过程控制仿真系统实验指导书.docx
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过程控制仿真系统实验指导书
目录
前言3
第一章对象特性测试实验4
第一节测试对象特性的方法4
实验一上水箱特性测试实验14
实验二下水箱特性测试实验15
实验三二阶液位特性测试实验16
实验四温度加热器特性测试实验17
实验五调节阀特性测试实验18
第二章单闭环控制系统实验19
实验一压力单闭环控制系统实验22
实验二温度单闭环控制系统实验23
实验三液位单闭环控制系统实验24
实验四流量单闭环控制系统实验25
实验五二阶液位控制系统实验26
第三章串级控制系统实验27
串级控制系统的设计与整定27
实验一上水箱液位和流量串级控制系统实验30
实验二上、下水箱液位串级控制系统实验32
第四章前馈控制系统实验34
前馈控制系统的原理34
实验一前馈反馈控制系统实验35
前言
过程控制模拟仿真系统是通过计算机仿真技术,将各种过程物理对象转换成数学模型,开发出对象的一阶和二阶过程的动态特性数学模型,计算机动态模拟,达到和真实的控制系统相一致的仿真目的,在教学实验应用方面具有很好的效果。
在仿真系统界面中,设置有各种过程控制器件,包括变频器、水泵、电动调节阀、压力变送器、温度变送器、液位变送器、流量变送器、加热器等。
管道设置为两条回路,主回路用红色管道表示,副回路用白色管道表示,管道为动态流水显示。
在系统运行状态下,只要打开流水管道,就会观察到动态流水过程,比较形象直观。
同时,在各个器件上方的动态文本里显示的是当前的实际值,水箱上标有液位刻度,可以直观的观察液位高度。
系统最右上方一栏显示的是各器件变送的电流值,变送输出电流为标准电流4~20mA,右下方的为输入控制电流,是用来控制调节阀,加热器,变频器,输入电流为标准4~20mA。
该仿真系统将计算机内部变送电流数值通过牛顿模块输出为实际的电流值,而实际控制模拟输入电流又可通过牛顿模块转换为数字信号输入到计算机内。
系统也同样设置了内、外控制选择按钮,选择内控,可以在系统内手动输入变频器电流以及其他输入信号;选择外控,则系统的的输入标准电流通过外部模拟输入来进行控制。
同时,仿真系统还设置了过程曲线采集窗口,在系统运行时点击曲线测试就可以直观的观察被控变量的变化趋势,也可以很方便的记录打印过程变化的曲线。
该仿真系统能完成对象特性测试实验、单闭环控制系统实验、串级控制系统实验、流量比值控制系统实验、前馈反馈控制系统实验、Smith控制系统实验、解耦控制系统实验以及变比值控制系统实验等,在后面几章里将介绍仿真系统在各实验内容中的操作使用。
第一章对象特性测试实验
第一节测试对象特性的方法
工业过程动态数学模型的表达方式很多,其复杂程度相差悬殊。
对于数学模型,应根据实际应用情况提出适当的要求。
一般说来,用于控制的数学模型并不要求十分准确。
闭环控制本身具有一定的鲁棒性,模型本身的误差可视为干扰,而闭环控制在某种程度上具有自动消除干扰的能力。
实际生产过程的动态特性非常复杂,往往需要作很多近似处理。
有些近似处理需要作线性化处理、降阶处理等,但却能满足控制的要求。
建立数学模型有两个基本方法,即机理法和测试法。
测试法一般只用于建立输入输出模型。
它的特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子,完全从外部特性上测试和描述它的动态性质,因此不需要深入掌握其内部机理。
一、测试法求取传递函数
通过简单的测试获得被被控对象的阶跃响应,进一步把它拟合成近似的传递函数,是建立被控对象数学模型简单有效的方法。
用测试法建立被控对象的数学模型,首先要选定模型的结构。
典型的工业过程的传递函数可以取为各种形式,例如:
1、一阶惯性环节加纯延迟
一阶惯性环节的传递函数:
延迟环节的传递函数为:
一阶加纯滞后对象的传递函数
图3.1.1
对于有纯滞后的一阶对象,滞后时间可直接由图中测量出纯滞后时间τ。
2、二阶或高阶惯性环节加纯延迟
在确定传递函数的形式后,要对函数中的各个参数与测试的响应曲线进行拟合。
如果阶跃响应是如图3-2所示的S形单调曲线,就可以用一阶惯性加纯延迟对象的传递函数去拟合。
增益K由输入输出的稳态值直接算出,而τ和T则可以用作图法确定。
图3.1.2
在曲线的拐点p作切线,它与时间轴交于A点,与曲线的稳态渐进线交于B点。
0A段的值即为纯滞后时间τ,CB段的值即为时间常数T,这样就确定了τ和T的数值。
如图3-2所示。
3、放大倍数K的求取
阶跃反应曲线法概述
这是一种开环整定方法,即利用系统广义过程的阶跃响应特性曲线对调节器参数进行整定。
具体做法是:
对图3-6所示系统,先使系统处于开环状态。
再在调节阀GV(s)的输入端施加一个阶跃信号,记录下测量变送环节Gm(s)的输出响应曲线y(t)。
根据这个阶跃响应试验曲线将广义被控过程的传递函数近似表示如下:
对于无自衡能力的广义过程,传递函数可写为:
(1-2)
对于有自衡能力的广义过程,传递函数可写为:
(1-3)
假设是单位阶跃响应,则式中各参数的意义如图3-7中所示。
一、自恒一阶水箱PID控制参数求取方法:
(1)过程控制一阶水箱广义K=
值计算公式:
电机和阀门增益
为阀门流量的非线性系数0<
<1
水箱增益
,液位高度变化量
单位:
m
流量的变化量
单位:
m³/h
液位变送器增益
广义被控对象的K值的求取方法:
(0<
<1)一般取值0.7
(2)根据阶跃反应曲线测量出τ和T的值,按照表1-2选取合适的计算方法,将参数代入公式计算出PID的数值,液位控制一般采用P、I控制方式。
二、过程控制温度特性K值计算公式:
加热模块的K值,
为加热模块的非线性系数0<
<1
锅炉对象的K值
温度变送器的K值
广义被控对象的K值的求取方法:
(0<
<1)一般取值0.8
(2)根据阶跃反应曲线测量出τ和T的值,按照表1-2选取合适的计算方法,将参数代入公式计算出PID的数值,液位控制一般采用P、I控制方式。
注意:
K值受锅炉水流Q的影响,水流大则K小,所以要在固定PID参数下得到好的调节效果,必须保证进入锅炉水流大小的稳定。
三、过程控制流量特性K值计算公式:
阀门和电机的K值,
为阀门流量的非线性系数0<
<1
单位:
米
单位:
m³/h
流量变送器的K值
广义被控对象的K值的求取方法:
(0<
<1)一般取值0.7
(2)根据阶跃反应曲线测量出τ和T的值,按照表1-2选取合适的计算方法,将参数代入公式计算出PID的数值,液位控制一般采用P、I控制方式。
注意:
由于阀门主要是为得到流量的快速性,而设计成等百分比特性,阀门的K值在不同点有所不同,所以在控制流量的时候要选择适当的工作区间。
一般选取30%~70%工作流量。
五:
实验中应注意的问题
1.测试前系统处于正常的工作状态(平衡状态),反应曲线的初始点应是输入信号的开始作阶跃信号的瞬间,这一段时间必须在记录纸上标出,以便推算纯滞后时间τ。
测试与记录工作必须持续到输出参数达到新的稳态值。
2.在阶跃反应的曲线中,必须注意工作点与阶跃幅值的选取。
3.每次实验应在相同的条件下进行两次以上。
只有在所测试数据相同时方为合格。
4.为了进行线性校验,可作正、负种两干扰进行比较,也可作不同扰动量的实验。
5.调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容之一。
它的任务是:
根据被控过程的特性确定PID调节器的比例度δ,积分时间TI及微分时间TD的大小。
在简单的过程控制系统中,调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标,保证系统具有一定的稳定裕量。
调节器参数整定的方法很多,概括起来可分为两大类:
一是理论计算整定法。
它主要依据系统的数学模型,采用控制理论中的根轨迹法,频率特性法等,经过理论计算确定调节器的数值。
这种方法不仅计算烦琐,而且过分依赖数学模型,所得到数据未必直接可用,还必须通过实际进行调整和修改。
因此,理论计算整定法除了有理论指导意义外,工程实际中较少采用。
二是工程整定法,它主要依靠工程经验,直接在过程控制的实验中进行,且方法简单,易于掌握,相当实用,从而在工程实际中被广泛采用。
调节器的工程整定方法,主要有临界比例度法、衰减曲线法、阶跃响应曲线法。
二临界比例度法
这是一种闭环整定方法。
由于该方法直接在闭环系统中进行,不需测试过程的动态特性,因此方法简单,使用方便,获得了广泛的应用。
具体步骤如下:
先将调节器的积分时间TI置于最大(TI=∞)微分时间TD置零(TD=0),比例度δ置为较大的数值,使系统投入闭环运行。
待系统运行稳定后,对设定值施加一个阶跃扰动,并减小δ,直到系统出现如图3.8.1所示的等幅震荡,即临界震荡过程。
记录此时的δK(临界比例带)和等幅震荡周期TK。
根据记录的δK和TK,按表给出的经验公式计算出调节器的δ、TI及TD的参数。
图3.8.1系统的临界震荡
表3.8.1采用临界比例度法的整定参数
整定参数
调节规律
δ(%)
TI
TD
P
2δK
PI
2.2δK
0.85TK
PID
1.7δK
0.5TK
0.125TK
需要指出的是,采用这种方法整定调节器的参数时会受到一定的限制,如有些过程控制系统不允许进行反复震荡实验,像锅炉给水系统和燃烧控制系统等,就不能应用此法。
再如某些时间常数较大的单容过程,采用比例调节时根本不可能出现等幅振荡,也就不能应用此法。
三衰减曲线法
这种方法临界比例度法相类似,所不同的是无需出现等幅振荡过程,具体方法如下:
●先置调节器积分时间TI=∞,微分时间TD=0,比例带δ置于较大的值。
将系统投入运行。
●待系统工作稳定后,对设定值作阶跃扰动,然后观察系统的响应。
若响应振荡衰减太快,就减小比例带;反之,则增大比例带。
如此反复,直到出现如图3.8.2a所示的衰减比为4:
1的振荡过程时,或者如图3.8.2b所示的10:
1振荡过程时,记录此时的δ值(设为δS),以及TS的值(如图3.8.2a中所示),或者Tr的值(如图3.8.2b中所示)。
图3.8.2系统衰减振荡曲线
●按表中所给的经验公式计算δ、TI及TD的参数。
表3.8.2衰减曲线法整定计算公式
衰减率
整定参数
调节规律
δ(%)
TI
TD
0.75
P
δS
PI
1.2δS
0.5TS
PID
0.8δS
0.3TS
0.1TS
0.90
P
δS
PI
1.2δS
2Tr
PID
0.8δS
1.2Tr
0.4Tr
图3.8.2中,TS为衰减振荡周期,Tr为响应上升时间。
衰减曲线对多数过程都适用,该方法的缺点是较难确定4:
1的衰减程度,从而较难得到准确的δ、TI及TD的值。
根据阶跃响应试验曲线求得广义过程的传递函数以后,就可以分别按表1-1、表1-2中的近似经验公式计算调节器的参数。
表1-1ψ=0.75过程无自衡能力的整定计算公式
调节规律
GC(s)
δ
TI
TD
P
1/δ
ετ
PI
1.1ετ
3.3τ
PID
0.85ετ
2τ
0.5τ
表1-2ψ=0.75过程有自衡能力时的整定计算公式
调节规律
GC(s)
≤0.2
0.2≤
≤1.5
δ
TI
TD
δ
TI
TD
P
PI
3.3τ
0.8T0
PID
2τ
0.5τ
0.81T0
+0.19τ
0.25T1
在表1-1和表1-2中,没有考虑PD调节器的参数如何整定。
若有需要,在ψ=0.75的前提下,可在P调节器参数整定的基础上确定PD调节器的整定参数,即先按照上两表算出P调节器的δ值设为δP,再按以下两式计算PD调节器的δ值和TD值。
δ=0.8δP;TD=(0.25~0.3)τ(1-4)
反应曲线法是由齐格勒(Ziegler)和尼科尔斯(Nichols)于1942年首先提出的。
之后经过多次改进,还总结出不少调节器最佳参数整定公式。
对象数学模型的求取实例:
15秒的延迟时间,T=74秒。
水箱的k=0.72广义的K=0.3618
τ/T=15/74=0.2027
δ=0.080671
P=12.3I=49.5秒
三分之一格水箱对象的传函:
----------------------------------------------------------------
13秒延迟。
T=212秒。
流量变化0.153水高度变化0.12米
水箱的k=0.7843广义的K=0.3678
τ/T=13/212=0.06132
P=40.3I=42.9
二阶液位实验,
τ=73秒;T=165秒流量变化0.153水高度变化0.102米
水箱的k=0.666广义的K=0.3123
τ/T=73/165=0.4424
P=4.222I=132
二阶液位第二次试验,1:
3水箱容积。
τ=120秒,T=300秒,流量变化0.177水高变化0.102米
τ/T=120/300=0.4
水箱的k=0.5762广义的K=0.27027
P=4.447I=240
纯P调节P=4.8917
----------------------------------
科恩—库恩公式得到:
P=8.628I=220.2
说明:
用不同的公式计算出来的结果相差很大,所以做实验必需选择相对较好的公式,水箱一阶液位一般选用0.2前的公式。
二阶选用大于0.2的公式。
实验一上水箱特性测试实验
一、实验目的
了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项,学会运用智能调节器和计算机控制仿真系统进行实验。
通过实验,了解对象特性曲线的测量的思路和方法,掌握对象模型参数的求取方法。
二、实验设备
过程控制模拟仿真系统计算机、调节器(或控制计算机)
三、实验步骤
在实验开始前,先要保证挂箱通电,牛顿模块能正常工作,挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来,保证牛顿模块可以正常通讯。
1.了解实验内容,根据控制系统的方框图接好线路,确认无误后接通电源。
2.打开力控,点击运行,激活模拟仿真系统。
3.打开仿真系统的手动阀2、3、4,确认其他水阀为关闭状态。
4.设置调节器参数,使用手动输出功能,给上水箱液位一定值。
5.点击系统的“变频器启动”按钮,将变频器和主调节阀置在内控状态下,给变频器和主调节阀分别输入一个合适的电流值,此时系统由变频器控制水泵经主回路进行恒压供水。
6.其它实验步骤和要求详见过程控制实验装置实验指导用书相关章节。
当然,也可以将变频器和主调节阀置在外控状态下,由计算机控制仿真系统完成本实验。
四、实验报告
根据实验结果编写实验报告,并计算出K、T、τ的平均值,写出系统的广义传递函数(等效成惯性环节,K为静态增益,T为时间常数,τ为延迟时间)。
实验二下水箱特性测试实验
一、实验目的
了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项,学会运用调节器和计算机控制仿真系统进行实验。
通过实验,了解对象特性曲线的测量的思路和方法,掌握对象模型参数的求取方法。
二、实验设备
过程控制模拟仿真系统计算机、调节器(或控制计算机)
三、实验步骤
在实验开始前,先要保证挂箱通电,牛顿模块能正常工作,挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来,保证牛顿模块可以正常通讯。
1.了解实验内容,根据控制系统的方框图接好线路,确认无误后接通电源。
2.打开力控,点击运行,激活模拟仿真系统。
3.打开仿真系统的手动阀7、4,确认其他水阀为关闭状态。
4.设置调节器参数,使用手动输出功能,给下水箱液位一定值。
5.点击系统的“变频器启动”按钮,将变频器和副调节阀置在内控状态下,给变频器和副调节阀输入一个合适的电流值,此时系统由变频器控制水泵经副回路给下水箱进行恒压供水。
6.其它实验步骤和要求详见过程控制实验装置实验指导用书相关章节。
当然,也可以将变频器和副调节阀置在外控状态下,由计算机控制仿真系统完成本实验。
四、实验报告
根据实验结果编写实验报告,并计算出K、T、τ的平均值,写出系统的广义传递函数(等效成惯性环节,K为静态增益,T为时间常数,τ为延迟时间)。
实验三二阶液位特性测试实验
一、实验目的
了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项,学会运用调节器和计算机控制仿真系统进行实验。
通过实验,掌握二阶对象的特性曲线测量方法,测量时应注意的问题,对象模型参数的求取方法。
二、实验设备
过程控制模拟仿真系统计算机、调节器(或控制计算机)
三、实验步骤
在实验开始前,先要保证挂箱通电,牛顿模块能正常工作,挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来,保证牛顿模块可以正常通讯。
1.了解实验内容,根据控制系统的方框图接好线路,确认无误后接通电源。
2.打开力控,点击运行,激活模拟仿真系统。
3.打开仿真系统中的手动阀2、3、4,并确认其他水阀为关闭状态。
4.点击系统的“变频器启动”按钮,将变频器和主调节阀置在内控状态下,给变频器和主调节阀输入一个合适的电流值,此时系统由变频器控制水泵由主回路进行恒压供水。
5.其它实验步骤和要求详见过程控制实验装置实验指导用书相关章节。
当然,也可以将变频器和主调节阀置在外控状态下,由计算机控制仿真系统完成本实验。
四、实验报告
根据实验结果编写实验报告,并根据K、T、τ平均值写出广义的传递函数。
实验四温度加热器特性测试实验
一、实验目的
了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项,学会运用调节器和计算机控制仿真系统进行实验。
通过模拟仿真实验,了解实际实验装置中加热系统的原理、作用及其操作方法。
通过实验掌握对象特性的曲线测量方法,测量时应注意的问题,对象模型参数的求取方法。
二、实验设备
过程控制模拟仿真系统计算机、调节器(或控制计算机)
三、实验步骤
在实验开始前,先要保证挂箱通电,牛顿模块能正常工作,挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来,保证牛顿模块可以正常通讯。
1.了解实验内容,根据控制系统的方框图接好线路,确认无误后接通电源。
2.打开力控,点击运行,激活模拟仿真系统。
3.为简化实验内容,系统默认锅炉内的水是满的,无需再向加热桶内注水。
4.将所有水阀都处于关闭状态。
5.将系统的加热器置为内控状态,给加热器输入一个合适的电流值。
6.其它操作步骤和实验要求详见过程控制实验装置实验指导用书相关章节。
当然,也可以将加热器置在外控状态下,由计算机控制模拟仿真系统完成本实验。
四、实验报告
根据实验结果编写实验报告,并根据K、T、τ平均值写出广义的传递函数。
实验五调节阀特性测试实验
一、实验目的
了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项,学会运用调节器和计算机控制模拟仿真系统进行实验。
通过实验掌握对象特性的曲线测量方法,测量时应注意的问题,对象模型参数的求取方法。
二、实验设备
过程控制模拟仿真系统计算机、调节器(或控制计算机)
三、实验步骤
在实验开始前,先要保证挂箱通电,牛顿模块能正常工作,挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来,保证牛顿模块可以正常通讯。
1.了解实验内容,根据控制系统的方框图接好线路,确认无误后接通电源。
2.打开力控,点击运行,激活模拟仿真系统。
3.打开仿真系统的手动阀2,并确认其他手动阀为关闭状态。
4.点击系统的“变频器启动”按钮,将变频器置在内控状态,主调节阀置在外控状态,给变频器输入一个合适的电流值,此时系统由变频器控制水泵由主回路进行恒压供水。
5.设置调节器处于手动状态,改变手动给定10%、20%、30%…100%分别记录调节器的输出电流和流量计的流量(调节阀的进出口压力保持不变)。
6.其它操作步骤和实验要求详见过程控制实验装置实验指导用书相关章节。
当然,也可以将变频器和主调节阀置在外控状态下,由计算机控制模拟仿真系统完成本实验。
四、实验报告
1、根据实验结果编写实验报告,并且以电流作为横坐标、流量作为纵坐标,画出特性曲线图。
根据画出的特性曲线,判断阀体是快开特性,等百分比特性还是慢开特性。
2、问题:
变频器、水泵Ⅰ、压力变送器在此的作用?
第二章单闭环控制系统实验
单回路控制系统又称简单控制系统,它由被控对象、传感器、变送器、控制器和执行器组成一个闭合回路,也称反馈控制系统。
单回路控制系统是最简单、基本的一种控制系统,它适用于被控对象滞后时间比较小、负荷和干扰变化不大、控制质量要求不很高的场合。
单回路控制系统的设计和参数整定方法是各类复杂控制系统设计和整定的基础。
在实验中应注意的问题:
1.测试前系统处于正常的工作状态(平衡状态),反应曲线的初始点应是输入信号的开始作阶跃信号的瞬间,这一段时间必须在记录纸上标出,以便推算纯滞后时间τ。
测试与记录工作必须持续到输出参数达到新的稳态值。
2.在阶跃反应的曲线中,必须注意工作点与阶跃幅值的选取。
3.每次实验应在相同的条件下进行两次以上。
只有在所测试数据相同时方为合格。
4.为了进行线性校验,可作正、负种两干扰进行比较,也可作不同扰动量的实验。
5.调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容之一。
它的任务是:
根据被控过程的特性确定PID调节器的比例度δ,积分时间TI及微分时间TD的大小。
在简单的过程控制系统中,调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标,保证系统具有一定的稳定裕量。
调节器参数整定的方法很多,概括起来可分为两大类:
一是理论计算整定法。
它主要依据系统的数学模型,采用控制理论中的根轨迹法,频率特性法等,经过理论计算确定调节器的数值。
这种方法不仅计算烦琐,而且过分依赖数学模型,所得到数据未必直接可用,还必须通过实际进行调整和修改。
因此,理论计算整定法除了有理论指导意义外,工程实际中较少采用。
二是工程整定法,它主要依靠工程经验,直接在过程控制的实验中进行,且方法简单,易于掌握,相当实用,从而在工程实际中被广泛采用。
调节器的工程整定方法,主要有临界比例度法、衰减曲线法。
一、临界比例度法
这是一种闭环整定方法。
由于该方法直接在闭环系统中进行,不需测试过程的动态特性,因此方法简单,使用方便,获得了广泛的应用。
具体步骤如下:
1、将调节器的积分时间TI置于最大(TI=∞),微分时间TD置零(TD=0),比例度δ置为较大的数值,使系统投入闭环运行。
2、待系统运行稳定后,对设定值施加一个阶跃扰动,并减小δ,直到系统出现如图2-1所示的等幅震荡,即临界震荡过程。
记录此时的δcr(临界比例带)和等幅震荡周期Tcr。
3、根据记录的δcr和Tcr,按表2-1给出的经验公式计算出调节器的δ、TI及TD的参数。
图2-1系统的临界震荡过程
表2-1采用临界比例度法的整定参数
整定参数
调节规律
δ(%)
TI
TD
P
2δcr
PI
2.2δcr
0.85Tcr
PID
1.67δcr
0.5Tcr
0.125Tcr
需要指出的是,采用这种方法整定调
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- 过程 控制 仿真 系统 实验 指导书