過程控制—上水箱液位與進水流量串級控制系統(tǒng)(共20頁)

1、沈陽理工大學課程設計論文 PAGE 20目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc405052428 1 過程控制系統(tǒng)簡介 PAGEREF _Toc405052428 h 2 HYPERLINK l _Toc405052429 1.1 系統(tǒng)組成 PAGEREF _Toc405052429 h 2 HYPERLINK l _Toc405052430 1.2 電源控制臺 PAGEREF _Toc405052430 h 3 HYPERLINK l _Toc405052431 1.3 總線控制柜 PAGEREF _Toc405052431 h 3 HYPERLINK l _

2、Toc405052432 2 實驗原理 PAGEREF _Toc405052432 h 4 HYPERLINK l _Toc405052433 2.1 單容水箱設備工作原理 PAGEREF _Toc405052433 h 4 HYPERLINK l _Toc405052434 2.2 雙容水箱設備工作原理 PAGEREF _Toc405052434 h 7 HYPERLINK l _Toc405052435 2.3 系統(tǒng)工作原理 PAGEREF _Toc405052435 h 9 HYPERLINK l _Toc405052436 2.4 控制系統(tǒng)流程圖 PAGEREF _Toc4050524

3、36 h 9 HYPERLINK l _Toc405052437 3實驗結(jié)果分析 PAGEREF _Toc405052437 h 11 HYPERLINK l _Toc405052438 3.1 實驗過程 PAGEREF _Toc405052438 h 11 HYPERLINK l _Toc405052439 3.2實驗分析 PAGEREF _Toc405052439 h 12 HYPERLINK l _Toc405052440 3.2.1單容水箱實驗結(jié)果分析 PAGEREF _Toc405052440 h 12 HYPERLINK l _Toc405052441 3.2.2雙容水箱實驗結(jié)果分

4、析 PAGEREF _Toc405052441 h 14 HYPERLINK l _Toc405052442 3.2.3單容雙容水箱比較 PAGEREF _Toc405052442 h 16 HYPERLINK l _Toc405052443 3.3實驗結(jié)論 PAGEREF _Toc405052443 h 17 HYPERLINK l _Toc405052444 總結(jié) PAGEREF _Toc405052444 h 18 HYPERLINK l _Toc405052445 參考文獻 PAGEREF _Toc405052445 h 191 過程(guchng)控制系統(tǒng)簡介1.1 系統(tǒng)(xtng)

5、組成本實驗裝置由被控對象和上位(shn wi)控制系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)動力支路分兩路：一路由三相（380V交流）磁力驅(qū)動泵、電動調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、PA電磁流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動泵（220V變頻）、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成。1、被控對象水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。儲水箱內(nèi)部有兩個橢圓形塑料過濾網(wǎng)罩，防止兩套動力支路進水時有雜物進入泵中。管道：整個系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。2、檢測裝置壓力傳感器、變送器：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的壓力傳感器和工業(yè)用的擴散硅壓力變送器

6、，擴散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補償。流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來對調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進行測量。本裝置采用兩套流量傳感器、變送器分別對變頻支路及盤管出口支路的流量進行測量，調(diào)節(jié)閥支路的流量檢測采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊接口的檢測和變送一體的電磁式流量計。3、執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)閥：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的電動調(diào)節(jié)閥，用來進行控制回路流量的調(diào)節(jié)。它具有精度高、體積小、重量輕、推動力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點。變頻器：本裝置采用SIEMENS帶PROFIBUS-DP通訊

7、接口模塊的變頻器，其輸入電壓為單相AC220V，輸出為三相AC220V。水泵(shubng)：本裝置采用磁力(cl)驅(qū)動泵，型號為16CQ-8P，流量(liling)為32升/分，揚程為8米，功率為180W。可移相SCR調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為420mA標準電流信號。輸出電壓用來控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。 電磁閥：在本裝置中作為氣動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為：2W-160-25 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/2，最大壓力為7Kg/2 ；工作溫度：580。4、控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型號為315-2DP，本CP

8、U既具有能進行多點通訊功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通訊功能的DP通訊接口。5、空氣壓縮機1.2 電源控制臺電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護，帶有漏電保護空氣開關(guān)、電壓型漏電保護器、電流型漏電保護器。儀表綜合控制臺包含了原有的常規(guī)控制系統(tǒng)，由于它預留了升級接口，因此它在總線控制系統(tǒng)中的作用就是為上位控制系統(tǒng)提供信號。1.3 總線控制柜總線控制柜有以下幾部分構(gòu)成：(1) 控制系統(tǒng)供電板：該板的主要作用是把工頻AC220V轉(zhuǎn)換為DC24V，給主控單元和DP從站供電。(2) 控制站：控制站主要包含CPU、以太網(wǎng)通訊模塊、DP鏈路、分布式I/O DP從站和變頻器DP從站構(gòu)成。(3)

9、 溫度變送器： PA溫度變送器把PT100的檢測信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后傳送給DP鏈路。2 實驗(shyn)原理(yunl)2.1 單容水箱設備(shbi)工作原理單容實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖1所示。被控量為中水箱的液位高度，實驗要求它的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT1檢測到的中水箱液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制氣動調(diào)節(jié)閥的開度，以達到控水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應為PI或PID控制。圖2.1 單容水箱圖 (a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖所謂單容過程，是指只有一個貯蓄容量的過程。單容過程還可分為有自衡能力和無自衡能力兩

10、類。一、自衡過程的建摸所謂自衡過程，是指過程在擾動作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預，依靠起自身重新恢復平衡的過程。圖2-1所示為一個(y )單容液位被控過程，其流入量，改變(gibin)閥1的開度可以改變的大小(dxio)。其流出量為，它取決于用戶的需要改變閥2開度可以改變。液位h的變化反映了與不等而引起貯罐中蓄水或泄水的過程.若作為被控過程的輸入變量,h為其輸出變量,則該被控過程的數(shù)學模型就是h與之間的數(shù)學表達式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有 (2-1)將公式（2-1）表示成增量式為 (2-2)在靜態(tài)時，；當發(fā)生變化時，液位h隨之變化，貯蓄出口處的靜壓隨之變化，也發(fā)生變化。由

11、流體力學可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線形關(guān)系2。但為了簡化起見，經(jīng)線形變化，則可近似認為與h成正比關(guān)系，而與閥2的阻力成反比。 為了求單容過程的數(shù)學模型，需消去中間變量。消去中間變量的方法很多，如可用代數(shù)代換法，可用信號流圖法，也可用畫方框圖的方法。這里，介紹后一種方法。1h12（a）Xhtt00圖2-2液位被控(bi kn)過程及其階躍響應單容液位過程(guchng)的傳遞函數(shù)為： (2-3)式中：過程(guchng)的時間常數(shù)，； 過程的放大系數(shù)，； 過程的容量系數(shù)，或稱過程容量。被控過程都具有一定貯存物料或能量的能力，其貯存能力的大小，稱為容量或容量系數(shù)。其物理意義:是：

12、引起單位被控量變化時被控過程貯存兩變化的大小。圖2-2（b）所示為單容液位被控過程的階躍響應曲線。從上述分析可知，液阻不但影響過程的時間常數(shù)，而且還影響過程的放大系數(shù)，而容量系數(shù)C僅影響過程的時間常數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，過程的純時延問題是經(jīng)常碰到的。如皮帶運輸機的物料傳輸過程，管道輸送、管道反應和管道的混合過程等。下面討論純時延過程的建模。圖2-3 純時延單容過程(guchng)及其響應曲線圖2-3所示，流量(liling)通過(tnggu)長度為l的管道流入貯罐。當進水閥開度產(chǎn)生擾動后，需要流經(jīng)管道長度為l的傳輸時間后才流入貯罐，才使液位h發(fā)生變化。具有純時延單容過程的階躍響應曲線如圖2-2

13、曲線2所示，它與無時延單容過程的階躍響應曲線在形狀上完全相同，僅差一純時延。具有純時延單容過程的微分方程和傳遞函數(shù)為 (2-4) 式中：過程的時間常數(shù)，； 過程的放大系數(shù)，； 過程的純時延時間。二、無自衡過程的建模所謂無自衡過程，是指過程在擾動的作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預，依靠其自身能力不能重新恢復平衡的過程。2.2 雙容水箱設備工作原理雙容實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖1所示。被控量為上水箱的液位高度，實驗要求它的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT1檢測到的中水箱液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制氣動調(diào)節(jié)閥的開度，以達到控水箱液位的目的。為了實

14、現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應為PI或PID控制。主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器電動閥上水箱中水箱液位變送器h（液位）一次干擾二次干擾給定值+-+Q1圖2.5 雙容水箱(shuxing)圖 (a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控過程往往是由多個容積和阻力構(gòu)成(guchng)，這種過程稱為多容過程?，F(xiàn)在，以具有(jyu)自衡能力的雙容過程為例，來討論其建立數(shù)學模型的方法。 其被控量是第二只水箱的液位，輸入量為與上述分析方法相同，根據(jù)物料平衡關(guān)系可以列出下列方程 (2-5) (2-6) (2-7) (2-8)為了消去雙容過程的中間變量、，將上述方程組進行拉氏變換。 (2-

15、9)式中：第一只水箱(shuxing)的時間常數(shù)，； 第二只水箱(shuxing)的時間常數(shù)，； 過程(guchng)的放大系數(shù)，； 分別是兩只水箱的容量系數(shù)。流量有一階躍變化時，被控量的響應曲線。與單容過程比較，多容過程受到擾動后，被控參數(shù)的變化速度并不是一開始就最大，而是要經(jīng)過一段時延之后才達到最大值。即多容過程對于擾動的響應在時間上存在時延，被稱為容量時延。產(chǎn)生容量時延的原因主要是兩個容積之間存在阻力，所以使的響應時間向后推移。容量時延可用作圖法求得，即通過響應曲線的拐點D作切線，與時間軸相交與A，與相交與C，C點在時間軸上的投影B，OA即為容量時延時間，AB即為過程的時間常數(shù)T。對與無

16、自衡能力的雙容過程，被控量為，輸入量為。產(chǎn)生階躍變化時，液位并不立即以最大的速度變化，由于中間具有容積和阻力。對擾動的響應有他、一定的時延和慣性。 (2-10) 式中：T0過程積分時間常數(shù)，T0 = C2； T第一只水箱的時間常數(shù)。同理，無自衡多容過程的數(shù)學模型為 (2-11)當然無自衡多容過程具有純時延時，則其數(shù)學模型為 (2-12)2.3 系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)的主控量為上水箱的液位高度H，副控量為氣動調(diào)節(jié)閥支路流量Q，它是一個輔助的控制變量。系統(tǒng)由主、副兩個回路所組成。主回路是一個定值控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)的主控制量H等于給定值，因而系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應為PI或PID控制。副回路是一個隨動系統(tǒng)，要求

17、副回路的輸出能正確、快速地復現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出的變化規(guī)律，以達到對主控制量H的控制目的，因而副調(diào)節(jié)器可采用P控制。但選擇流量作副控參數(shù)時，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定，比例度必須選得較大，這樣比例控制作用偏弱，為此需引入積分作用，即采用PI控制規(guī)律。引入積分作用的目的不是消除靜差，而是增強控制作用。顯然，由于副對象管道的時間常數(shù)小于主對象上水箱的時間常數(shù)，因而當主擾動（二次擾動）作用于副回路時，通過副回路快速的調(diào)節(jié)作用消除了擾動的影響。2.4 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)流程圖控制系統(tǒng)(kn zh x tn)流程圖如圖2.6所示。圖2.6 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)流程圖本實驗主要涉及三路信號，其中

18、兩路是現(xiàn)場測量信號上水箱液位和管道流量，另外一路是控制閥門定位器的控制信號。本實驗中的上水箱液位信號是標準的模擬信號，與SIEMENS的模擬量輸入模塊SM331相連，SM331和分布式I/O模塊ET200M直接相連，ET200M掛接到PROFIBUS-DP總線上，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP為PROFIBUS-DP總線上的DP主站），這樣就完成了現(xiàn)場測量信號向控制器CPU315-2 DP的傳送。 本實驗中的流量檢測裝置（電磁(dinc)流量計）和執(zhí)行機構(gòu)（閥門定位器）均為帶PROFIBUS-PA通訊接口(ji ku)的部件，掛接在PRO

19、FIBUS-PA總線(zn xin)上，PROFIBUS-PA總線通過LINK和COUPLER組成的DP鏈路與PROFIBUS-DP總線交換數(shù)據(jù)，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2 DP。由于PROFIBUS-PA總線和PROFIBUS-DP總線中信號傳輸是雙向的，這樣既完成了現(xiàn)場檢測信號向CPU的傳送，又使得控制器CPU315-2 DP發(fā)出的控制信號經(jīng)PROFIBUS-DP總線到達PROFIBUS-PA總線，以控制執(zhí)行機構(gòu)閥門定位器。3實驗結(jié)果分析3.1 實驗過程本實驗選擇上水箱和氣動調(diào)節(jié)閥支路組成串級控制系統(tǒng)（也可采用變頻器支路）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將

20、閥門F1-1、F1-2、F1-6全開，將上水箱出水閥門F1-9開至適當開度，其余閥門均關(guān)閉。1、接通控制系統(tǒng)電源，打開用作上位監(jiān)控的的PC機，進入的實驗主界面。2、在實驗主界面中選擇本實驗項即“上水箱液位與進水口流量串級控制實驗”，系統(tǒng)進入正常的測試狀態(tài)，呈現(xiàn)的實驗界面如圖3.1所示。圖3.1 實驗(shyn)界面3、在上位(shn wi)機監(jiān)控界面中，將副調(diào)節(jié)器設置為“手動”，并將輸出值設置為一個(y )合適的值。4、合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當增加/減少副調(diào)節(jié)器的輸出量，使上水箱的液位穩(wěn)定于設定值。5、整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并按整定得到的參數(shù)對調(diào)節(jié)器進行設定。6、待上水箱進水

21、流量相對穩(wěn)定，且其液位穩(wěn)定于給定值時，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下幾種方式加干擾：(1) 突增（或突減）設定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化；(2) 將氣動調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開至適當開度；(3) 將閥F1-5、F1-13開至適當開度；以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的515，干擾過大可能造成水箱中水溢出。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后，水箱液位穩(wěn)定于新的設定值（后面兩種干擾方法仍穩(wěn)定在原設定值）。通過實驗界面下邊的切換按鈕，觀察計算機記錄的設定值、輸出值和參數(shù)，上水箱液位的響應過程曲線將如圖3.2所示。圖3

22、.2 上水箱液位階躍響應曲線3.2實驗分析3.2.1單容水箱實驗結(jié)果分析圖3.3 PI控制(kngzh)下液位階躍響應(xingyng)曲線1圖3.4 PID控制(kngzh)下液位階躍響應曲線在單容水箱條件下，即水管直接對中水箱供水，調(diào)整比例度K參數(shù)為0.2，積分時間I參數(shù)為120000，得到的中水箱液位階躍響應曲線如圖3.3所示。在保持K,I參數(shù)不變的情況下，增加積分時間D的作用，設置D參數(shù)為10000，得到的中水箱液位階躍響應曲線如圖3.4所示。兩圖比較可以看出，階躍響應曲線基本沒有改變，故可分析得出：在本次實驗中微分時間D對中水箱液位的影響不大。圖3.5 PI控制(kngzh)下液位階

23、躍響應(xingyng)曲線2在保持圖3.3中I參數(shù)(cnsh)不變的情況下，增加比例度K的作用，設置K參數(shù)為1.5，得到的中水箱液位階躍響應曲線如圖3.5所示。兩圖比較可以看出，超調(diào)量明顯減小，并且曲線到達穩(wěn)態(tài)的時間明顯縮短。圖3.6 PI控制下液位階躍響應曲線3在保持圖3.3中P參數(shù)不變的情況下，增加積分時間I的作用，設置I參數(shù)為200000，得到的中水箱液位階躍響應曲線如圖3.6所示。兩圖比較可以看出，超調(diào)量略微減小，并且曲線振蕩周期明顯增長。3.2.2雙容水箱(shuxing)實驗結(jié)果分析圖3.7 PI控制(kngzh)下液位階躍響應(xingyng)曲線A圖3.8 PI控制下液位階躍

24、響應曲線B如上圖3.7、3.8所示。在保持圖3.7中P參數(shù)不變的情況下，減小積分時間I的作用，設置I參數(shù)為100000，得到的中水箱液位階躍響應曲線如圖3.8所示。兩圖比較可以看出，超調(diào)量略微增大，并且曲線振蕩周期明顯減小。圖3.8 PI控制(kngzh)下液位階躍響應(xingyng)曲線C如上圖3.8、3.9所示。在保持圖3.8中I參數(shù)不變的情況下，減小比例度K的作用，設置K參數(shù)為0.1，得到的中水箱(shuxing)液位階躍響應曲線如圖3.9所示。兩圖比較可以看出，超調(diào)量略微減小，并且曲線振蕩周期略微增大。圖3.9 PID控制下液位階躍響應曲線在比例度，積分時間，微分時間都進行的PID控制的情況下，其液位階躍響應曲線如圖3.9所示?？梢钥闯觯捎谑请p容水箱，系統(tǒng)存在較大的延遲，進行PID操作不容易得到良好的階躍響應曲線。并且由于顯示有限，圖中不能看到完整的到達穩(wěn)