实验一 网络化控制系统的构成及投运和1.docx
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实验一网络化控制系统的构成及投运和1
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实验一网络化控制系统的构成及投运和
系统控制质量的研究
一、实验目的
1、了解工业控制网络的结构,掌握远程测控系统的组成、信息传输方式、数据的采集和系统的控制。
2、熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
3、掌握单回路控制系统的投运及PID参数整定的方法,定性地研究P、PI和PID控制器的参数对系统控制品质的影响。
二、实验设备
1、A3000-FS现场总线型过程控制现场系统4套
2、A3000-CS上位控制系统4套
三、实验要求
1、熟悉A3000高级过程控制系统实验装置(包括A3000-FS和A3000-CS两部分),了解其工艺流程,掌握各种传感器、变送器、控制器、执行器及计算机控制系统与网络系统等的功能和应用。
2、控制A3000实验装置上某个水箱液位,构建一个双容液位远程测控系统。
要求所构建的控制系统控制性能指标(采用单项指标评定):
过渡过程时间ts=50~100(s)、余差e(∞)=0。
3、确定控制方案,选择控制系统,并画出系统原理方框图、网络结构图和系统接线图。
系统:
DDC控制系统、DCS控制系统或FCS控制系统;
控制器:
智能仪表、PLC控制器、PC机、变频器和虚拟仪器等;
执行器:
调节阀、变频器。
4、任选用一种组态软件(如:
力控、组态王、MCGS或LabVIEW等),根据已确定的控制方案进行系统组态、控制组态与显示组态。
控制系统的人机界面设计要求:
显示相关带控制点的工艺流程图和变量趋势图;具有基本的操作控件(能实现系统设定值及P、I、D参数的设置,自动和手动操作等)。
5、控制系统的组成、投运及参数整定应与工程实际相符合。
四、实验原理及内容
(一)单回路控制系统
1、控制系统结构
2、控制系统的控制方案:
被控变量为水位h,操纵变量为调节阀FV101控制的水流入量Qi。
水箱流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。
在实验中分别采用P、PI、PID控制策略,观察控制效果,比较控制品质。
3、控制系统的原理方框图
如图1-2所示:
图1-2双容水箱液位定值控制实验逻辑图
4、控制系统的网络结构图:
I/O设备组态
数据库组态
PID手操器设置
液灌
趋势图
5、控制系统的投运及运行
(1)设置好控制器的正、反作用和P,I,D参数;
(2)按无扰动切换的要求将控制器从“手动”入“自动”状态。
根据经验法:
控制器的P=12、I=25、D=20,运行后可得下图系统曲线。
远程控制的系统图及曲线如下:
结果分析:
根据PID控制的特性调节参数,使系统达到较满意的状态。
加阶跃信号后观察系统的动态性能,由曲线和响应数据得延迟时间Td=20s,调节时间Ts=70s,超调量为1%(最大峰值49.5cm)。
通过增加比例系数克服扰动,但比例系数的加大会使调节速度加快,曲线变陡,造成调节阀动作幅度的加大,引起被调量的来回波动。
因为在调节参数中加大了积分的作用,降低了系统的稳定程度,使得超调量加大,但对消除余差有较好效果。
在计算机中改变PID参数后,调节阀不能很快动作,特别是在下降到接近阶跃输入设定值时,调节阀输出值减少过慢,使液位超过设定值后仍在下降会造成超调增大。
且调节阀本身存在死区,使得调节时间加长,系统不易稳定。
但是通过PID参数整定,使系统获得较满意的曲线图,最后可从曲线图中看出,系统的检测值与设定值一致,基本偏差。
达到了实验要求的性能指标。
五、思考问题
1、分析积分量I与被控系统的响应时间有什么关系。
如果减少系统被控对象的容积,那么对控制系统的I是应该增大还是减少?
答:
积分作用越强系统响应时间越快;反之,积分作用越弱系统响应时间越长。
当减少系统被控对象的积容时,控制系统的积分作用应该减少。
2、单容液位控制系统的被控对象时间常数TP和KP的大小取决于什么?
答:
确定比例增益P时,首先去掉PID的积分项和微分项,使PID为纯比例调节。
输入设定为系统允许的最大值的60%~70%,由0逐渐加大比例增益,直至出现震荡;在反过来,从此时的P逐渐减小,直至系统震荡消失,记录此时的P,设定此PID的比例增益为当前PID的60%~70%。
此时P调试完成。
3、DDC、DCS和FCS控制系统的结构有何不同?
答:
(1)、DCS包括过程级、操作级和管理级。
过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成,是系统控制功能的主要实施部分。
操作级包括:
操作员站和工程师站,完成系统的操作和组态。
管理级主要是指工厂管理信息系统(MIS系统)
(2)、目前DDC控制系统常采用的网络结构有两种,即Bus总线结构和环流网络结构。
其中Bus总线结构是所有DDC控制器均通过一条Bus总线与集中控制电脑相连,对于环流网络结构,它是利用两根总线形成一个环路,每一个环路可带数个DDC控制器,多个环路之间通过环路接口相联,因此这种系统最大优点就是扩充能力较强。
(3)、FCS采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号,减少大量导线,提高了可靠性和抗干扰能力。
FCS从传感器、变送器到调节器一直是数字信号,
4、根据曲线,分析P,PI,PID控制大致具有哪些趋势特征。
答:
P控制输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系,偏差越大输出越大。
PI控制的比例控制作用迅速及时,积分控制作用消除余差,使曲线迅速达到设定值,并能消除系统的误差。
PID控制的偏差阶跃出现时,微分立即大幅度动作,抑制偏差的这种跃变;比例也同时起消除偏差的作用,使偏差幅度减小,由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律,因此可使系统比较稳定;而积分作用慢慢把余差克服掉。
使系统快速达到稳定。
5、根据这些数据,分析P、I、D参数对控制系统的影响。
答:
(1)、比例环节
用于加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。
越大,系统的响应速度越快,系统的调节精度越高,但易产生超调,甚至会导致系统不稳定。
取值过小,则会降低调节精度,使响应速度缓慢,从而延长调节时间,使系统静态、动态特性变坏。
(2)、积分环节
主要用来消除系统的稳态误差。
越小,系统的静态误差消除越快,但过小,在响应过程的初期会产生积分饱和现象,从而引起响应过程的较大超调。
若过大,将使系统静态误差难以消除,影响系统的调节精度。
(3)、微分环节
能改善系统的动态特性,其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化,对偏差变化进行提前预报。
但过大,会使响应过程提前制动,从而延长调节时间,而且会降低系统的抗干扰性能。
六、实验总结:
通过这次实验,我了解了水箱液位控制系统的结构以及其工作原理。
之前都只是在课本上看到过PID控制,但对其并不太了解。
通过这次实验的操作,更直观的对PID控制中比例环节P、积分环节I、微分环节D在系统控制中起到的作用。
并且学会了用组态软件构建控制系统的网络结构图,用网络对控制现场进行远程控制。
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