1、1 過程控制系統簡介1.1系統組成本實驗裝置由被控對象和上位控制系統兩部分組成。系統動力支路分兩路：一路由三相（380V交流）磁力驅動泵、氣動調節閥、直流電磁閥、PA電磁流量計及手動調節閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅動泵（220V變頻）、渦輪流量計及手動調節閥組成。1、被控對象水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。儲水箱內部有兩個橢圓形塑料過濾網罩，防止兩套動力支路進水時有雜物進入泵中。模擬鍋爐：此鍋爐采用不銹鋼制成，由加熱層（內膽）和冷卻層（夾套）組成。做溫度實驗時，冷卻層的循環水可以使加熱層的熱量快速散發，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測其溫度。 盤管：長

2、37米（43圈），可做溫度純滯后實驗，在盤管上有兩個不同的溫度檢測點，因而有兩個不同的滯后時間。管道：整個系統管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優質球閥，徹底避免了管道系統生銹的可能性。2、檢測裝置壓力傳感器、變送器：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協議的壓力傳感器和工業用的擴散硅壓力變送器，擴散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。溫度傳感器：本裝置采用六個Pt100傳感器，分別用來檢測上水箱出口、鍋爐內膽、鍋爐夾套以及盤管的水溫。六個Pt100傳感器的檢測信號中檢測鍋爐內膽溫度的一路到SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協議

3、的溫度變送器，直接轉化成數字信號；另外五路經過常規溫度變送器，可將溫度信號轉換成4 20mADC電流信號。流量傳感器、轉換器：流量傳感器分別用來對調節閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進行測量。本裝置采用兩套流量傳感器、變送器分別對變頻支路及盤管出口支路的流量進行測量，調節閥支路的流量檢測采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊接口的檢測和變送一體的電磁式流量計。3、執行機構調節閥：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協議的氣動調節閥，用來進行控制回路流量的調節。它具有精度高、體積小、重量輕、推動力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優點。變頻器：本裝置采用SIEMENS帶PR

4、OFIBUS-DP通訊接口模塊的變頻器，其輸入電壓為單相AC220V，輸出為三相AC220V。水泵：本裝置采用磁力驅動泵，型號為16CQ-8P，流量為32升/分，揚程為8米，功率為180W。可移相SCR調壓裝置：采用可控硅移相觸發裝置，輸入控制信號為420mA標準電流信號。輸出電壓用來控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。 電磁閥：在本裝置中作為氣動調節閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為：2W-160-25 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/2，最大壓力為7Kg/2 ；工作溫度：580。4、控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型號為315-2DP，本CPU既具有能進行多點

5、通訊功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通訊功能的DP通訊接口。5、空氣壓縮機1.2電源控制臺電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護，帶有漏電保護空氣開關、電壓型漏電保護器、電流型漏電保護器。儀表綜合控制臺包含了原有的常規控制系統，由于它預留了升級接口，因此它在總線控制系統中的作用就是為上位控制系統提供信號。1.3 總線控制柜總線控制柜有以下幾部分構成：(1) 控制系統供電板：該板的主要作用是把工頻AC220V轉換為DC24V，給主控單元和DP從站供電。(2) 控制站：控制站主要包含CPU、以太網通訊模塊、DP鏈路、分布式I/O DP從站和變頻器DP從站構成。(3) 溫度變送器： PA

6、溫度變送器把PT100的檢測信號轉化為數字量后傳送給DP鏈路。2 串級控制系統簡介2.1 串級控制系統的概述圖2.1是串級控制系統的方框圖。該系統有主、副兩個控制回路，主、副調節器相串聯工作，其中主調節器有自己獨立的給定值R，它的輸出m1作為副調節器的給定值，副調節器的輸出m2控制執行器，以改變主參數C1。圖2.1串級控制系統方框圖2.2 串級控制系統的特點(1) 改善了過程的動態特性；(2) 能及時克服進入副回路的各種二次擾動，提高了系統抗擾動能力；(3) 提高了系統的魯棒性；(4) 具有一定的自適應能力。2.3 主、副調節器控制規律的選擇在串級控制系統中，主、副調節器所起的作用是不同的。主

7、調節器起定值控制作用，它的控制任務是使主參數等于給定值（無余差），故一般宜采用PI或PID調節器。由于副回路是一個隨動系統，它的輸出要求能快速、準確地復現主調節器輸出信號的變化規律，對副參數的動態性能和余差無特殊的要求，因而副調節器可采用P或PI調節器。2.4串級控制系統的整定方法在工程實踐中，串級控制系統常用的整定方法有以下三種：1、逐步逼近法：在主回路斷開的情況下，按照單回路的整定方法求取副調節器的整定參數，把副調節器的參數設置在所求的數值上，然后使主回路閉合，仍按單回路整定方法求取主調節器的整定參數。爾后，將主調節器參數設置在所求得的數值上，再進行整定，求取第二次副調節器的整定參數值，然

8、后再整定主調節器。依此類推，逐步逼近，直至滿足動態品質指標要求為止。2、兩步整定法：兩步整定法就是第一步整定副調節器參數，第二步整定主調節器參數。整定的具體步驟為： (1) 在工況穩定，主回路閉合，主、副調節器都在純比例作用條件下，主調節器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統的衰減（如4：1）曲線法來整定副回路。記下相應的比例度2S和振蕩周期T2S。(2) 將副調節器的比例度置于所求得的2S值上，且把副回路作為主回路中的一個環節，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度1S和振蕩周期T1S。(3) 根據求取的1S、T1S和2S、T2S值，按單回路系統衰減曲線法的整定公式，計算主、副調節器

9、的比例度、積分時間TI和微分時間Td的數值。(4) 按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設置主、副調節器的參數，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當地調整，直到過程的動態品質達到滿意為止。3、一步整定法：一步整定法，就是根據經驗先確定副調節器的參數，然后將副回路作為主回路的一個環節，按單回路反饋控制系統的整定方法整定主調節器的參數。具體的整定步驟為：(1) 在工況穩定，系統為純比例作用的情況下，根據K02/20.5這一關系式，通過副回路的放大系數K02，求取副調節器的比例放大系數2或按經驗選取，并將其設置在副調節器上。(2) 按照單回路控制系統的任一種參數整定方法來整定主調節器的

10、參數。(3) 改變給定值，觀察被控制量的響應曲線。根據主調節器放大系數K1 和副調節器放大系數K2的匹配原理，適當調整調節器的參數，使主參數的動態品質指標最佳。(4) 如果出現較大的振蕩現象，只要加大主調節器的比例度或增大積分時間常數TI，即可得到改善。3上水箱液位與進水流量串級控制系統3.1實驗設備：1. THJ-FCS型高級過程控制系統實驗裝置。2. 計算機及相關軟件。3.2液位-流量串級控制系統的結構框圖主調節器調節器副調節器氣動閥管道上水箱流量變送器液位變送器h（液位）一次干擾二次干擾給定值+-+-Q1圖3.1液位-流量串級控制系統的結構框圖3.3 系統工作原理本系統的主控量為上水箱的

11、液位高度H，副控量為氣動調節閥支路流量Q，它是一個輔助的控制變量。系統由主、副兩個回路所組成。主回路是一個定值控制系統，要求系統的主控制量H等于給定值，因而系統的主調節器應為PI或PID控制。副回路是一個隨動系統，要求副回路的輸出能正確、快速地復現主調節器輸出的變化規律，以達到對主控制量H的控制目的，因而副調節器可采用P控制。但選擇流量作副控參數時，為了保持系統穩定，比例度必須選得較大，這樣比例控制作用偏弱，為此需引入積分作用，即采用PI控制規律。引入積分作用的目的不是消除靜差，而是增強控制作用。顯然，由于副對象管道的時間常數小于主對象上水箱的時間常數，因而當主擾動（二次擾動）作用于副回路時，

12、通過副回路快速的調節作用消除了擾動的影響。3.4 控制系統流程圖控制系統流程圖如圖3.2所示。圖3.2 控制系統流程圖本實驗主要涉及三路信號，其中兩路是現場測量信號上水箱液位和管道流量，另外一路是控制閥門定位器的控制信號。本實驗中的上水箱液位信號是標準的模擬信號，與SIEMENS的模擬量輸入模塊SM331相連，SM331和分布式I/O模塊ET200M直接相連，ET200M掛接到PROFIBUS-DP總線上，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP為PROFIBUS-DP總線上的DP主站），這樣就完成了現場測量信號向控制器CPU315-2 DP的傳送

13、。 本實驗中的流量檢測裝置（電磁流量計）和執行機構（閥門定位器）均為帶PROFIBUS-PA通訊接口的部件，掛接在PROFIBUS-PA總線上，PROFIBUS-PA總線通過LINK和COUPLER組成的DP鏈路與PROFIBUS-DP總線交換數據，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2 DP。由于PROFIBUS-PA總線和PROFIBUS-DP總線中信號傳輸是雙向的，這樣既完成了現場檢測信號向CPU的傳送，又使得控制器CPU315-2 DP發出的控制信號經PROFIBUS-DP總線到達PROFIBUS-PA總線，以控制執行機構閥門定位器。3.5 實驗過程本實驗選擇上水箱和

14、氣動調節閥支路組成串級控制系統（也可采用變頻器支路）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-6全開，將上水箱出水閥門F1-9開至適當開度，其余閥門均關閉。1、接通控制系統電源，打開用作上位監控的的PC機，進入的實驗主界面。2、在實驗主界面中選擇本實驗項即“上水箱液位與進水口流量串級控制實驗”，系統進入正常的測試狀態，呈現的實驗界面如圖3.3所示。圖3.3 實驗界面3、在上位機監控界面中，將副調節器設置為“手動”，并將輸出值設置為一個合適的值。4、合上三相電源空氣開關，磁力驅動泵上電打水，適當增加/減少副調節器的輸出量，使上水箱的液位穩定于設定值。5、整定調節器的參數

15、，并按整定得到的參數對調節器進行設定。6、待上水箱進水流量相對穩定，且其液位穩定于給定值時，將調節器切換到“自動”狀態，待液位平衡后，通過以下幾種方式加干擾：(1) 突增（或突減）設定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化；(2) 將氣動調節閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開至適當開度；(3) 將閥F1-5、F1-13開至適當開度；以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的515，干擾過大可能造成水箱中水溢出。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態，經過一段調節時間后，水箱液位穩定于新的設定值（后面兩種干擾方法仍穩定在原設定值）。通過實驗界面下邊的切換按鈕，觀察計算機記錄的設定值、輸出值

16、和參數，上水箱液位的響應過程曲線將如圖3.4所示。圖3.4 上水箱液位階躍響應曲線7、適量改變調節器的PID參數，重復步驟6，觀察計算機記錄不同參數時系統的響應曲線。3.6 實驗結果分析整定過程分析3.5 主調節器設定(1) 如圖3.5所示，在工況穩定，主回路閉合，主、副調節器都在純比例作用條件下，主調節器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統的衰減（如4：1）曲線法來整定副回路。置副調節時間為最大值，微分時間為0，比例帶為較大值，將系統投入運行。待系統穩定之后，做設定值階躍擾動，觀察響應，若系統衰減太快，則減小比例帶；若過慢，則增大比例帶。如此反復直到系統出現4：1衰減震蕩過程。記下相應

17、的比例度2S和振蕩周期T2S。(2) 將副調節器的比例度置于所求得的2S值上，且把副回路作為主回路中的一個環節，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度1S和振蕩周期T1S。(3) 根據求取的1S、T1S和2S、T2S值，按單回路系統衰減曲線法的整定公式，計算主、副調節器的比例度、積分時間TI和微分時間Td的數值。(4) 按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設置主、副調節器的參數，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當地調整，直到過程的動態品質達到滿意為止。上述過程為根據圖形進行的理論計算，在試實驗中用試湊法進行整定。其方法為設置幾組參數，分別投入運行，觀察系統的響應曲線。原則為先

18、整定副回路再整定主回路，先進行比例積分最后進行微分，比較各個步驟的曲線找出每組最優。將所得的各個參數結合起來，得到最終的整定參數。擾動下的響應分析將設定值改變之后得到如下圖所示的響應曲線圖3.6 響應曲線則系統受到設定值干擾之后，其穩態值變大。同一形式、大小相同的擾動作用在系統中不同的位置所產生的靜差是不一樣的。對擾動產生影響的僅是擾動作用點前的那些環節。例如此控制系統中有一次干擾和二次干擾，則二次干擾就影響前面的調節閥，副調節器燈擾動點前的環節。主、副調節器采用不同調節器時對系統動態性能的影響(1) 副調節器參數不變，主調節器分別采用P調節，PI調節和PID調節系統響應曲線如下圖所示：圖3.

19、7主調節器采用P調節，圖3.8 主調節器采用PI調節圖3.9 主調節器采用PID調節(2)主調節器參數不變，副調節器分別采用P調節，PI調節和PID調節系統響應曲線如圖所示：圖3.10 副調節器采用P調節圖3.11副調節器采用PI調節圖3.12 副調節器采用PID調節分別比較圖3.7和3.8，圖3.10和3.11可知，純比例調節器是一種最簡單的調節器，它對控制作用和擾動作用的響應都很快。這種調節器的主要缺點是系統有靜差存在。引入積分作用之后，利用P調節快速抵消干擾的影響，同時利用I調節消除殘差，但I調節會降低系統的穩定性，最大動態偏差減小，使系統響應更加理想。比較圖3.8和3.9，圖3.11和

20、3.12可知，引入微分作用之后，由于微分的超前作用，能增加系統的穩定度，加快系統的調節過程，減小動態誤差。但微分抗干擾能力較差，且微分過大，易導致調節閥動作向兩端飽和調節變快，調節閥變化速度加快。而且抑制被調量的振蕩，能夠提高控制系統穩定性。綜上所述PID調節器是最為理想的調節器，它具有各類調節器的優點，因而使系統具有更高的控制質量。但具體的系統使用何種調節器根據系統控制要求而定。在此系統中主調節器起定值控制作用，它的控制任務是使主參數等于給定值（無余差），故一般宜采用PI或PID調節器。由于副回路是一個隨動系統，它的輸出要求能快速、準確地復現主調節器輸出信號的變化規律，對副參數的動態性能和余差無特殊的要求，因而副調節器可采用P或PI調節器。主、副調節器采用不同PID參數時對系統動態性能的影響副調節器變化各個曲線如下圖所示：圖3.13 副調節器圖3.14 比例度變化的副調節器圖3.15 積分時間變化的副調節器圖3.與圖3.14比例度發生變化，圖3.14與圖3.15積分時間發生變化，其具體參數變化對控制系