线上,PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据,PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP。
由于PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP总线中信号传输是双向的,这样既完成了现场检测信号向CPU的传送,又使得控制器CPU315-2DP发出的控制信号经PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线,以控制执行机构阀门定位器。
3.5实验过程
本实验选择上水箱和气动调节阀支路组成串级控制系统(也可采用变频器支路)。
实验之前先将储水箱中贮足水量,然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开,将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度,其余阀门均关闭。
1、接通控制系统电源,打开用作上位监控的的PC机,进入的实验主界面。
2、在实验主界面中选择本实验项即“上水箱液位与进水口流量串级控制实验”,系统进入正常的测试状态,呈现的实验界面如图3.3所示。
图3.3实验界面
3、在上位机监控界面中,将副调节器设置为“手动”,并将输出值设置为一个合适的值。
4、合上三相电源空气开关,磁力驱动泵上电打水,适当增加/减少副调节器的输出量,使上水箱的液位稳定于设定值。
5、整定调节器的参数,并按整定得到的参数对调节器进行设定。
6、待上水箱进水流量相对稳定,且其液位稳定于给定值时,将调节器切换到“自动”状态,待液位平衡后,通过以下几种方式加干扰:
(1)突增(或突减)设定值的大小,使其有一个正(或负)阶跃增量的变化;
(2)将气动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4(同电磁阀)开至适当开度;
(3)将阀F1-5、F1-13开至适当开度;
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5%~15%,干扰过大可能造成水箱中水溢出。
加入干扰后,水箱的液位便离开原平衡状态,经过一段调节时间后,水箱液位稳定于新的设定值(后面两种干扰方法仍稳定在原设定值)。
通过实验界面下边的切换按钮,观察计算机记录的设定值、输出值和参数,上水箱液位的响应过程曲线将如图3.4所示。
图3.4上水箱液位阶跃响应曲线
7、适量改变调节器的PID参数,重复步骤6,观察计算机记录不同参数时系统的响应曲线。
3.6实验结果分析
3.6.1整定过程分析
3.5主调节器设定
(1)如图3.5所示,在工况稳定,主回路闭合,主、副调节器都在纯比例作用条件下,主调节器的比例度置于100%,然后用单回路控制系统的衰减(如4:
置副调节时间为最大值,微分时间为0,比例带为较大值,将系统投入运行。
待系统稳定之后,做设定值阶跃扰动,观察响应,若系统衰减太快,则减小比例带;
若过慢,则增大比例带。
如此反复直到系统出现4:
1衰减震荡过程。
上述过程为根据图形进行的理论计算,在试实验中用试凑法进行整定。
其方法为设置几组参数,分别投入运行,观察系统的响应曲线。
原则为先整定副回路再整定主回路,先进行比例积分最后进行微分,比较各个步骤的曲线找出每组最优。
将所得的各个参数结合起来,得到最终的整定参数。
3.6.2扰动下的响应分析
将设定值改变之后得到如下图所示的响应曲线
图3.6响应曲线
则系统受到设定值干扰之后,其稳态值变大。
同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。
对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。
例如此控制系统中有一次干扰和二次干扰,则二次干扰就影响前面的调节阀,副调节器灯扰动点前的环节。
3.6.3主、副调节器采用不同调节器时对系统动态性能的影响
(1)副调节器参数不变,主调节器分别采用P调节,PI调节和PID调节系统响应曲线如下图所示:
图3.7主调节器采用P调节,
图3.8主调节器采用PI调节
图3.9主调节器采用PID调节
(2)主调节器参数不变,副调节器分别采用P调节,PI调节和PID调节系统响应曲线如图所示:
图3.10副调节器采用P调节
图3.11副调节器采用PI调节
图3.12副调节器采用PID调节
分别比较图3.7和3.8,图3.10和3.11可知,纯比例调节器是一种最简单的调节器,它对控制作用和扰动作用的响应都很快。
这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。
引入积分作用之后,利用P调节快速抵消干扰的影响,同时利用I调节消除残差,但I调节会降低系统的稳定性,最大动态偏差减小,使系统响应更加理想。
比较图3.8和3.9,图3.11和3.12可知,引入微分作用之后,由于微分的超前作用,能增加系统的稳定度,加快系统的调节过程,减小动态误差。
但微分抗干扰能力较差,且微分过大,易导致调节阀动作向两端饱和调节变快,调节阀变化速度加快。
而且抑制被调量的振荡,能够提高控制系统稳定性。
综上所述PID调节器是最为理想的调节器,它具有各类调节器的优点,因而使系统具有更高的控制质量。
但具体的系统使用何种调节器根据系统控制要求而定。
在此系统中主调节器起定值控制作用,它的控制任务是使主参数等于给定值(无余差),故一般宜采用PI或PID调节器。
3.6.4主、副调节器采用不同PID参数时对系统动态性能的影响
副调节器变化各个曲线如下图所示:
图3.13副调节器
图3.14比例度变化的副调节器
图3.15积分时间变化的副调节器
图3.与图3.14比例度发生变化,图3.14与图3.15积分时间发生变化,其具体参数变化对控制系统的影响在主调节器中进行比较。
1、积分时间对系统影响
图3.16主调节器
图3.17积分时间变化的主调节器
分析图3.16和图3.17:
图3.16中积分时间Ti为30000ms,图3.17中积分时间Ti为10000ms,则积分时间减小。
减小积分时间则控制系统稳定程度降低,振荡频率变高,而最大动态偏差减小。
2、微分时间对控制系统的影响
图3.18主调节器
图3.19微分时间变化的主调节器
图3.18中微分时间为5000ms,图3.19中微分时间为10000ms,微分时间加大则调节速度加快,调节器遇见性变强,调节阀开始动作的时间较早。
3、比例度对控制系统的影响
图3.20主调节器
图3.21比例度变化的主调节器
图3.20中比例度为1,图3.21中比例度减小为0.8.比较两图,已知比例度与比例带成反比,则比例带越大,残差越大,调节阀动作幅度变小,被调量的变化也比较平稳。
比例带越小对控制作用和扰动作用的响应越快。
总结
通过这次课程设计,我们接触到了过程控制在实验系统中的应用、调试,这让我对过程控制的实现方法,应用领域都有了较深的印象。
在设计过程中我们遇到了很多困难,我们知道了理论和实际的距离,也知道了理论和实际想结合的重要性,同时也增长了许多在课堂上没学到的知识,使我大开眼界。
自己今后将会更加的把理论知识和实际应用结合起来,提高自己的能力。
参考文献
[1]金以慧.过程控制.清华大学出版社,1993
[2]蒋慰孙.俞金寿.过程控制工程.电子工业出版社,1988
[3]孙洪程.李大字.翁维勤.过程控制工程.高等教育出版社,2006
[4]潘立登.过程控制.机械工业出版社,2008
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