水箱液位过控实训报告 2.docx

水箱液位过控实训报告 2.docx

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水箱液位过控实训报告2

目录

1引言………………………………………………………………………………1

2系统介绍………………………………………………………………1

2.1 系统组成及其框图…………………………………………………1

2.2系统工作原理及其设备介绍…………………………2

3调试系统………………………………………………………4

4调试结果…………………………………………………………………9

心得体会…………………………………………………………………………10

1引言

在工业生产过程中，液位是最基本的工艺参数之一，因此对水箱液位实现自动控制是生产自动化的重要任务之一。

自动化专业的毕业生工作后，将面临的任务之一是对自动控制系统（设备、装置）进行维护、维修和技术改造等。

本训练项目的任务是通过为期1周的工程实践训练，对单容水箱液位控制系统的构成及工作原理作一个全面的了解，对主电路及控制电路等进行原理分析，中间信号的检测调试、故障分析处理等，进一步完善和优化系统性能。

本次系统综合工程实践训练内容覆盖面广，应用性强，通过工程训练，目的是提高学生对所学知识的综合能力，将理论知识用于实践分析问题和解决问题的能力，学习对实际系统的检修调试方法，积累实践经验，近一步缩短教学与生产实际的距离，为毕业后顺利上岗打下良好基础。

2系统介绍

  2.1系统组成及其系统框图

本次工程实践训练采用是THJ-2型高级过程控制系统，它是一个多功能多分支的大系统，由于时间关系，无法对此系统的各个子系统进行全面熟悉和训练，所以只是选用了此系统的单容水箱液位控制系统及其设备作为训练内容，系统由过程控制实验对象系统、智能仪表控制台、上位监控PC机及监控软件MCGS组态软件组成。

单容水箱液位控制系统的由液位给定，控制器，D/A转换器，电动节阀，单容水箱，检测变送器，A/D转换器，扰动信号组成，框图如下：

电动调节阀

图1单容水箱液位控制系统框图

2.2系统工作原理及其设备介绍

1.工作原理

THJ-2型高级过程控制系统里的单容水箱液位控制系统是一个使液位保持在一定高度的控制系统。

它采用的控制方法是PID控制。

先用水泵给水箱抽水，改变电动调节阀的开度来控制水的流量从而控制水箱液位的高度。

并选用压力传感器对液位高度进行测量，将测量的值传输给系统并与系统的给定值进行比较，通过改变PID的控制参数，使测量值能够跟随系统给定值，实现对液位的动态调节和控制。

系统采用的PID控制器在模拟过程控制中，数字PID控制算式为：

式中：

T——采样周期

e（k）——系统第k次采样时刻的偏差值

e（k-1）——系统第（k-1）次采样时刻的偏差值

u（k）——第k时刻的控制输出

k为采样序号，k=0，1，2…。

2．过程控制实验设备介绍

实验设备包含有：

不锈钢储水箱；上、中、下三个串接有机玻璃圆筒型水箱；三相4.5KW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成）和铝塑盘管组成。

系统动力系统有两套：

一套由三相（380V交流）不锈钢磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计等组成;另一套由日本三菱变频器、三相不锈钢磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计等组成。

整套对象系统完全由不锈钢材料制造，包括对象框架、管道、底板，甚至小到每一颗紧固螺钉。

3．对象系统中的各类检测变送及执行装置

（1） 扩散硅压力变送器三只：

分别检测上水箱、中水箱、下水箱液位；

（2） 涡轮流量计三只：

分别检测两条动力支路及盘管出水口的流量；

（3）Pt100热电阻温度传感器六只：

分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（三只）及上水箱出水口水温；

（4）控制模块：

包含三相可控硅移相调压装置、电磁阀、电动调节阀、三菱变频器各一个；

（5）接触器位式控制装置、三相380V不锈钢磁力驱动泵、三相220V不锈钢磁力驱动泵。

4.上位监控PC机

“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”配置一台上位监控PC机，PC机上安装有工控组态软件（MCGS、组态王可选），通过RS232/485转换器、仪表控制台侧面的RS485总线接口与所有的仪表进行通讯。

我们可对下位仪表各参数进行设定、修改PID控制参数，并能观察被控参数的实时曲线、历史曲线，SV设定值、PV测量值、OP输出值，各实验都设有动态变化棒图显示和实验指导。

3调试系统

单容水箱液位控制系统的调试主要包括以下各部分：

调试控制对象、调试检测装置、调试执行装置、调试控制器以及PID调试。

由于控制对象、检测装置、执行装置、控制器都是由生产厂家调试好了的，在成功运行这些装置的情况下，主要是调试PID参数。

1.控制对象

圆筒形有机玻璃上水箱（Ф200×330mm）的水箱液位。

2.检测装置

扩散硅压力液位变送器

工作原理：

当被测介质（液体）的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经归一化差分放大和输V/A电压、电流转换器，转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的4~20mA标准电流输出信号。

水箱液位传感器的校准:

水箱液位传感器测量范围：

0~10Kpa；24VDC电源供电，4~20mA电流输出，两线制接法。

校准前先打开电源总开关，接通24V开关电源，检查直流电压是否为24V，用万用表在接线口测量确认。

确认后可以开始校准。

校准方法：

零位校准（1~5V对应液位0~1000mm）

打开阀L01（R01），排空上水箱中的水后，关闭阀L01

（R01）。

用万用表20V直流电压档测量I/O信号面板上的上水箱液

位的电压值，此时上水箱液位为零，调节上水箱液位传感器的Z（zero）电位器，使测量的电压值为1.00V。

增益校准:

打开单相水泵的220V供电电源开关，上水箱开始进水。

当上水箱液位达到溢流口时，关闭单相水泵电源开关，从

水箱刻度尺上读出测量值。

看万用表20V直流电压档测量的上水箱液位的电压值，测量值=（电压值-1）×250mm，若不是，调节上水箱液位传感器的R（增益）电位器，使电压值经过换算后和测量值吻合。

重复步骤1）、2），复调零位和增益。

直到液位为零时电压显示

为1V，最大值时电压与实际测量值吻合。

注：

调好以后就不再调。

注：

液位传感器的校准一般在出厂前已完成。

执行装置：

电动调节阀

QSTP-16K智能电动单座调节阀

主要技术参数：

执行机构

型式：

智能型直行程执行机构

输入信号：

0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC

输入阻抗：

250Ω/500Ω

输出信号：

4~20mADC

输出最大负载：

<500Ω

信号断电时的阀位：

可任意设置为保持/全开/全关/0~100%间的任意值

电源：

220V±10%/50Hz

3.控制器

单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。

本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上小水箱液位等于给定值所要求的高度。

根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。

合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。

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。

因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。

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。

根据实验经验我们知道，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）。

在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图4-2中的曲线①、②、③所示。

图2P、PI和PID调节的阶跃响应曲线

4.PID参数调节

PID参数的整定有两种可用的方法，理论设计法及实验确定法。

用理论设计法确定PID控制参数的前提是要有被控对象准确的数学模型，这在工业过程中是很难做到的。

因此，用实验确定法来选择PID控制参数的方法便成为经常采用而行之有效的办法。

根据所学知识及实际情况考虑，本次系统的PID参数调试采用试凑法。

试凑法是通过仿真或实际运行，观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据各控制参数对系统的影响，反复调节试凑，直到满意为止，从而确定PID参数。

我们知道，PID控制器各参数对系统的影响是；增大开环比例系数

，一般将加快系统的影响速度，在有静差的情况下则有利于减小静差；但过大的比例系数又会加大系统超调，甚至产生振荡，使系统不稳定。

在试凑时，实行先比例、后积分、再微分的反复调整。

其步骤如下：

1）整定比例部分

先置PID控制器中的T1=∞、T2=0，使之成为比例控制器，再将比例系数

由小变大，观察相应的响应，使系统的过渡过程达到4:

1的衰减振荡和较小的静差。

如果系统静差已小到允许范围内，并且已达到4：

1衰减的响应曲线，那么只需用比例控制器既可，最优比例度就由此确定。

2）加入积分环节

如果只用比例控制，系统的静差不能满足要求，则需加入积分环节。

整定时，先将比例系统减小10－20%，以补偿因加入积分作用而引起的系统稳定性下降，然后由大到小调节

，在保持系统良好动态性能的情况下消除静差。

这一步可以反复进行，以期得到满意的效果。

3）加入微分环节

在整定时，先置T为零，然后，在第2步整定的基础上再增大T，同时相应地改变比例系数K和积分时间T，逐步试凑以获得的控制效果和控制参数。

4调试结果

在系统设备调试成功后，运行MCGS软件，在实验平台上通过PID试凑法经过多次调节，较为理想的一组PID值为：

P=18.00，Ti=95.0，Tp=0.0，其曲线如下图所示：

图3调试曲线图

心得体会

经过为期1周的单容水箱控制系统工程实践训练,进一步理解和掌握了计算机过程控制这门课的基本理论和实验方法。

在沈细群老师的精心指导和同学们互相团结协作下得以圆满地完成了此次训练任务。

通过工程实践训练，增强了我的学习能力，提高了将理论知识用于分析实践问题和解决具体问题的能力。

学习对实际系统的检修调试方法，积累了实践经验，近一步缩短教学与生产实际的距离，为毕业后顺利参加工作打下良好基础。

同时也学到了很多新的知识，开阔了视野。

在这一过程中，我一直严格要求自己，认真对待此次实践训练，力求理论与实践像结合，达到学以至用的效果。

此次实践训练中遇到了许许多多的困难，但在老师的详细指导和同学们的帮助下，都得以一一解决，这些帮助培养了我分析困难和解决困难的能力.当然，在训练过程中我也发现了自己的许多缺点和不足之处，例如对许多设备器件的功能以及各生产厂家产品的特点缺乏了解，在PID的参数调节中缺乏耐心等。

但收获还是颇多的，例如对所学的知识有了一个理性认识，感觉自己在实践能力方面提高了，自信心也增强了，受益菲浅。

最后感谢指导老师在整个实践过程中耐心的指导和帮助，同时也感谢学校为我们提供了这么良好的实验条件和实践机会。