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1、沈阳理工大学课程设计论文1 过程控制系统简介1.1系统组成本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（ 380V 交流）磁力驱动泵、气动调节阀、直流电磁阀、PA 电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V 变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。1、被控对象水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有
2、温度传感器检测其温度。盘管：长 37 米（ 43 圈），可做温度纯滞后实验， 在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。2、检测装置压力传感器、变送器：采用 SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。温度传感器：本装置采用六个 Pt100 传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。六个 Pt100 传感器的检测信号中检测锅炉内胆温
3、度的一路到 SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成4 20mADC 电流信号。流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。3、执行机构1沈阳理工大学课程设计论文调节阀：采用SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度
4、高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。变频器：本装置采用SIEMENS 带 PROFIBUS-DP 通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相 AC220V ，输出为三相 AC220V 。水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为 32 升/分，扬程为 8 米，功率为 180W。可移相 SCR 调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA 标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。 电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力： 最小压力为 0Kg/ 2，最大压力
5、为 7Kg/ 2 ；工作温度： 580。4、控制器控制器采用 SIEMENS 公司的 S7300 CPU，型号为 315-2DP，本 CPU 既具有能进行多点通讯功能的MPI 接口，又具有 PROFIBUS-DP 通讯功能的 DP 通讯接口。5、空气压缩机1.2电源控制台电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。1.3总线控制柜总线控制柜有以下几部分构成：(1) 控制系统供电板： 该板的主要作用是把工频 AC220V 转换为
6、 DC24V ，给主控单元和DP 从站供电。(2) 控制站：控制站主要包含 CPU、以太网通讯模块、 DP 链路、分布式 I/O DP 从站和变频器 DP 从站构成。(3) 温度变送器： PA 温度变送器把 PT100 的检测信号转化为数字量后传送给 DP 链路。2沈阳理工大学课程设计论文2 串级控制系统简介2.1串级控制系统的概述图 2.1 是串级控制系统的方框图。该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值 R，它的输出 m1 作为副调节器的给定值，副调节器的输出 m2 控制执行器，以改变主参数 C1。图 2.1串级控制系统方框图2.2串级控制系统的特
7、点(1) 改善了过程的动态特性；(2) 能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力；(3) 提高了系统的鲁棒性；(4) 具有一定的自适应能力。2.3主、副调节器控制规律的选择在串级控制系统中， 主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用 PI 或 PID 调节器。由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P 或 PI 调节器。2.4串级控制系统的整定方法在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：1、逐步逼
8、近法：在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定3沈阳理工大学课程设计论文参数，把副调节器的参数设置在所求的数值上，然后使主回路闭合，仍按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。尔后，将主调节器参数设置在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至满足动态品质指标要求为止。2、两步整定法：两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。整定的具体步骤为：(1) 在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于 100%，然后用单回路控制系统的衰减（如 4：1）曲线法来整定副回
9、路。记下相应的比例度2S 和振荡周期 T2S。(2) 将副调节器的比例度置于所求得的 2S 值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度 1S 和振荡周期 T1S。(3) 根据求取的 1S、T1S 和 2S、T2S 值，按单回路系统衰减曲线法的整定公式，计算主、副调节器的比例度 、积分时间 TI 和微分时间 Td 的数值。(4) 按“先副后主 ”，“先比例后积分最后微分 ”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当地调整，直到过程的动态品质达到满意为止。3、一步整定法：一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为
10、主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为：(1) 在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据0.5 这一关系式，通过副回K 02/ 2路的放大系数 K，求取副调节器的比例放大系数 或按经验选取，并将其设置在副调022节器上。(2) 按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。(3) 改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K 1 和副调节器放大系数 K 2 的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数的动态品质指标最佳。(4) 如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度 或增大积分时间常数 TI，即可得到改善。4沈
11、阳理工大学课程设计论文3 水箱液位串级控制3.1实验设备：1. THJ-FCS 型高级过程控制系统实验装置。2. 计算机及相关软件。3.2 水箱液位串级控制系统的结构框图一次干扰二次干扰给定值h1h（液位）主调节器副调节器气动阀管道上水箱+-流量变送器液位变送器图 3.1 液位 - 流量串级控制系统的结构框图3.3系统工作原理本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为中水箱，中水箱的液位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副调节器， 控制对象为上水箱， 又称副对象，上水箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定，因而
12、副控回路是一个随动控制系统。副调节器的的输出直接驱动气动调节阀，从而达到控制中水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI 或 PID 控制。由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P 调节器。5沈阳理工大学课程设计论文3.4控制系统流程图控制系统流程图如图3.2 所示。图 3.2控制系统流程图本实验主要涉及三路信号，其中两路是现场测量信号上水箱和中水箱液位，另外一路是控制阀门定位器的控制信号。上水箱和中水箱液位检测信号LT1 和 LT2 为标准的模拟信号，直接传送
13、到 SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331 和分布式 I/O 模块 ET200M 直接相连， ET200M 挂接到 PROFIBUS-DP 总线上，PROFIBUS-DP 总线上挂接有控制器 CPU315-2 DP（ CPU315-2DP 为 PROFIBUS-DP 总线上的 DP 主站），这样就完成了现场测量信号到CPU 的传送。本实验的执行机构为带 PROFIBUS-PA 通讯接口的阀门定位器，挂接在 PROFIBUS-PA 总线上， PROFIBUS-PA 总线通过 LINK 和 COUPLER 组成的 DP 链路与 PROFIBUS-DP 总线交换数据， PROFIBUS-DP 总线上挂接有控制器 CPU315-2 DP，这样控制器 CPU315-2 DP 发出的控制信号就经由 PROFIBUS-
