第一章 控制系统的组成及认识实验.docx

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第一章控制系统的组成及认识实验

第一章控制系统的组成及认识实验

第一节、现场总线控制系统（FCS）的组成与认识实验

一、系统简介

本现场总线控制系统是基于PROFIBUS和工业以太网通讯协议、在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。

整个实验装置分为上位控制系统和控制对象两部分，上位控制系统流程图如图1-1所示：

图1-1上位控制系统流程图

控制对象总貌图如图1-2所示。

图1-2控制对象总貌图

二、系统组成

本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。

系统动力支路分两路：

一路由三相（380V交流）磁力驱动泵、气动调节阀、直流电磁阀、PA电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

1、被控对象

被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接圆筒形有机玻璃水箱、4.5Kw电加热锅炉（由不锈钢锅和锅炉夹套构成）、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成。

水箱：

包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。

上、中、下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。

上、中水箱尺寸均为：

d=25cm,h=20cm； 下水箱尺寸为：

d=35cm,h=20cm。

每个水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。

储水箱尺寸为：

长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝。

储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。

模拟锅炉：

此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。

做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。

冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。

盘管：

长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。

在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间。

盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。

管道：

整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。

有效提高了实验装置的使用年限。

其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开让水直接排出。

2、检测装置

压力传感器、变送器：

采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。

温度传感器：

本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。

六个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成4～20mADC电流信号。

Pt100传感器精度高，热补偿性能较好。

流量传感器、转换器：

流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。

涡轮流量计型号：

LWGY-10，流量范围：

0～1.2m3/h，精度：

1.0%。

输出：

4～20mA标准信号。

本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。

3．执行机构

调节阀：

采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。

它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。

由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正都非常方便。

变频器：

本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。

水泵：

本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。

泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。

其中一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

可移相SCR调压装置：

采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。

输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。

电磁阀：

在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。

电磁阀型号为：

2W-160-25；工作压力：

最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2；工作温度：

－5～80℃。

4．控制器

控制器采用SIEMENS公司的S7300CPU，型号为315-2DP，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。

5、空气压缩机

用于给气动调节阀提供气源，电动机的动力通过三角胶带传带动空压机曲轴旋转，经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。

空压机设有气量自动调节系统，当储气罐内的气压超过额定排气压力时，压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作，当储气罐内的气体压力因外部设备的使用而下降到额定排压以下0.2-0.3Mpa时，气压开关自动复位，空压机又重新工作，使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。

三、电源控制台（仅早期控制系统需依赖电源控制台，升级后的现场总线控制系统本身已集成电源控制部分）

电源控制屏面板：

充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。

仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。

四、总线控制柜

总线控制柜有以下几部分构成：

1、控制系统供电板：

该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单元和DP从站供电。

2、控制站：

控制站主要包含CPU、以太网通讯模块、DP链路、分布式I/ODP从站和变频器DP从站构成。

3、温度变送器：

PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。

五、系统特点

●被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。

●本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。

●真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。

●执行器中既有气动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置，调节系统除了有设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。

●一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。

●系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。

●能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。

●各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。

六、系统软件

系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分，下位机软件采用SIEMENS的STEP7，上位机软件采用SIEMENS的WINCC，上、下位机软件在后面的实验中将分别叙述。

七、装置的安全保护体系（仅早期控制系统有此电源控制部分，升级后的现场总线控制系统本身已集成电源控制部分）

1、三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置的三相四线制断路器进入系统电源后又分为三相电源支路和不同的单相支路，每一支路给各自的负载供电。

总电源设有通电指示灯和三相指示表。

2、控制屏电源由接触器通过起、停按钮进行控制。

屏上装有一套电压型漏电保护装置和一套电流型漏电保护装置。

控制屏内或强电的输出（包括实验中的连线）若有漏电现象，即告警并切断总电源，以确保实验安全。

3、控制屏设有服务管理器（即定时器兼报警记录仪），为指导老师对学生实验技能的考核提供一个统一的标准。

4、各种电源及各种仪表均有可靠的保护功能。

5、实验强电接线插头采用封闭式结构，防止触电事故的发生。

6、强、弱电连线插头采用不同的结构插头，以防止强弱电用电插头的混淆。

第一节、单容水箱特性测试

一、实验目的

1.掌握单容水箱阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线。

2.根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。

二、实验设备

1.THJ-FCS型高级过程控制系统实验装置。

2.计算机及相关软件。

3.万用电表一只。

三、实验原理图

2-1单容水箱特性测试结构图

由图2-1可知，对象的被控制量为水箱的液位h，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。

根据物料平衡关系，在平衡状态时

Q10-Q20=0（2-1）

动态时，则有

Q1-Q2=

（2-2）

式中V为水箱的贮水容积，

为水贮存量的变化率，它与h的关系为

，

即

=A

（2-3）

A为水箱的底面积。

把式（2-3）代入式（2-2）得

Q1-Q2=A

（2-4）

基于Q2=

，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为

Q1-

=A

即

ARS

+h=KQ1

或写作

=

（2-5）

式中T=ARS，它与水箱的底面积A和V2的RS有关；K=RS。

式（2-5）就是单容水箱的传递函数。

若令Q1（S）=

，R0=常数，则式（2-5）可改为

H（S）=

×

=K

-

对上式取拉氏反变换得

h（t）=KR0（1-e-t/T）（2-6）

当t—>∞时，h（∞）=KR0，因而有

K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入

当t=T时，则有

h（T）=KR0（1-e-1）=0.632KR0=0.632h（∞）

式（2-6）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。

图2-2单容水箱的单调上升指数曲线

当由实验求得图2-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。

该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数如式（2-5）所示。

图2-3单容水箱的阶跃响应曲线

如果对象的阶跃响应曲线为图2-3，则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。

图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：

H（S）=

四、实验控制系统流程图

本实验控制系统的流程图如图2-4所示。

图2-4实验控制系统流程图

上水箱液位检测信号LT1为标准的模拟信号，直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。

本实验的执行机构为带PROFIBUS-PA通讯接口的阀门定位器，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP，这样控制器CPU315-2DP发出的控制信号就经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。

五、实验内容与步骤

本实验选择上水箱作为被测对象（也可选择中水箱或下水箱）。

实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度，其余阀门均关闭。

1、接通控制柜和控制台的相关电源，并启动磁力驱动泵，接通空压机电源。

控制柜无需接线。

2、打开作上位控制的PC机，点击“开始”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC”，再选择弹出菜单中的“WINCCCONTROLCENTER5.0”,进入WINCC资源管理器，打开组态好的上位监控程序，点击管理器工具栏上的“激活（运行）”按钮，进入实验主界面如图2-5所示。

图2-5实验主界面

3、鼠标左键点击实验项目“一阶单容水箱对象特性测试实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图2-6所示。

图2-6实验界面

在实验界面的左边是实验流程图，右边是参数整定，下面一排六个切换键的功能如下：

“实验流程”键：

系统进入正常测试状态时，实验界面左边就会显示实验流程图，当点击“历史曲线”键时，实验流程图将会被历史曲线所覆盖，如需转到实验流程图，应点击“实验流程”键就可在实验界面左边再现实验流程图。

“参数整定”键：

系统进入正常测试状态时，实验界面右边就会显示参数整定画面，当你点击“实时曲线”或“数据报表”键时，参数整定画面的下半部分将会被实时曲线或数据报表所覆盖，如需转到参数整定，点击“参数整定”键即可在实验界面右边再现参数整定画面。

“实时曲线”键：

系统进入正常测试状态时，实时曲线是不显示的，如果需要观察实时曲线，点击“实时曲线”键，即可在实验界面右下方显示实时曲线。

“历史曲线”键：

系统进入正常测试状态时，历史曲线是不显示的，如果需要观察历史曲线，点击“历史曲线”键，即可在实验界面左边显示历史曲线。

“数据报表”键：

系统进入正常测试状态时，数据报表是不显示的，如果需要数据报表，点击“数据报表”键，即可在实验界面右下方显示历史曲线。

“返回主菜单”键：

实验结束，需退出实验时，点击“返回主菜单”键，即关闭当前实验界面返回实验主界面。

4．在上位机实验界面窗口给定阀门开度值（既可拉动输出值旁边的滚动条，也可直接在输出值显示框中输入阀门开度值），使水箱的液位处于某一平衡位置。

5、点击实验界面下边的“实时曲线”键，在界面的右下方将显示液位的变化曲线。

6．在上位机实验界面窗口改变给定的阀门开度值，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），使水箱液位上升或下降，经过一定时间的调节后，水箱的液位进入新的平衡状态，其响应曲线如图2-7所示。

图2-7单容箱特性响应曲线

7．观察上位机监控界面上水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。

8．实验曲线所得的结果填入下表。

参数值

测量值

放大系数K

周期T

时间常数τ

液位h

正阶跃输入

负阶跃输入

平均值

六、实验报告

1．画出单容水箱特性测试实验的结构框图。

2．根据实验测得的数据和曲线，分析并计算出单容水箱液位对象时的参数及传递函数。

3、实验心得体会。

七、思考题

1．在实验进行过程中，为什么不能任意改变出水口阀开度的大小？

2．用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？

3、如果采用中水箱做实验，其响应曲线与上水箱的曲线有什么异同？

并分析差异原因。

第二节、上水箱液位PID整定实验

一、实验目的

1、了解单容液位定值控制系统的结构与组成。

2、掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。

3、研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。

4、了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。

5、掌握在FCS控制系统中现场检测信号的传送和控制信号的网络传输路径。

二、实验设备

1.THJ-FCS型高级过程控制系统实验装置。

2.计算机及相关软件。

3.万用电表一只。

三、实验原理

图3-6上水箱单容液位定值控制系统

（a）结构图（b）方框图

本实验系统结构图和方框图如图3-6所示。

被控量为上水箱（也可采用中水箱或下水箱）的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。

将压力传感器LT1检测到的上水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。

四、实验控制系统流程图

本实验控制系统的流程图如图3-7所示。

图3-7验控制系统的流程图

上水箱液位检测信号LT1为标准的模拟信号，直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。

本实验的执行机构为带PROFIBUS-PA通讯接口的阀门定位器，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP，这样控制器CPU315-2DP发出的控制信号就经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。

五、实验内容与步骤

实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度，其余阀门均关闭。

1、接通控制柜和控制台电源电源，并启动磁力驱动泵和空压机。

2、打开作上位控制的PC机，点击“开始”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC”，再选择弹出菜单中的“WINCCCONTROLCENTER5.0”,进入WINCC资源管理器，打开组态好的上位监控程序，点击管理器工具栏上的“激活（运行）”按钮，进入的实验主界面如本实验指导书第二章第一节中的图2-5所示。

3、鼠标左键点击实验项目“上水箱液位PID整定实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图3-8所示。

图3-8实验界面

在实验界面的左边是实验流程图，右边是参数整定，下面一排六个切换键的功能同本实验指导第二章第一节所描述的功能相同。

4、在上位机监控界面中点击“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过设定值或输出值旁边相应的滚动条或输出输入框来实现。

5、启动磁力驱动泵，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少输出量，使上水箱的液位平衡于设定值。

6、按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定PI调节器的参数，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。

7、待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：

（1）突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面两种仅供参考）

（2）将气动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；

（3）将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；（改变负载）

以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。

加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面两种干扰方法仍稳定在原设定值），观察计算机记录此时的设定值、输出值和参数，液位的响应过程曲线将如图3-9所示。

图3-9液位的响应过程曲线

8、分别适量改变调节器的P及I参数，重复步骤7，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。

9、分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4～8，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。

六、实验报告要求

1、画出单容水箱液位定值控制实验的结构框图。

2、用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。

3、根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。

4、比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。

5、分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。

七、思考题

1、如果采用下水箱做实验，其响应曲线与中水箱的曲线有什么异同？

并分析差异原因。

2、改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？

第五节、锅炉内胆水温PID控制实验

一、实验目的

1、了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。

2、研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。

3、了解PID参数自整定的方法及其参数整定在整个系统中的重要性。

4、分析锅炉内胆动态水温与静态水温在控制效果上有何不同之处？

5、理解锅炉内胆水温定值控制采用FCS控制方案实现的过程。

二、实验设备（同前）

三、实验原理

本实验以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。

本实验要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻TT1检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。

在锅炉内胆水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。

本实验系统结构图和方框图如图3-15所示。

图3-15锅炉内胆温度特性测试系统

（a）结构图（b）方框图

可以采用两种方案对锅炉内胆的水温进行控制：

（一）锅炉夹套不加冷却水（静态）

（二）锅炉夹套加冷却水（动态）

显然，两种方案的控制效果是不一样的，后者比前者的升温过程稍慢，降温过程稍快。

无论操作者采用静态控制或者动态控制，本实验的上位监控界面操作都是一样的。

四、实验控制系统流程图

本实验控制系统流程图如图3-16所示。

图3-16实验控制系统流程图

本实验主要涉及两路信号，一路是现场测量信号锅炉内胆温度，另外一路是控制移项调压模块输出的控制信号。

锅炉内胆温度的检测装置为PT100热电阻，PT100热电阻检测到的信号传送给温度变送器，本系统采用带PROFIBUS-PA通讯接口的温度变送器，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP，这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。

本实验的执行机构为移项调压模块，移项调压模块所需的控制信号是4到20mA电流信号。

控制信号由控制器CPU315-2DP发出，经由PROFIBUS-DP总线到达分布式I/O模块ET200M，模拟量输出模块SM332和分布式I/O模块ET200M直接相连，最后模拟量输出4到20mA电流信号控制移项调压模块的输出电压。

五、实验内容与步骤

本实验选择锅炉内胆水温作为被控对象，实验之前先将储水箱贮足水量，将阀门F1-1、F1-2、F1-5、F1-13全开，手动调节阀门F1-3至适当开度，其余阀门关闭，启动380伏交流磁力泵，给锅炉内胆贮存一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置），然后关闭阀F1-13，打开阀F1-12，为给锅炉夹套供冷水做好准备。

1、接通控制系统电源，打开用作上位监控的PC机，进入后的实验主界面如本实验指导书第二章第