关于过程控制系统装置综合实训总结Word文件下载.docx

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关于过程控制系统装置综合实训总结

报告日期：

2010年12月26日

指导教师评语:

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成绩（五级记分制）:

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指导教师（签字）:

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1实训安排

这次实训共有两个星期，主要有以下4个大的内容。

第一个任务是查简单控制回路电器连接图。

查完用Protel画出来，绘制电器连接图。

流量温度，压力电路图。

分10人，每人做一个图，一天。

第二个任务是对象的传递函数，做控制对象的数学模型，用实验法。

一天时间，单容水箱和双容水箱的数学模型。

第三个任务是复杂控制系统的组成和参数调整，3天。

做3个复杂控制系统，液位流量的串级控制系统，做单闭环比之控制系统，做一个前馈控制系统，每个系统做一天，要完成系统接线。

要完成干扰源的加入已经各种情况下的参数整定。

第四个任务是典型控制系统的操作。

3个代表：

热交换系统，投运操作，间歇反映，连续反映。

2简单控制系统电器连接图

本小组是第一组，在这一组中，本同学组要是查看温度控制系统的电器连接图，在这个温度控制系统中，组要由4部分组成。

及采集温度的传感器PT100、智能温度控制模块AS3010智能仪表、进行适时监控的PC机、电压转换器等。

2.1温度采集传感器PT100

在本温度控制系统中，所用的传感器是工业上常用的PT100温度传感器，它具有测量精度高，线性度较好的优点。

而且它比起热电偶来说，具有在较低温度下有较大的输出信号的优点；

比起铜热电阻来讲，它不易被氧化，性能比铜热电阻稳定。

总之，它是在测温范围在-50到500℃的首选产品。

用这个温度传感器测温的时候，由于控制芯片往往离传感器比较远，在测温电桥中，如果采用两线制，导线电阻带来的误差往往非常大。

如果采用四线制，成本有比较高，所以往往都采用的是三线制。

在本温度系统中，也是采用三线制接法。

2.2AS3010智能仪表

AS3010智能仪表可以直接把PT100的电阻信号转变成4到20毫安的标准信号。

因此，在本加热系统中，是直接把PT100的电阻信号接在了AI0+和ＡＩ０－的接线端子。

这样就可以成功地把电阻信号转换成了ＤＤＺ—３型标准信号。

AS3010可以进行PID运算，把标准电流信号来做ＰＩＤ运算，再把输出信号以４到２０毫安的标准信号输送到ＣＨＮＴ６Ｌ２，它可以接收来自控制器的ＤＤＺ—３型标准控制信号，在由它来控制加热炉的380Ｖ三相电。

在ＡＳ3中，还有串行总线端口，有了这个端口，就可以和上位机进行通讯，上位机可以直接监控整个温度控制系统的运行状况，也可以在上位机上修改ＰＩＤ各个参数。

2.3CHNT6L2模块

CHNT6L2模块是接收ＡＳ3010传来的标准控制信号，它可以按照传来的４到２０毫安标准信号的大小，成正比地输出加热炉的电压控制信号。

这样，就达到了用小信号控制大信号的目的。

2.4上位机

在本系统中，上位机起到实时监控的目的，同时还可以在上位机上设计积分时间、微分时间、比例系数、温度的设定值等参数。

它和ＡＳ３０１０之间的通讯，是通过串行总线进行的，整个控制系统的接线框架就是这样，图２就是整个加热炉温度控制系统的接线图。

图２　加热炉温度控制系统的接线图

３复杂控制系统的组成和参数调整

3.1液位-流量的串级控制系统

3.1.1液位-流量的串级控制系统组成

串级调节是改善调节质量的有效方法之一，它得到了广泛的应用。

它适用于控制对象的容量滞后、纯滞后大，干扰较大以及非线性严重的控制场合。

它是一个双回路控制系统，实质上是把两个调节起串接起来，通过它们的协调工作，使一个被调参量准确保持为给定值。

传级控制系统由主回路和副回路两个闭环组成，其中，副环的对象惯性小，工作频率高，而主环的惯性大，工作频率低。

为了提高系统的调节性能，希望主副环的工作频率相差三倍以上，以避免频率相近发生共振现象而破坏正常工作。

在本串级控制系统中，是下水箱的液位控制系统。

所以控制对象是下水箱的液位。

要保持下水箱液位不变，如果用简单控制，则是通过检测下水箱的液位，如果下水箱的液位高于设定值，则就减小控制阀门的开度，从而控制流量的减小；

如果下水箱的液位低于设定值，则加大控制阀门的开度，从而加大流量的输出；

这样就保持了水箱液位的相对恒定。

但是这样存在一个问题，就是当管道的压力变化的时候，同样的阀门开度，却带来了不同的流量大小，这样流量的扰动使控制效果变坏。

同时，当流量变化后，要经过一定的输送管道才能到达容器，这样有加大了纯滞后时间，使总的滞后时间加大，从而使控制效果变差。

为了解决上述问题，本控制方案采用了串级控制体统，为了避免流量的变化对调节系统性能的影响，本控制系统增加了一个副回路，即通过传感器检测管道的流量，通过流量信号和液位信号来构成双闭环，用最后的输出控制电磁阀，从而实现了下水箱液位的串级控制。

整体来看，本系统是这样组成的，通过传感器检测下水箱的液位，在把传感器的输出信号给AS3010的第一个智能控制器，把第一个智能控制器的输出给第二个控制器的外给定信号，这相当于是低二个控制器的设定值，只不过设定值是外给定的。

同时，把流量信号传递给了这个控制器，这个流量信号就是这个控制器的测量值，这样就实现了下水箱液位的串级控制。

3.1.2液位-流量的串级控制系统参数整定

在本次控制器的整定参数中，是使用的“两步整定法”，在主环闭合的情况下，将主调节器的比例带P1设置在100%，用经验法整定副回路。

求出副回路在衰减率为0.75左右时副调节器的比例度P2。

将副回路置于求得的这一比例度上，并且把副回路视为调节系统的一个组成部分，用同样的方法，求出主回路在衰减率为0.75左右的主调节器的比例度P和被调量Y1在出现第一个高峰时的时间Tr。

然后根据P、Tr按经验公式求出主调节器的参数。

就这一按，先副后主的原则，先放上副调节器的参数，在放上主调节器的参数。

反复调试，求出主副回路的最佳PID参数。

3.1.3液位-流量的串级控制系统参数整定结果及分析

图3.1.3是液位-流量的串级控制系统参数整定结果，它是在变频器的扰动频率加35ＨＺ的扰动信号下系统的飞升曲线图。

由图可以看见，副回路是用的纯比例调节，它的作用是消除主要的误差，所以，理论上用纯比例调节比较合适，纯比例调节足够消除大部分误差。

同时，可以发现主回路是用的ＰＩＤ调节，因为主回路的作用是消除静态误差，所以调节器中包含积分项是很有必要的，微分作用是为了减小调节时间。

最后，本串级调节系统的静态误差为０.１℃左右，在这么大的扰动下做到０.１℃的静态误差还是相当满意的。

图3.1.3液位-流量的串级控制系统参数整定结果

3.2下水箱液位的前馈——反馈控制系统

3.2.1下水箱液位的前馈－反馈控制系统的原理和结构

前馈控制系统又称为扰动补偿，它是一个开环控制系统，它与反馈调节原理完全不同，是按引起被调参数变化的干扰大小进行的调节。

在这个系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现又能测出时，调节器就能发出调节信号使调节量做相应的变化，使两者抵消于被调量发生偏差之前。

因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节块。

由此可见，如果补偿得当，对应某一特定扰动，前馈控制系统的品质将十分理想，明显优越于反馈控制系统。

但是，要实现完全补偿并非容易的事，因为要得到工业过程的精确数学模型是非常困难的一件事。

同时，扰动也不是特定的一种或数种，因此，为了保证有更大的适应性，往往把前馈控制系统和反馈控制系统结合起来，构成前馈反馈控制系统。

前馈克服主要扰动的影响，反馈克服余扰动以及前馈补偿不完全部分。

这样，系统理论上在大而频繁的扰动下，依旧可以得到良好的控制品质。

在本下水箱液位的前馈－反馈控制系统中，是通过变频器控制其中一个水泵，手动改变变频器的频率，从而改变干扰的大小，在利用流量传感器测出这个支路流量的大小，把这个流量的大小值传输到控制器上，实现对它的开环控制。

同时，把液位的高低用传感器测量出来，同时作用于控制器，并且使控制器的输出作用于电磁阀，来调节主回路的流量大小。

主要的干扰就通过流量变送器测量出来，并且在干扰还没作用到对象之前，就对它进行了相应的处理，实现了提前控制，使干扰消除于萌芽之中。

同时，还通过测量下水箱液位来实现反馈控制，即当下水箱液位的设定值不等于实际测量值时，就通过控制器的输出作用于电磁阀，改变主流量的大小，从而保证液位的相对稳定。

3.2.2下水箱液位的前馈－反馈控制系统参数的整定

在本控制系统中，参数整定是用的经验法。

具体来说，是通过对控制对象施加扰动，然后根据测量值跟随设定值在时间轴上的变化趋势来设定PID三个参数的大小，通过反复的施加扰动，并不断改变PID三个参数，最终早点一组相对合适的ＰＩＤ参数。

经验法的整定依据主要有以下几点。

①比例系数Kc对系统性能的影响

在系统的动态过程中，比例系数越大，系统的动作越灵敏，速度越快。

但比例系数增大，振荡次数增多，调节时间加长。

Kc太大，将使系统不稳定。

Kc太小，又会使系统动作不灵敏。

当系统达到稳态时，加大Kc可以减小稳态误差，提高控制精度，但不能完全消除稳态误差。

本次系统Kc在50.0到80.0效果都比较好。

②积分时间Ti对系统的影响

在系统的动态过程中，积分控制通常使系统稳定地下降。

Ti太小将使系统趋于不稳定。

Ti太小，振荡次数增多；

Ti太大，对系统的性能影响小，作用不明显。

合适的Ti时，系统的动态过程比较理想，当系统到达稳太后，合适的Ti可以完全消除稳态误差，提高控制精度。

但Ti太大，积分作用太弱，也不能消除稳态误差。

在本次系统中，Ti在0.1到0.2效果都比较好。

③微分时间对系统性能的影响

微分控制可以改善系统的动态性能，如减小超调量，缩短调节时间。

但当Td偏大或者偏小时，超调量会加大，调节时间也会加长，只有合适的Td，才能得到满意的调节过程，在本次系统中，Td在1.0到1.5效果都比较好。

3.2.3下水箱液位前馈—反馈控制系统参数整定结果及分析

图３.２.３是下水箱液位前馈——反馈控制系统参数整定结果，由图可以发现，这个系统的调节时间相对来说是比较长的，因为前馈控制系统的干扰一般都比较大。

同时要达到消除静态误差的目的，必须找到合适的前馈系数，这个工作对于一般的学生来说还是有一定的困难，只有通过凭借经验一个一个的调试。

但这个调节器还加入了反馈控制，通过这么多的实验，反馈控制ＰＩＤ参数的整定是非常容易的事了。

因此，这次参数的整定是先把干扰固定在一个恒定的值，在用纯反馈来整定，得到满意的效果后在引入变动的干扰，在用前馈和反馈共同控制液位的稳定。

经过反复的实验，最后还是得到了较为满意的效果。

静态误差最后也只有０.１℃。

图３.２.３下水箱液位前馈——反馈控制系统参数整定结果

3.3单闭环流量比值控制系统

3.3.1单闭环流量比值控制系统原理及结构

在各种生产过程中，常常需要两中物料或者流量等要保持一定的比值关系，这就要用到比值控制系统，比值控制系统分为了开环比值