課程設(shè)計報告基于DCS技術(shù)的水箱水位串級控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真實(shí)現(xiàn)

1、 計算機(jī)測控系統(tǒng)課程設(shè)計 課 題： 基于dcs技術(shù)的水箱水位串級控制 系統(tǒng)設(shè)計與仿真實(shí)現(xiàn) 專 業(yè)： 自動化 班 級： 2008031 _ 一、課程設(shè)計目的通過對水位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和試驗，掌握組態(tài)軟件的應(yīng)用，以及計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成和實(shí)現(xiàn)方法。了解dcs應(yīng)用過程中的主要工作內(nèi)容及應(yīng)該注意的問題，并能根據(jù)應(yīng)用目的，進(jìn)行分散控制系統(tǒng)的設(shè)計組態(tài)、調(diào)試操作等工作。以p3dcs分散控制系統(tǒng)為平臺，完成dcs的組態(tài)。2、 課程設(shè)計內(nèi)容 采用p3dcs系統(tǒng)設(shè)計完成水箱水位串級控制系統(tǒng)并進(jìn)行參數(shù)整定和調(diào)試，包括數(shù)據(jù)庫組態(tài)、sama圖組態(tài)、流程圖組態(tài)、操作器組態(tài)，設(shè)計手動和單回路自動控制、串級自動控制等控制方

2、案，并實(shí)現(xiàn)手自動無擾切換和報警，設(shè)計相應(yīng)的模擬量控制和邏輯控制方案并實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行仿真、參數(shù)整定與系統(tǒng)調(diào)試。其中上水箱水位的對象傳遞函數(shù)為上水箱水位對下水箱水位傳遞函數(shù)為其它執(zhí)行器和測量電路的傳遞函數(shù)簡化為k = 13、 系統(tǒng)概述兩個水箱的串聯(lián)在工業(yè)中運(yùn)用的非常廣泛，上下水箱組成一個串聯(lián)，這樣的一個串聯(lián)系統(tǒng)跟單容水箱在控制時間上對比有了一定的遲延，這是由于容積遲延造成的，通過在p3dcs組態(tài)軟件的使用下，設(shè)計一個串級控制系統(tǒng)。設(shè)計串級回路控制的目的就是在控制系統(tǒng)中加入副回路，從而加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度和增強(qiáng)系統(tǒng)的動態(tài)性能。主副回路控制系統(tǒng)的pid參數(shù)采用兩步整定法，先整定副回路上水箱的pid參數(shù)使之達(dá)

3、到穩(wěn)定，然后再整定主回路的參數(shù)使之達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。并通過p3dcs組態(tài)軟件對系統(tǒng)的曲線進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，調(diào)出最優(yōu)pid參數(shù)。 系統(tǒng)的工藝流程如下圖（圖 1）所示：圖 1 根據(jù)水箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，我們設(shè)置一個串級控制回路，把下水箱作為串級控制系統(tǒng)的主控制回路，上水箱作為串級的副控制回路。從而得出串級控制系統(tǒng)的方框圖如（圖2）所示：圖 24、 課題設(shè)計及其步驟本次課程設(shè)計主要有兩個方面的工作：即是組態(tài)設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試：1、 組態(tài)設(shè)計 1）系統(tǒng)配置組態(tài) 主要是指dcs中工程師站、操作員站、控制站的主機(jī)系統(tǒng)配置信息及外設(shè)類型，i/o卡件信息，電源布置，控制柜內(nèi)安裝接線等。此部分內(nèi)容作為了解內(nèi)容，不進(jìn)行具體組態(tài)。

4、 2）實(shí)時數(shù)據(jù)庫組態(tài) 數(shù)據(jù)庫組態(tài)是系統(tǒng)組態(tài)中應(yīng)盡早完成的工作，因為只有有了數(shù)據(jù)庫，其他的組態(tài)工作（控制回路組態(tài)、畫面組態(tài)等）才可以調(diào)試。數(shù)據(jù)庫組態(tài)一般通過專用軟件進(jìn)行，數(shù)據(jù)錄入時一定要認(rèn)真仔細(xì)，數(shù)據(jù)庫中一個小的錯誤就會給運(yùn)行帶來極大的麻煩，如造成顯示錯誤、操作不當(dāng)甚至死機(jī)故障。 先進(jìn)行“系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫”的建立，建立好之后如下圖（圖 3）：圖 3 3）控制算法組態(tài)控制算法組態(tài)指的是將系統(tǒng)設(shè)計時規(guī)定的模擬量控制、開關(guān)量控制等功能用dcs算法予以實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計以水箱水位高度串級控制策略為對象，并且模擬控制對象，構(gòu)成閉環(huán)回路，完成這些控制算法的組態(tài)工作，即運(yùn)行“sama圖組態(tài)”來完成控制算法組態(tài)。如圖4：圖

5、4 4）操作員站顯示畫面組態(tài)通過“圖形界面組態(tài)”來設(shè)計需要顯示的畫面組態(tài)，運(yùn)行人員主要通過操作員站畫面來觀察生產(chǎn)過程運(yùn)行情況，并通過畫面提供的軟操作器來干預(yù)生產(chǎn)過程，因此畫面設(shè)計是否合理、操作是否方便都會對運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。本設(shè)計要求設(shè)計關(guān)于水位控制的簡單流程圖畫面、趨勢畫面、參數(shù)顯示畫面、操作畫面，并把有關(guān)的動態(tài)點(diǎn)同控制算法連接起來。流程界面組態(tài)圖：圖 5操作窗口組態(tài)圖（圖6）：圖6 5）趨勢組態(tài)通過“趨勢顯示”可以來設(shè)計所需要觀察的數(shù)據(jù)點(diǎn)的連接并且觀察到該數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化的波形。實(shí)時趨勢如下圖： 2、系統(tǒng)調(diào)試 設(shè)計要求進(jìn)行動態(tài)調(diào)試。所謂動態(tài)調(diào)試是指系統(tǒng)與生產(chǎn)現(xiàn)場相連時的調(diào)試。由于生產(chǎn)過程已經(jīng)

6、處于運(yùn)行或試運(yùn)行階段，此時應(yīng)以觀察為主，當(dāng)涉及到必需的系統(tǒng)修改時，應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備及安全措施，以免影響正常生產(chǎn)，更不允許造成系統(tǒng)或設(shè)備故障。動態(tài)調(diào)試一般包括以下內(nèi)容： 1）觀察過程參數(shù)顯示是否正常、執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作是否正常； 2）檢查控制系統(tǒng)邏輯是否正確，并在適當(dāng)時候投入自動運(yùn)行； 3）對控制回路進(jìn)行在線整定； 4）當(dāng)系統(tǒng)存在較大問題時，如需進(jìn)行控制結(jié)構(gòu)修改、增加測點(diǎn)等，應(yīng)盡量在停機(jī)狀態(tài)下重新組態(tài)下裝。若條件不允許，也可進(jìn)行在線組態(tài)，但要熟悉在線組態(tài)的各個環(huán)節(jié)并做好應(yīng)急措施。（1）pid參數(shù)整定 1）斷開主回路，用衰減曲線法，整定內(nèi)回路副調(diào)節(jié)器，pi作用。反復(fù)調(diào)整，做定值階躍擾動實(shí)驗，直到衰減率0

7、.750.9。 2）閉合主回路，用衰減曲線法，整定外回路主調(diào)節(jié)器，pi作用，反復(fù)調(diào)整主調(diào)節(jié)器并做定值階躍擾動實(shí)驗，直到衰減率0.9。記下比例帶，測量上升時間。按照公式計算pid參數(shù)。 3）按計算參數(shù)設(shè)置pid，做定值階躍擾動，觀察曲線。 4）細(xì)調(diào)主副調(diào)節(jié)器參數(shù)，直到滿意為止。5、 課題設(shè)計實(shí)驗結(jié)果不同pid參數(shù)下不同的響應(yīng)曲線1）主控制器比例增益k1=1，積分時間k2=0.25（分），微分時間k3=0（分），微分增益=1,如控制器參數(shù)為：k1=2，積分時間為0.25（分），k3=0(分)，微分增益=1，波形如下，可見控制效果很好。圖 7其他參數(shù)不變，只讓主pid控制器積分時間k3=1（分）時，

8、波形如下，可見加微風(fēng)作用之后波形平滑了但變慢了。圖 8再讓k3=4（分），這時波形如下：圖 9給副調(diào)節(jié)器加上微風(fēng)作用后波形如下，可見給內(nèi)回路加微分作用反而不好。圖 10把副控制器的微分作用去掉后，將比例增益k1變大為8時內(nèi)回路控制量出現(xiàn)等幅震蕩(如圖11), 可見副回路的比例增益不宜過大。圖 11當(dāng)把主pid積分時間改小為0.1時，波形如下（圖12）：圖 12 可見積分時間也不能太小，太小會比較震蕩，調(diào)整時間變得較長。經(jīng)過多次嘗試，得到最理想的參數(shù)為：主控制器比例增益k1=2，積分時間k2=0.15（分），微分時間k3=0（分），微分增益=1,如控制器參數(shù)為：k1=3，積分時間為0.25（分）

9、，k3=0(分)，微分增益=1，對應(yīng)波形如圖13所示。圖 136、 實(shí)驗心得小結(jié) 實(shí)驗中在sama圖組態(tài)，流程圖組圖以及pid參數(shù)調(diào)整方面花的時間較多，為了較理想的輸出曲線而反復(fù)的測試，sama圖組態(tài)中遇到了的困難，就看軟件自帶的幫助文檔，上網(wǎng)查資料，同學(xué)幫助等，總之通過本次課程設(shè)計，學(xué)到很多東西，比如掌握了dcs軟件組太的方法，設(shè)計調(diào)試步驟及應(yīng)該注意的問題，以后工作上遇到不會東西，用這樣的通過看相關(guān)文檔和上網(wǎng)查資料的探索的方法，或向別人尋求幫助等多種方法，也會很有用。在實(shí)驗中遇到了一些現(xiàn)在仍然沒有解決的問題，如pid模塊的每個輸入輸出端口的含義，及如何連接，這個在文檔里找不到。p3dcs軟件的歷史數(shù)據(jù)庫組態(tài)和歷史趨勢組態(tài)用不了。而且我們沒有真正地用于控制，如果真的用于實(shí)際控制，那外面的信號如何接入？控制信號如何輸出到響應(yīng)機(jī)構(gòu)去？組態(tài)好的控制算法怎么下載到下位