過程控制—上水箱液位與進(jìn)水流量串級控制系統(tǒng)(共20頁)

1、沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)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(tái) PAGEREF _Toc405052430 h 3 HYPERLINK l _Toc405052431 1.3 總線控制柜 PAGEREF _Toc405052431 h 3 HYPERLINK l _

2、Toc405052432 2 實(shí)驗(yàn)原理 PAGEREF _Toc405052432 h 4 HYPERLINK l _Toc405052433 2.1 單容水箱設(shè)備工作原理 PAGEREF _Toc405052433 h 4 HYPERLINK l _Toc405052434 2.2 雙容水箱設(shè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 PAGEREF _Toc405052437 h 11 HYPERLINK l _Toc405052438 3.1 實(shí)驗(yàn)過程 PAGEREF _Toc405052438 h 11 HYPERLINK l _Toc405052439 3.2實(shí)驗(yàn)分析 PAGEREF _Toc405052439 h 12 HYPERLINK l _Toc405052440 3.2.1單容水箱實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 PAGEREF _Toc405052440 h 12 HYPERLINK l _Toc405052441 3.2.2雙容水箱實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)論 PAGEREF _Toc405052443 h 17 HYPERLINK l _Toc405052444 總結(jié) PAGEREF _Toc405052444 h 18 HYPERLINK l _Toc405052445 參考文獻(xiàn) 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(shí)驗(yàn)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(dòng)力支路分兩路：一路由三相（380V交流）磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、PA電磁流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V變頻）、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)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(chǔ)水箱。儲(chǔ)水箱內(nèi)部有兩個(gè)橢圓形塑料過濾網(wǎng)罩，防止兩套動(dòng)力支路進(jìn)水時(shí)有雜物進(jìn)入泵中。管道：整個(gè)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(kuò)散硅壓力變送器

6、，擴(kuò)散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)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(jìn)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(jìn)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(jì)。3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來進(jìn)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(dòng)力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)泵，型號為16CQ-8P，流量(liling)為32升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180W?？梢葡郤CR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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(jìn)行多點(diǎn)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(jī)1.2 電源控制臺(tái)電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護(hù)，帶有漏電保護(hù)空氣開關(guān)、電壓型漏電保護(hù)器、電流型漏電保護(hù)器。儀表綜合控制臺(tái)包含了原有的常規(guī)控制系統(tǒng)，由于它預(yù)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(shí)驗(yàn)(shyn)原理(yunl)2.1 單容水箱設(shè)備(shbi)工作原理單容實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到控水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)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(gè)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(dòng)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(yù)，依靠起自身重新恢復(fù)平衡的過程。圖2-1所示為一個(gè)(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(xué)模型就是h與之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)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(shí)，；當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，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(xué)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(rèn)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(xué)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(yīng)單容液位過程(guchng)的傳遞函數(shù)為： (2-3)式中：過程(guchng)的時(shí)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(shí)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(yīng)曲線。從上述分析可知，液阻不但影響過程的時(shí)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(shí)間常數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，過程的純時(shí)延問題是經(jīng)常碰到的。如皮帶運(yùn)輸機(jī)的物料傳輸過程，管道輸送、管道反應(yīng)和管道的混合過程等。下面討論純時(shí)延過程的建模。圖2-3 純時(shí)延單容過程(guchng)及其響應(yīng)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(dāng)進(jìn)水閥開度產(chǎn)生擾動(dòng)后，需要流經(jīng)管道長度為l的傳輸時(shí)間后才流入貯罐，才使液位h發(fā)生變化。具有純時(shí)延單容過程的階躍響應(yīng)曲線如圖2-2

13、曲線2所示，它與無時(shí)延單容過程的階躍響應(yīng)曲線在形狀上完全相同，僅差一純時(shí)延。具有純時(shí)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(shí)間常數(shù)，； 過程的放大系數(shù)，； 過程的純時(shí)延時(shí)間。二、無自衡過程的建模所謂無自衡過程，是指過程在擾動(dòng)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(yù)，依靠其自身能力不能重新恢復(fù)平衡的過程。2.2 雙容水箱設(shè)備工作原理雙容實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到控水箱液位的目的。為了實(shí)

14、現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器電動(dòng)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(gè)容積和阻力構(gòu)成(guchng)，這種過程稱為多容過程。現(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(xué)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(jìn)行拉氏變換。 (2-

15、9)式中：第一只水箱(shuxing)的時(shí)間常數(shù)，； 第二只水箱(shuxing)的時(shí)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(shí)，被控量的響應(yīng)曲線。與單容過程比較，多容過程受到擾動(dòng)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(shí)延之后才達(dá)到最大值。即多容過程對于擾動(dòng)的響應(yīng)在時(shí)間上存在時(shí)延，被稱為容量時(shí)延。產(chǎn)生容量時(shí)延的原因主要是兩個(gè)容積之間存在阻力，所以使的響應(yīng)時(shí)間向后推移。容量時(shí)延可用作圖法求得，即通過響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)D作切線，與時(shí)間軸相交與A，與相交與C，C點(diǎn)在時(shí)間軸上的投影B，OA即為容量時(shí)延時(shí)間，AB即為過程的時(shí)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(shí)，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(dòng)的響應(yīng)有他、一定的時(shí)延和慣性。 (2-10) 式中：T0過程積分時(shí)間常數(shù)，T0 = C2； T第一只水箱的時(shí)間常數(shù)。同理，無自衡多容過程的數(shù)學(xué)模型為 (2-11)當(dāng)然無自衡多容過程具有純時(shí)延時(shí)，則其數(shù)學(xué)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(dòng)調(diào)節(jié)閥支路流量Q，它是一個(gè)輔助的控制變量。系統(tǒng)由主、副兩個(gè)回路所組成。主回路是一個(gè)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(yīng)為PI或PID控制。副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，要求

17、副回路的輸出能正確、快速地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出的變化規(guī)律，以達(dá)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(shí)，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(qiáng)控制作用。顯然，由于副對象管道的時(shí)間常數(shù)小于主對象上水箱的時(shí)間常數(shù)，因而當(dāng)主擾動(dòng)（二次擾動(dòng)）作用于副回路時(shí)，通過副回路快速的調(diào)節(jié)作用消除了擾動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中的上水箱液位信號是標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)中的流量檢測裝置（電磁(dinc)流量計(jì)）和執(zhí)行機(jī)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(dá)PROFIBUS-PA總線，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門定位器。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析3.1 實(shí)驗(yàn)過程本實(shí)驗(yàn)選擇上水箱和氣動(dòng)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(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)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(dāng)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(jī)，進(jìn)入的實(shí)驗(yàn)主界面。2、在實(shí)驗(yàn)主界面中選擇本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)即“上水箱液位與進(jìn)水口流量串級控制實(shí)驗(yàn)”，系統(tǒng)進(jìn)入正常的測試狀態(tài)，呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)界面如圖3.1所示。圖3.1 實(shí)驗(yàn)(shyn)界面3、在上位(shn wi)機(jī)監(jiān)控界面中，將副調(diào)節(jié)器設(shè)置為“手動(dòng)”，并將輸出值設(shè)置為一個(gè)(y )合適的值。4、合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)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(shè)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(jìn)行設(shè)定。6、待上水箱進(jìn)水

21、流量相對穩(wěn)定，且其液位穩(wěn)定于給定值時(shí)，將調(diào)節(jié)器切換到“自動(dòng)”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(shè)定值的大小，使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化；(2) 將氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開至適當(dāng)開度；(3) 將閥F1-5、F1-13開至適當(dāng)開度；以上幾種干擾均要求擾動(dòng)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(shí)間后，水箱液位穩(wěn)定于新的設(shè)定值（后面兩種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值）。通過實(shí)驗(yàn)界面下邊的切換按鈕，觀察計(jì)算機(jī)記錄的設(shè)定值、輸出值和參數(shù)，上水箱液位的響應(yīng)過程曲線將如圖3.2所示。圖3

22、.2 上水箱液位階躍響應(yīng)曲線3.2實(shí)驗(yàn)分析3.2.1單容水箱實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖3.3 PI控制(kngzh)下液位階躍響應(yīng)(xingyng)曲線1圖3.4 PID控制(kngzh)下液位階躍響應(yīng)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(shí)間I參數(shù)為120000，得到的中水箱液位階躍響應(yīng)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(shí)間D的作用，設(shè)置D參數(shù)為10000，得到的中水箱液位階躍響應(yīng)曲線如圖3.4所示。兩圖比較可以看出，階躍響應(yīng)曲線基本沒有改變，故可分析得出：在本次實(shí)驗(yàn)中微分時(shí)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(yīng)(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(shè)置K參數(shù)為1.5，得到的中水箱液位階躍響應(yīng)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(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間明顯縮短。圖3.6 PI控制下液位階躍響應(yīng)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(shí)間I的作用，設(shè)置I參數(shù)為200000，得到的中水箱液位階躍響應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖3.7 PI控制(kngzh)下液位階躍響應(yīng)(xingyng)曲線A圖3.8 PI控制下液位階躍

24、響應(yīng)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(shí)間I的作用，設(shè)置I參數(shù)為100000，得到的中水箱液位階躍響應(yīng)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(yīng)(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(shè)置K參數(shù)為0.1，得到的中水箱(shuxing)液位階躍響應(yīng)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(yīng)曲線在比例度，積分時(shí)間，微分時(shí)間都進(jìn)行的PID控制的情況下，其液位階躍響應(yīng)曲線如圖3.9所示。可以看出，由于是雙容水箱，系統(tǒng)存在較大的延遲，進(jìn)行PID操作不容易得到良好的階躍響應(yīng)曲線。并且由于顯示有限，圖中不能看到完整的到達(dá)穩(wěn)