计算机过程控制系统(DCS)课程实验指导书Word格式文档下载.doc
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反之,控制器参数选择得不合适,则会使控制质量变坏,达不到预期效果。
一个控制系统设计好以后,系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
一般言之,用比例(P)调节器的系统是一个有差系统,比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小,而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分(PI)调节器,由于积分的作用,不仅能实现系统无余差,而且只要参数δ,Ti调节合理,也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分(PID)调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用,从而使系统既无余差存在,又能改善系统的动态性能(快速性、稳定性等)。
但是,并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质,对于容量滞后不大,微分作用的效果并不明显,而对噪声敏感的流量系统,加入微分作用后,反而使流量品质变坏。
对于我们的实验系统,在单位阶跃作用下,P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-16中的曲线①、②、③所示。
图2-16P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
四、实验内容和步骤
1、设备的检查和连接
1).关闭排水阀门,检查AE2000A型过程控制对象的储水箱水位是否达到总高度的50%以上,如不够,灌水。
2).打开以循环泵为动力的支路至上水箱的所有阀门,关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。
3).打开上水箱泄水阀,开至适当的开度。
4).检查电源开关是否关闭。
2、系统连线如图2-17所示:
DCS接线端子排
6 5 4
H F D B H F D B H F D B
H-20
H-4—
——
Ω
H-19
H-1
G E C A G E C A G E C A
(I/O航空插座接线端子)
图2-17单容水箱液位PID参数整定控制系统接线图
1).将24芯通讯电缆I/O线,按图2-17的连法,接到对应的DCS接线端子排上。
将24芯通讯电缆H-1端即上水箱液位+(正极)接到DCS接线端子排的5-E端(即SP313电流信号输入板的正极),将24芯通讯电缆H-4端上水箱液位-(负极)接到DCS接线端子排的5-F端(即SP313电流信号输入板的负极)。
将DCS接线端子排的6-G端(即SP322模拟信号输出板的正极),接至24芯通讯电缆H-19端即调节阀的2~10V输入端的+端(即正极),DCS接线端子排的6-H端(即SP322模拟信号输出板的负极),接至24芯通讯电缆H-20端即调节阀的2~10V输入端的-端(即负极),并且在DCS接线端子排的6-G端和6-H端间连接一500Ω电阻。
2).用网线将上位机与DCS连接起来。
3).电源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。
3、启动DCS
1).将DCS控制柜的电源插头接到220V的单相交流电源。
2).打开DCS控制柜后的两个空气开关,给控制柜散热风扇、交换机和系统电源供电。
3).打开DCS控制柜前的两个电源开关,启动DCS系统。
4、启动实验装置
1).将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。
2).将电源控制板上的“漏电保护开关”打开。
3).打开“电源总开关”,给实验装置和控制柜供电。
4).打开“单向泵”开关,给循环泵供电。
5).打开“调节阀”开关,给电动调节阀供电。
6).开启“24VDC电源”开关,给信号检测仪表供电。
5、比例调节控制
1).启动“AdvanTrol-Pro实时监控”软件,进入实验系统选择相应的实验,如图1所示:
图1AdvanTrol-Pro“实时监控—流程图”画面
2).点击“液位控制”下方数字(文本框),弹出“显示仪表(回路)”窗口。
点击“4#单回路”按钮,进入“AdvanTrol-Pro实时监控软件—调整画面”如图2所示。
图2AdvanTrol-Pro实时监控软件—调整画面
注:
图2中设定值10cm,比例系数40,积分时间0.66分,微分时间3秒,泄水阀半开。
或设定值10cm,比例系数20,积分时间0.33分,微分时间3秒,泄水阀全开。
3).设定给定值,按表1逐一调整比例度(P)。
4).待系统稳定后,对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动,一般可通过改变设定值实现)。
记录曲线在经过几次波动稳定下来后,系统有稳态误差。
5).按表1逐一调整比例度(P),重复步骤3,观察过渡过程曲线,并记录余差大小。
6).继续减小比例度重复步骤3,观察过渡过程曲线,直到出现等幅震荡,并记临界比例度和临界振荡周期值。
7).选择合适的比例系数(K),可以得到较满意的过渡过程曲线。
改变设定值,同样可以得到一条过渡过程曲线。
P=(1/K)x100%
8).注意:
每当做完一次试验后,必须待系统稳定后再做另一次试验。
当设定值SV=10cm时,
比例度(P)%
60
30
10
5
稳态测量值PV
余差(SV-PV)
表1
6、比例积分调节器(PI)控制
1).在比例调节实验的基础上,加入积分作用,即在界面上设置积分时间(Ti)不为0,观察被控制量是否能回到设定值,以验证PI控制下,系统对阶跃扰动无余差存在。
2).选择合适的K和Ti值(P=60%,Ti=0.66分),使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。
此曲线可通过改变设定值(如设定值变化20%,SV由10cm变到12cm)来获得。
7、比例积分微分调节(PID)控制
1).在PI调节器控制实验的基础上,再引入适量的微分作用,即把软件界面上设置微分时间(Td)参数,然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动,记录系统被控制量响应的动态曲线,并与PI控制下的曲线相比较,由此可看到微分时间(Td)对系统性能的影响。
2).选择合适的K、Ti和Td,使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线(阶跃输入可由给定值突变20%来实现)。
3).在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。
8、用临界比例度法整定调节器的参数
在实现应用中,PID调节器的参数常用下述实验的方法来确定。
用临界比例度法去整定PID调节器的参数是既方便又实用的。
它的具体做法是:
1).在只有比例调节作用下(将积分时间放到最大,微分时间放到最小),先把比例系数K放在较小值上,然后逐步增加调节器的比例系数,并且每当增加一次比例系数,待被调量回复到平衡状态后,再手动给系统施加一个5%~15%的阶跃扰动,观察被调量变化的动态过程。
若被调量为衰减的振荡曲线,则应继续增加比例系数,直到输出响应曲线呈现等幅振荡为止。
如果响应曲线出现发散振荡,则表示比例系数调节得过大,应适当减少,使之出现等幅振荡。
图2-19为它的实验方块图。
图2-19具有比例调节器的闭环系统
2).在图2-20系统中,当被调量作等幅荡时,此时的比例系数K就是临界比例系数,用Km表示之,此时的临界比例度为δk,δk=1/Km,相应的振荡周期就是临界周期Tm。
据此,按下表可确定PID调节器的三个参数δ、Ti和Td。
图2-20具有周期Tm的等幅振荡
表2-12用临界比例度δk整定PID调节器的参数
调节器参数
调节器名称
比例度δ(δ=1/K)
积分时间Ti(S)
微分时间Td(S)
P
2δk
PI
2.2δk
0.85Tm
PID
1.7δk
0.5Tm
0.13Tm
3).必须指出,表格中给出的参数值是对调节器参数的一个初略设计,因为它是根据大量实验而得出的结论。
若要就得更满意的动态过程(例如:
在阶跃作用下,被调参量作4:
1的衰减振荡),则要在表格给出参数的基础上,对δ、Ti(或Td)作适当调整。
五、实验报告要求
1、画出单容水箱液位控制系统的方块图。
2、用接好线路的单回路系统进行投运练习,并叙述无扰动切换的方法。
3、用临界比例度法整定调节器的参数,写出三种调节器的余差和超调量。
4、作出P调节器控制时,不同δ值下的阶跃响应曲线。
5、作出PI调节器控制时,不同δ和Ti值时的阶跃响应曲线。
6、画出PID控制时的阶跃响应曲线,并分析微分D的作用。
7、比较P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。
六、注意事项
1、实验线路接好后,必须经指导老师检查认可后方可接通电源。
七、思考题
1、实验系统在运行前应做好哪些准备工作?
2、为什么要强调无扰动切换?
3、试定性地分析三种调节器的参数K、(K、Ti)和(K、Ti和Td)的变化对控制过程各产生什么影响?
4、如何实现减小或消除余差?
纯比例控制能否消除余差?
实验二、上水箱中水箱液位串级控制实验
1)、掌握串级控制系统的基本概念和组成。
2)、掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。
3)、研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。
上水箱液位作为副调节器调节对象,中水箱液位做为主调节器调节对象。
控制框图如图12-1所示:
12-1、上水箱、中水箱液位串级控制框图
1、设备的连接和检查:
(1)、打开以循环泵、调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门,关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。
(2)、打开上水箱出水阀至半开,中水箱的出水阀至全开。
(3)、检查电源开关是否关闭
2、系统连线图:
H-2
图2-2上水箱、中水箱液位串级控制系统接线图
1).24芯通讯电缆I/O线