1、過程控制實驗實驗報告第一章、 過程控制實驗裝置的認識一、 過程控制實驗的基本內容及概述本次過程控制實驗主要是對實驗室的水箱水位進行控制。水箱液位控制系統(tǒng)是一個簡單控制系統(tǒng)，所謂簡單液位控制系統(tǒng)通常是指由一個被控對象、一個檢測變送單元（檢測元件及變送器）、以個控制器和一個執(zhí)行器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，也稱為單回路控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)有著共同的特征，它們均有四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。液位變送器+PID控制器控制閥閥閥器液位_ 水箱圖1-1 水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖 這是單回路水箱液位控制系統(tǒng)，單回路調節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調節(jié)對象上用一個調節(jié)器來保

2、持一個參數的恒定，而調節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數是液位的給定高度，即控制的任務是控制水箱液位等于給定值所要求的高度。二、 主要設備1） 水路裝置的認識過程控制實驗用的水路裝置圖如下圖1-2 水路圖由水路裝置圖我們看到，裝置主要有水箱，交流電動泵，熱爐，管道，電動閥，電磁閥，流量計，液位傳感器，溫度傳感器組成，可以構成一個完整的過程控制實驗平臺。從上圖我們可以看出，裝置主要分為兩大部分，第一水路，管道，熱爐，水箱等等物理對象，第二是傳感器，執(zhí)行機構等等的控制部分的裝置。實驗裝置具體介紹如下：裝置簡介加熱控制器功率1500W 電源220V（單相輸入

3、）泵Q:40-150L/min 50HzHz:50H:2.5-7rpm:2550Hmax:2.5mkw：1.1Qmax:150L/minHp：1.5V:380In：2.8AVL:450VICL：BIP:44 MODEL BLC 120/110S全自動微型家用增壓泵型號：15WZ-10單相電容運轉馬達最高揚程 10m最大流量 20L/min極數：2轉速：2800rpm電壓：220V電流:0.36A功率：80W絕緣等級 ESBWZ溫度傳感器 PT100量程0100攝氏度精度 0.5%FS輸出：4-20MA DC電源：24VDC智能電動調節(jié)閥型號：2DYP-16P口徑2.5mm壓力：1.6Mpa電源

4、：220VAC輸入信號：4-20mA反饋信號：420mA閥門控制精度：0.1%-8%可調電磁閥MODEL UW-15 VOLTS :220VORIFICE:15 CYCLES:60HzPIPESIZE:1/2 OPERATING PRESSURE:MINI 0 KG/cm2 MAX 8KG/cm22WY C 型渦街流量計防護等級：IP54ADONIS+TAMAID INSTRUMENT 壓力傳感器YMC303P-1-A-3 RANGE：0-6kPaOUT：4-20MASUPPLY：24VDCRED：SUP+IP65BLUE：OUT+/V- b)電氣連接圖由電氣裝置的圖我們可以看到，所有的電器連

5、接都在這里，主要是一些傳感器信號，電動驅動信號，用于電動裝置的驅動。見附件c）操作面板圖：從操作面板上我們可以看到主要是由四個表，由P909構成，用于測量控制壓力、流量、液位、溫度的測量以及控制，PV代表反饋測量，外給定可以用于串級控制，OUT用于輸出信號，以上接口均使用4-20mA標準見附件第二、 三章、實驗系統(tǒng)的認知（包括力控軟件，P909，實驗裝置）a） 力控軟件的安裝首先使用光盤里的Setup.exe安裝力控軟件的主題部分，然后將IO Servers文件夾拷到力控軟件的安裝目錄下，安裝IO Servers驅動然后打開力控軟件，尋找到力控軟件的目錄，點擊開發(fā)模式，然后找到COM設置的部分

6、，如圖然后點開相應的目錄，然后配置串口參數，即可進行通信測量和控制。保存后編譯工程文件。然后我們就可以開始使用力控軟件了。運行接界面。力控軟件的功能相當之強大，可以監(jiān)控各個窗口儀表的狀態(tài)，并且具有繪制歷史曲線的功能。這個功能可以很方便我們使用，繪制飛升曲線,觀察系統(tǒng)模型。b） 液位控制系統(tǒng)的認識：液位控制系統(tǒng)有水箱、進水閥、分水閥、氣泵、壓力表、電動閥構成。系統(tǒng)原理框圖如下c） 系統(tǒng)模型的認識我們整個實驗的目的就是在于控制液位，所以我們需要水箱液位的模型來幫助我們整定參數。而對于實際模型最好的建模方式就是實驗建模，給予模型一個階躍信號后，觀察系統(tǒng)的反應，然后建立出模型的傳遞函數。同時，需要注意

7、到系統(tǒng)不僅僅是液位有一個模型，電動閥的模型也會對系統(tǒng)產生影響。電動閥20%-90%有上述的飛升曲線我們可以看出電動閥的模型也是一個一階環(huán)節(jié)，曲線上出現(xiàn)的一個個階梯狀的主要是由于采樣周期的影響，由于電動閥的反應速度相對于液位而言是比較快的，所以采樣的效果還是很明顯的。由于電動閥的時間常數遠小于液位，實際參數調整的時候可以忽略調節(jié)閥的參數。液位飛升曲線首先建立增益系數K，由最初與最終的穩(wěn)態(tài)結果可知，K=5.625然后是時間常數，當液位飛升曲線到達67.5%的時候，此時的時間就是我們的時間常數，所以可得我們的系統(tǒng)的傳遞函數。得到了傳遞函數對我們整定PID參數有極大的益處。d）P909的認識我們實驗的

8、主要控制器就是P909高精度微電腦控制器，它主要具有如下特點:控制精度高，最高可達0.1度雙PID控制功能，可以控制加熱和冷卻通用輸入，可以輸入56種不同的信號輸出信號種類多，可以滿足各種需要。有外部設定SV功能呢，用于多機同步設定可選配RS-485通信功能或主副控制器抗干擾能力強，可用于各種工控場合輸出百分比控制，手動/自動切換自整定、自診斷功能。由上可見，P909功能十分強大，可以用來實現(xiàn)試驗中的種種功能。我們主要使用的功能有：1、設定輸出值的百分比：按SET鍵到OUTL顯示后，使用光標確認輸出的百分比。2、確認控制器的SV設定值，按下鍵直到SV值在閃爍，使用光標修改SV的數值。3、設定顯

9、示的高點低點：按下set鍵5秒之內按下鍵進入第三層，按下set鍵找到ANL1 和ANH1，同時輸入相應的電流信號，然后設定想要顯示的數值即可。P909具體功能圖：系統(tǒng)總框圖第一層第二層第三層第三層第四章、單回路控制系統(tǒng)：單回路控制器一種以微處理器為計算、控制核心，配以相應軟件，在外觀及使用上類似常規(guī)模擬控制器的數字式控制儀表，又稱單回路數字控制器。單回路控制器一般可接受多個輸入信號，一般只有兩個，設定值和檢測值，用于偏差計算，但只輸出一個模擬量信號，構成單回路直接數字控制。我們的單回路液位控制系統(tǒng)框圖如下所謂的單回路，就是只有一個控制回路，只去檢測一個量的控制，這在實際控制系統(tǒng)中占了絕大多數。

10、我們就一次來進行液位控制?？刂平Y果如下K=12 P=1 D=1可以看出我們的控制效果并不是很好，實際上主要是系統(tǒng)的增益比較大，很容易就震蕩了，而且由于控制效果過于強烈，同時P909在檢測值大于設定值的時候立刻停止控制作用，導致控制過于頻繁啟動，使得控制處于一種開關控制的狀態(tài)。不利于控制器的控制。實驗過程：i. 使用P909說明書中間的矯正手段，通過其他的P909輸出電流信號至PV，然后用第三層中的矯正功能，完善兩點的矯正。ii. 連接系統(tǒng)，然后使用P909進行參數整定。iii. 首先整定P參數，當P=15是系統(tǒng)響應出現(xiàn)震蕩，讓后適當減少P的值，加入P=1獲得比較不錯的控制效果iv. 加入D=1

11、，增強的效果不是很明顯。第五、六章、串級控制：串級控制系統(tǒng)-兩只調節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個調節(jié)器的輸出作為另一個調節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設計單回路控制系統(tǒng)的設計類似，設計過程可以按照簡單控制系統(tǒng)設計原則進行。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個回路的協(xié)調工作問題。主要包括如何選取副被控參數、確定主、副回路的原則等問題。 由于副回路是隨動系統(tǒng)， 對包含在其中的二次擾動具有很強的抑制能力和自適應能力，二次擾動通過主、副回路的調節(jié)對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時應盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動。實際控制

12、工程中一般只要抑制主要的擾動即可，擾動回路用得過多，對于參數整定，系統(tǒng)穩(wěn)定等等會有影響。串級控制的原理方框圖如下：實驗一：本次實驗的主要目的在于整定P909控制器的PV參數。首先是整定主控制器的PV參數：1、 進入第三層后，使用其他的P909控制器輸出7.13mA的電流，然后將控制器的參數整定為10（代表10mm）2、 同樣使用其他P909控制器輸出19.61mA，然后將控制器輸出顯示為510（代表510mm），外環(huán)主控制器PV整定完成。3、 同樣的方法整定外環(huán)控制器，讓其他的P909控制器輸出20mA后調整P909顯示為100（代表閥門開度為100%），然后讓其他P909控制器輸出4mA電流

13、，調整P909顯示0%（代表閥門開度為0%）實驗二：由于我們的流量傳感器并不是很好用，所以我們改用電動閥門的開度作為輔助控制變量，主要抑制的是外部環(huán)境對于電動閥的擾動，實際上出來的效果不是很好，尤其是參數很難整定，經常整定好內環(huán)參數后，外環(huán)參數不佳，導致系統(tǒng)運行不佳。由上圖可以看出相較于單回路系統(tǒng)，性能有所上升，但是還是有振鈴現(xiàn)象，參數整定不是很好。外環(huán)PID：P15，I1 D 2 內環(huán)PID：P 5 I 2。實際上我們的參數不是很好，使用P909的參數自整定功能之后，我們發(fā)現(xiàn)性能還有所下降，所以棄用。實驗過程：1、 使用P909說明書中間的矯正手段，通過其他的P909輸出電流信號至PV，然后

14、用第三層中的矯正功能，完善兩點的矯正。2、 連接系統(tǒng)，然后使用P909進行參數整定。3、 首先整定內P參數，當P=5是系統(tǒng)響應出現(xiàn)震蕩，讓后適當減少P的值，加入I=2獲得比較不錯的控制效果4、 然后整定外環(huán)，參考上次的參數整定為PID：P15，I1 D 2與單回路控制系統(tǒng)的比較：由于我們的系統(tǒng)中間的閥門開度有一個比較大的滯后，所以實際上通過一個串級控制的方式一方面提升了內環(huán)收斂的速度，另一方面提升了內環(huán)的抗干擾能力。抑制了對于閥門開度的擾動。單回路控制系統(tǒng)的結果串級控制結果可以看出串級控制的效果明顯好于單回路，無論是上升時間，運行振蕩的表現(xiàn)都要略好一些?？梢姶壙刂频目刂菩Ч绕饐位芈废到y(tǒng)要好

15、一些。第七章、根據實驗教學裝置設計前饋控制系統(tǒng)本章實驗的要求設計一個前饋控制系統(tǒng)。所謂前饋控制就是指控制系統(tǒng)檢測出系統(tǒng)受到的擾動，然后利用這樣一個檢測出的擾動來進行系統(tǒng)的調控?？梢娗梆伩刂频臈l件在于我們所要抑制的擾動量必須可測，還有擾動必須是主要的擾動。同時擾動只能抑制所檢測的擾動，不能抑制其他擾動，所以前饋控制不能單獨使用，必須配合在反饋控制系統(tǒng)中，但是在我們的實驗設備上存在這么一個問題，實際上可測的擾動均可以通過串級控制抑制，設計前饋控制只是為了試驗用而已。上圖是實用的前饋控制框圖，由于我們的P909不支持多點輸入，想要實現(xiàn)前饋控制，必須帶上PC機，P909控制器1、2僅僅作為檢測裝置使用

16、，PC機上實現(xiàn)算法，P909控制器3作為輸出設備第八章、力控組態(tài)軟件的串級控制軟件界面開發(fā)本章實驗的主要目的在于使用力控組態(tài)軟件的使用。本次實驗的任務在原有的力控軟件的基礎上增加一個串級控制的頁面，不需要自行重新定義協(xié)議變量，使用內部自帶的變量即可。實際整體運行界面從界面上我們可以看出，PID控制可以顯示當前的輸出、檢測、設定值。水箱液位可以更隨運動，由于沒有可以調速的液體管道，所以液體只有流動與不流動兩種狀態(tài)。上方的表格可以顯示流量曲線和液位曲線。PID控制器已經被設計為串級控制，具體參數設計見下:曲線圖的參數分配液位控制器的參數分配。流量控制器的參數分配泵的參數分配水箱的參數分配?？赡軈捣峙滹@得比較奇怪，實際上由于我們的P909有所損壞，所以使用原壓力控制器代替液位控制器。實際上可以運行，運行正常，可以顯示。第九章 總結本次的過程控制實驗我們主要是以實驗室的水箱液位為研究對象，我們從熟悉系統(tǒng)硬件軟件，到熟悉系統(tǒng)的傳遞函數模型，到最后研究控制算法，使用不同的