基于ADAM4000控制系统的A3000高级复杂实验培训Word文档格式.docx
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0.5立方/小时
1立方/小时
控制流程图如图1.1.1所示。
图1.1.1程序控制流量流程图
1.1.2算法实现和关键操作步骤
采用PID控制。
两个PID，但是程序控制其给定值。
界面如图所示。
程序代码如下：
//1000毫秒执行一次。
中间变量1=中间变量1+1;
if（中间变量1>
400）
中间变量1=0;
//输入
PID0_PV=AI0;
PID1_PV=AI1;
if（PID0_SP==0）
AO0=0;
else
AO0=PID0_MV;
if（PID1_SP==0）
AO1=0;
AO1=PID1_MV;
=0&
&
中间变量1<
=100）
{
PID0_SP=33;
PID1_SP=0;
}
100&
=200）
PID0_SP=16.5;
PID1_SP=16.5;
300&
=400）
PID0_SP=0;
PID1_SP=33;
注意开启两个水泵，两个流量控制。
一支路使用调节阀，一支路使用变频器。
1.1.3实验结果及记录
控制曲线如图1.1.2所示。
多个值的控制曲线绘制在同一个图上。
1.2数字滤波技术、标度变换、非线性校正实验
1.2.1工艺过程描述
数字滤波技术、标度变换、非线性校正实验就是单容下水箱液位控制，流程图如图1.2.1所示。
图1.2.1数字滤波技术和非线性校正实验
1.2.2算法实现和关键操作步骤
由于液位具有波动，所以数据不是非常稳定，采用数字滤波技术采用，进行滤波。
滤波算法：
PV过滤=PV旧值*0.9+PV新值*0.1。
由于ADAM4000内部已经有了滤波，所以效果不如使用PCI1711好。
标度变换，使用线性算法，把4-20毫安转换成0-25厘米。
非线性校正则考虑到水箱的出口流量和液位高度的开方成正比。
所以采取开方算法，把输入的过程值直接校正，随输出流量成为线性。
//工程量尺度变换
floata;
a=（AI0-4.0）*25.0/16.0;
//数字滤波
中间变量1=中间变量1*数字滤波加权系数+a*（1-数字滤波加权系数）;
//同时对给定值和输入值校正
给定值1=Sqrt（中间变量2）;
测量值1=Sqrt（中间变量1）;
//输出
AO0=操作值1;
1.2.3实验结果及记录
控制器控制曲线如图1.2.2所示。
1.3数字PID控制实验
1.3.1题目工艺过程描述
单容下水箱液位PID控制流程图如图3.1.1所示。
图3.1.1单容下水箱液位调节阀PID单回路控制
测点清单如表3.1.1所示。
表3.1.1单容下水箱液位调节阀PID单回路控制测点清单
序号
位号或代号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
FV-101
电动调节阀
阀位控制
2～10VDC
AO
0～100％
2
LT-103
压力变送器
下水箱液位
4～20mADC
AI
2.5kPa
1.3.2算法实现和关键操作步骤
实验界面如图所示。
PID运算可以采用标准的直接计算法和增量计算法。
上次的计算值
两次相减：
输出时加上上次输出就可以了。
从公式可见，直接计算法很可能导致积分饱和，所以需要抗饱和的操作。
定义ET0、ET1、ET2，要求变量可以负值和正值。
例如定义到-100000到100000
PID_KI,PID_KD
在画面中每1秒执行一次。
//数字PID控制。
//关联到IO数据
if（PID_I==0）//避免除0
PID_I=0.01;
数字PID_KI=PID_P*1/PID_I;
//1运算周期
数字PID_KD=PID_P*PID_D/1;
数字PID_ET0=PID0_SP-PID0_PV;
If（\\本站点\数字PID算法选择==1）//'
=1采用增量计算
{//保留了上次\\本站点\操作值1
PID0_MV=PID0_MV+PID_P*（数字PID_ET0-数字PID_ET1）;
//比例作用
If（PID_I<
10000）//积分作用
{
PID0_MV=PID0_MV+数字PID_KI*数字PID_ET0;
//积分作用
}
PID0_MV=PID0_MV+数字PID_KD*（数字PID_ET0-2*数字PID_ET1+数字PID_ET2）;
//微分作用
数字PID_ET2=数字PID_ET1;
数字PID_ET1=数字PID_ET0;
ELSE//采用直接计算
{
//清除了\\本站点\操作值1
PID0_MV=0;
PID0_MV=PID0_MV+PID_P*数字PID_ET0;
IF（PID_I<
10000）//积分作用有意义
\\本站点\数字PID_ISUM=\\本站点\数字PID_ISUM+数字PID_KI*数字PID_ET0;
//积分作用
IF（\\本站点\数字PID_ISUM>
100）//抗积分饱和
\\本站点\数字PID_ISUM=100;
PID0_MV=PID0_MV+\\本站点\数字PID_ISUM;
}
PID0_MV=PID0_MV+数字PID_KD*（数字PID_ET0-数字PID_ET1）;
IF（PID0_MV>
100）//输出限制
PID0_MV=100;
IF（PID0_MV<
0）//输出限制
1.3.3实验结果及记录
控制器控制曲线如图2.2.3所示。
1.4BANG-BANG控制
该控制的复杂算法可以解决一些高等控制问题，但是我们将采用比较简单的算法，来验证这类控制的意义。
1.4.1工艺过程描述
如果要求单容下水箱液位PID控制的具有快速响应特性，并且在给定点位置还要准确控制，那么如何控制呢。
系统的工艺流程如图1.4.1所示。
图1.4.1单容下水箱液位调节阀BANG-BANG单回路控制
1.4.2算法实现和关键操作步骤
BANG-BANG控制最早由厐特里亚金提出，属于开关控制的非线性控制。
如果一个系统控制有以下要求；
即控制要实时性好，系统要稳定，控制精度要求高。
则可以采用非线性的Bang-Bang控制和线性的PID控制结合，其控制效果比较好。
如果采用线性的PID控制，虽然稳态精度容易满足，但是大偏差时就容易出现较大的偏差，而且过度的时间比较长，如果采用非线性的Bang-Bang控制，虽然能使过渡时间最短，但是容易出现超调，而且在零点附近容易产生振荡造成系统不稳定。
鉴于这种情况，设计了一种变结构的控制器是两者的优点有机的结合起来，从而使系统运行起来既快又稳。
设计的变结构式的双模控制器如图3所示：
图3变结构式的双模控制回路结构图
此结构控制就是使系统的结构可以在控制过程的各个瞬间，根据某些参数的状态以跃变的方式有目的的变化，从而将不同的结构揉和在一起，取得比固定结构系统更加完善的性能指标。
据此，针对流浆箱的液位和总压控制，提出了一种将非线性的Bang-Bang控制与线性的控制结合的变结构双模控制方法。
如图2所示：
当设定值（SP）与检测值（PV）产生一个偏差，由识别机构通过不同的偏差来选择不同的控制器，当偏差大于某个值的时候采用非线性Bang-Bang控制，当偏差小于某个值的时候系统自动切换到线性的PID控制。
Bang-Bang控制器的设计
Bang-Bang控制也称为开关式控制，对于较大的偏差，例如∣En∣≥a,控制量变化u取+Um或-Um，实行非线性开关控制模态，以提高系统的响应速度。
其表达式如下：
其中a为选择开关的切换值
对于液位控制如果直接使用PID，就必须在快速性和稳定性之间进行抉择。
但是如果实现了解了对象的特性，然后选择了合适的bang-bang控制结合PID，则可能有比较好的结果。
我们这里的bang-bang控制选择比较简单的控制算法。
首先测量液位和控制量在稳态情况的一个对应曲线。
这在系统特性测量中已经获取，当然也可以依据闸板的高度不同，重新测量。
例如SP下，控制量该是A稳定。
那么：
如果PV<
SP-a，MV=A-U，如果PV>
SP-a，MV=A+U，其他情况使用PID控制。
最好在切换时增加跟随程序，保证切换时没有扰动。
选择合适的a,A，以便获得最好的效果。
实验的组态界面如图所示。
1.4.3实验结果及记录
测量稳态液位对应的控制量如表所示。
我们可以简化一下，在液位30-60之间使用直线表示。
如果我们要控制液位60%，此时对应的控制量为43。
那么如果PV<
60-a，MV=43-U，如果PV>
60-a，MV=43+U，其他情况使用PID控制
1.5校正网络数字滤波器实现
1.5.1工艺过程描述
单容非线性上水箱液位PID控制流程图如图1.5.1所示。
图1.5.1校正网络数字滤波实验流程
1.5.2算法实现和关键操作步骤
这里的算法和自适应不同，而是把一个非线性的系统通过校正网络，使得它成为线性特性。
非线性截面积
等截面积特性
校正网络滤波
并且最好能够把液位高度继续校正为正比流量。
把等截面积系统液位高度开方。
液位控制，调节阀控制的是流量，那么液位变化率。
如果输入流量为Q，则高度变化率具有如下特性：
采用H对应到
来进行滤波。
在H=R时的PI控制参数，获得一定的控制效果。
注意开启时，需要让水进入上水箱。
在组态软件中的具体算法如下：
//数字滤波，按照S=积分：
K*sqrt（100h-h*h）,
//不考虑开方，积分h*h/2.0-h*h*h/300归一化
//中间值0作为给定值
PID1_SP=中间值0;
//仅仅用于显示
PID0_PV=sqrt（AI0*AI0/2.0-AI0*AI0*AI0/300.0）;
PID0_SP=sqrt（中间值0*中间值0/2.0-中间值0*中间值0*中间值0/300.0）;
控制界面如图所示。
1.5.3实验结果及记录
使用普通PID进行实验，然后找到最好的控制参数，得到控制曲线。
然后使用校正网络的方法进行控制。
然后找到最好的控制参数，得到控制曲线。
要求在各自最好的情况下，使用校正网络的方法可以得到更好的控制效果。
第二章复杂控制实验
2.1比值控制系统实验
2.1.1测试题目描述
流量比值控制系统控制流程图如图2.1.1所示。
图2.1.1流量比值控制流程图
流量比值控制测点清单如表2.1.1所示。
表2.1.1流量比值控制控制测点清单
FT-101
1#流量计
测量管路1流量
0-3m3/h
FT-102
2#流量计
测量管路2流量
3
U-101
变频器
频率控制，手动控制1#流量
4
调节阀
控制跟踪的流量
水介质一路（简称为I路）由泵P101（变频器驱动，手动控制作为给定值）从水箱V104中加压获得压头，经电磁阀XV-101进入V103，水流量可通过变频器或者手阀QV-106来调节；
另一路（简称为II路）由泵P102从水箱V104加压获得压头，经由调节阀FV-101、水箱V103、手阀QV-116回流至水箱V104形成水循环，通过调节阀FV-101调节此路的水流量；
其中，I路水流量通过涡轮流量计FT-101测得，II路水流量通过电磁流量计FT-102测得。
2.1.2控制算法和编程
这是一个单闭环流量比值控制系统，或者说是随动系统。
可以让一个流量梗跟随另一个流量的变化。
有两个算法。
（1）流量计FT-101流量与流量计FT-102成比例控制，如2.1.2所示，把FT101乘以比值系数，然后作为调节器的给定值。
被调量为调节阀开度，控制目标是水流量，通过两个流量不同比例下的比较，然后输出控制值到调节阀。
实行PID控制，看控制效果，进行比较。
这样方式下，由于FT101的测量不是非常稳定，所以调节器的给定值是有些变动的。
控制稳定性可能不是很好，另外在实时曲线上可以直接看到稳定的曲线。
（2）流量计FT-101流量与流量计FT-102成比例控制，如2.1.3所示，把FT101/FT102，然后作为调节器的测量值，而比值K作为调节器给定值。
FT
102
2#
调节阀FV101
101
比值K
调节器
Q2
Q1
1#
图2.1.3比值控制系统原理图
SP
PV
MV
除法器
被除数
这样方式下，调节器的给定值是稳定的，控制稳定性较好，但是在实时曲线上可以显示K值，最好的范围是0.1-10（我们设置k的范围就是0-10，而曲线上刻度是0-100，所以有些差异。
2.1.3操作过程和调试
1、编写控制器算法程序，下装调试；
编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。
这些步骤不详细介绍。
2、在现场系统上，打开手阀QV-102、QV-105，QV115，QV106，电磁阀XV101直接打开（面板上DOCOM接24V，XV101接GND）或打开QV111。
3、在控制系统上，将支路1流量变送器（FT-101）输出连接到控制器AI1，将支路2流量变送器（FT-102）输出连接到控制器AI0，变频器控制端连接到AO0，调节阀FV-101控制端连接到AO1，且变频器手动控制。
注意：
具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。
对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。
4、打开设备电源，包括调节阀电源，变频器电源，变频器设为外部信号操作模式。
5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。
6、启动计算机，启动组态软件，进入测试项目界面。
启动调节器，设置各项参数，将调节器切换到自动控制。
7、启动水泵P102。
8、设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数，这里不限制使用的方法。
具体可以参考2.4节。
建议：
因为PID的SP值会有一定的波动，所以控制的稳定性稍差，有一些难度。
注意控制目标是比值的稳定，而给定值也是比值。
干扰可以是K值的改变，也可以是变频器控制量的改变（从而改变了FT-101）。
2.1.4实验结果及记录
流量比值控制曲线如图1.1.4所示。
比值系数3。
P=24，I=2.5秒。
图1.1.4流量比值控制曲线
2.2串级控制实验
2.2.1测试题目描述
液位和进口流量串级控制流程图如图2.2.1所示。
图2.2.1液位和进口流量串级控制流程图
液位和进口流量串级控制测点清单如表2.2.1所示。
表2.2.1液位和进口流量串级控制测点清单
V103液位变送器
测量液位
0-2.5kPa
控制流量
U101
固定给值
0-10VDC
A0
0-100%
水介质一路（I路）由泵P101（变频）从水箱V104中加压获得压头，经流量计FT-101、电动阀FV-101、水箱V-103、手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环，负荷的大小通过手阀QV-116来调节；
其中，水箱V103的液位由液位变送器LT-103测得，给水流量由流量计FT-101测得。
本例为串级调节系统，调节阀FV-101为操纵变量，以FT-101为被控变量的流量控制系统作为副调节回路,其设定值来自主调节回路――以LT-103为被控变量的液位控制系统。
以FT-101为被控变量的流量控制系统作为副调节回路――流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。
下水箱V103为主对象，流量FT-101的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。
由上分析知：
副调节器选纯比例控制，反作用，自动。
主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用，自动。
实际上，串级控制相对于单PID控制而言，稳定性差，好处是在同样的副回路干扰下，超调非常小。
为了比较串级的这样好处，我们设计了如图2.2.1所示的工艺流程。
首先进行单PID实验，然变频器输出35Hz。
然后找到最好的控制参数，一般P=1，I=20000毫秒，等系统稳定后，改变变频器输出为50Hz，然后不断记录系统的超调量和稳定时间。
之后开始串级实验，同样设定变频器输出35Hz，系统稳定后，改变变频器输出为50Hz，然后不断记录系统的超调量和稳定时间。
如果控制好，可以发现在同样的变频器干扰下，串级超调量远远少于单PID的超调量。
2.2.2控制算法和编程
串级控制系统方框图如图2.2.2所示。
X
主调节器
LIC101
副调节器
LIC102
下水箱液位LT103
LT103
主回路干扰
给定值+
-
图2.2.2液位流量串级控制系统框图
流量计FT101
流量FT102
副回路干扰
以串级控制系统来控制下水箱液位，以第一支路流量为副对象，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。
下水箱为主对象，流量的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。
将主调节器的输出送到副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。
由上分析副调节器选纯比例控制，反作用（要想流量大，则调节阀开度加大），自动。
主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用（要想液位高，则调节阀开度加大），自动。
流量干扰通过变频器频率的变动来实现。
变频器频率从40-50Hz变动。
工业上串级的投入是逐步的，最好可以做到无扰切换，具体实现投入无扰的方法可以参考网络资料。
这里不考虑这么复杂。
2.2.3操作过程和调试
1、首先完成单PID调节阀流量控制，获得变频器35Hz变动到50Hz的超调量和稳定时间。
2、在现场系统上，打开手动调节阀QV-103、QV-115、QV-105，调节QV-116具有一定开度（闸板高度6毫米左右），其余阀门关闭。
3、在控制系统上，将流量计（FT-101）连到控制器AI1输入端，下水箱液位（LT-103）连到控制器AI0输入端，电动调节阀FV-101连到控制器AO0端。
把变频器设置为面板操作。
4、打开设备电源，包括变频器电源。
7、启动变频器到40-50Hz，系统开始运行。
8、首先将主调节器置手动状态，调整其输出为某个输出值，将它作为副调节器的SP值。
9、在上述状态下，整定副调节器的P参数。
要求可以稳定，而且比较快。
10、预置主调节器的P、I参数（不要设置的太大），再将主调节器切换到自动状态。
11、依据记录曲线，调整主调节器的P、I参数、副调节器的P参数，一般是副调节器较大，主调节器较小。
副调节器：
一般纯比例（P）控制，反作用，自动，KC2（副回路的开环增益）较大。
主调节器：
比例积分（PI）控制，反作用，自动，KC1〈KC2（KC1主回路开环增益）。
12、待系统稳定后，类同于单回路控制系统那样，对系统加扰动信号，扰动的大小与单回路时相同。
就是把变频器从40变动到50Hz。
13、通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的静态精度。
14、使用单回路进行液位控制，流程和串级一样。
增加流量干扰，就是把变频器从40变动到50Hz。
控制曲线进行对比，看效果如何。
2.2.4实验结果及记录
如果串级超调量远远少于单PID的超调量，则效果效果比较好了。
思考一下，如果干扰在主回路又如何?
例如在单PID的情况下，把闸板从开口11毫米突然变化到5毫米，看系统的超调量如何。
在串级下进行同样的操作，看系统的超调量如何。
分析理论上这个超调量是否不同。
2.3前馈-反馈控制系统实验
2.3.1工艺过程描述
前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。
在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者抵消。
因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。
但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。
前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。
前馈-反馈控制的工艺和串级完全一样，这是一个让人迷惑的地方。
实际的好处可能就是体现在比例调节
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