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1、For personal use only in study and research; not for commercial use1 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
2、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、
3、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、执行机构调节阀:采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀,用来进
4、行控制回路流量的调节。它具有精度高、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,最大压力为7
5、Kg/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DC24V,给主控单元和DP从站供
6、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 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)
7、 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参数,把副调节器的参数设置在所求的数值上,然后使主
8、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
9、,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K02/20.5这一关系式,通过副回路的放大
10、系数K02,求取副调节器的比例放大系数2或按经验选取,并将其设置在副调节器上。(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K1 和副调节器放大系数K2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。3 上水箱液位与进水流量串级控制系统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 液位-流量串级控制系统的结构框图 主调节器调节器副调节器气动阀管道上水箱
11、流量变送器液位变送器h(液位)一次干扰二次干扰给定值+-+-Q1图3.1液位-流量串级控制系统的结构框图3.3 系统工作原理本系统的主控量为上水箱的液位高度H,副控量为气动调节阀支路流量Q,它是一个辅助的控制变量。系统由主、副两个回路所组成。主回路是一个定值控制系统,要求系统的主控制量H等于给定值,因而系统的主调节器应为PI或PID控制。副回路是一个随动系统,要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律,以达到对主控制量H的控制目的,因而副调节器可采用P控制。但选择流量作副控参数时,为了保持系统稳定,比例度必须选得较大,这样比例控制作用偏弱,为此需引入积分作用,即采用PI控制规律。
12、引入积分作用的目的不是消除静差,而是增强控制作用。显然,由于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常数,因而当主扰动(二次扰动)作用于副回路时,通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。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液位和管道流量,另外一路是控制阀门定位器的控制信号。本实验中的上水箱液位信号是标准的模拟信号,与SIEMENS的模拟量输入模块SM331相连,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C
13、PU315-2 DP(CPU315-2 DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站),这样就完成了现场测量信号向控制器CPU315-2 DP的传送。 本实验中的流量检测装置(电磁流量计)和执行机构(阀门定位器)均为带PROFIBUS-PA通讯接口的部件,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。由于PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP总线中信号传输是双向的,这样既完成了现场检测信号向CPU的传送,又使得控制器CPU3
14、15-2 DP发出的控制信号经PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线,以控制执行机构阀门定位器。3.5 实验过程本实验选择上水箱和气动调节阀支路组成串级控制系统(也可采用变频器支路)。实验之前先将储水箱中贮足水量,然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开,将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度,其余阀门均关闭。1、接通控制系统电源,打开用作上位监控的的PC机,进入的实验主界面。2、在实验主界面中选择本实验项即“上水箱液位与进水口流量串级控制实验”,系统进入正常的测试状态,呈现的实验界面如图3.3所示。图3.3 实验界面3、在上位机监控界面中,将副调节器设置为“手动”,并将输出值设置为一个合适的值。4、合上三相电源空气开关,磁力驱动泵上电打水,适当增加/减少副调节器的输出量,使上水箱的液位稳定于设定值。5、整定调节器的参数,并按整定得到的参数对调节器进行设定。6、待上水箱进水流量相对稳定,且其液位稳定于给定值时,将调节器切换到“自动”状态,待液位平衡后,通过以下几种方式加干扰:(1) 突增(或突减)设定值的大小,使其有一个正(或负)阶跃增量的变化;(2) 将气动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4(同电磁阀)开至适当开度;(