实验报告2

太原科技大学 电子信息工程学院 专业硕士学位研究生综合实验 实验名称：双容水箱液位定值控制系统 专    业：电气工程 姓    名：胥翼鹏 学    号：s20130331 指导教师：邵雪卷 完成时间：2014.6.14 实验名称：双容水箱液位定值控制系统 实验目的： 1．通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。 2．掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。 3．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。 4．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。 5．掌握双容液位定值控制系统采用不同控制的实现过程。 实验仪器设备： 1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS需两台计算机）、万用表一个； 2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根； 3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个； 4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根； 5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线； 6．SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。 实验原理： 本实验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。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，系统的调节器应为PI或PID控制。调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。本实验系统结构图和方框图如图3-13所示。 图3-13 双容液位定值控制系统 (a)结构图 (b)方框图 方案及参数计算： 实验内容一：观察系统在PI控制参数下的动态响应曲线 1、 按要求设定参数，液位给定值SV＝80mm，PI参数为P＝20，I＝60。 2、 设置好系统的给定值后，用手动操作AI智能调节仪的输出，通过电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把输出切换为自动，使系统投入自动运行状态。 其总貌图如下图所示： 图3－2 双容液位定值控制系统总貌图 上图曲线中所示，恒定不变的曲线线为下水箱液位的设定值，上面一条曲线为下水箱液位的的测量值，下面一条曲线为中水箱液位的测量值。 3、 观察系统在设定的控制参数下的动态响应曲线 最大测量值为PVmax=119.35mm，由此可得出其最大超调量δ＝(119.35－80)/80*100％，δ=50％ 。 又由实时数据知：t1＝09:59:15，t2＝10:04:43 则其上升时间t＝t2－t1=328s 。 由以上可知，该双容控制系统的动态响应不如单容液位定值控制系统的动态响应，并且，在双容定值控制系统中，系统的响应还有一定的滞后，其滞后时间为T=94s 。 实验内容二：研究系统在扰动作用下的动态响应过程 1、 当系统稳定在给定值后，给系统加一阶跃干扰，使SV＝90mm，观察其动态响应过程。 与单容系统一样该控制系统具有良好的抗干扰的能力。当干扰出现后，系统能在调节阀的工作下很快的进行调整，并在短时间内达到新的稳定状态。 2、 当系统再次稳定后，开启变频器—磁力泵，打开阀F2－5，利用这一支路打水进入下水箱形成干扰。变频器的频率固定在18.7Hz。 3、 关闭阀F2－5，打开阀F2－4，使扰动作用在中水箱。变频器的频率仍固定在18.7Hz。 实验内容及操作步骤： 本实验选择中水箱和下水箱串联作为双容对象（也可选择上水箱和中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。 1．将“SA-22远程数据采集模拟量输出模块”、“SA-23远程数据采集模拟量输入模块”挂件挂到屏上，并将挂件上的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。 图3-9 远程数据采集控制单容液位定值控制实验接线图 2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给智能采集模块及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给电动调节阀上电。 3．打开上位机MCGS组态环境，打开“远程数据采集系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制”，进入实验三的监控界面。 4．在上位机监控界面中点击“启动仪表”。将智能仪表设置为“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。 5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使中水箱的液位平衡于设定值。 6．按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。 7．待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰： （1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面三种仅供参考） （2）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度； （3）将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；（改变负载） （4）接上变频器电源，并将变频器输出接至磁力泵，然后打开阀门F2-1、F2-4，用变频器支路以较小频率给中水箱打水。 以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-8所示。 图3-8 单容水箱液位的阶跃响应曲线 8．分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。 9．分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4～8，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。 实验数据及结果： 图3－3 双容液位定值控制系统动态响应曲线 图3－5 阶跃扰动下系统的响应曲线 图3－6 变频扰动作用在下水箱时的曲线 图3－7变频扰动作用在中水箱时的曲线 结果： 本实验中被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，故称其为双容对象。根据前一实验单容水箱液位定值控制的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述： G(s)=G1(s)G2(s)= (3－1) 式中K＝k1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。 本实验中被测量为下水箱的液位，当中水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图3－4所示。由图3－4可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图3－4 (a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图3－4 (b)），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1－10和F1－11的开度大小密切相关。一般情况下，要求阀F1－10的开度要大于阀F1－11的开度，这样才能保证在系统稳态时有流量平衡关系：Q1=Q2。 图3－4 双容水箱液位的阶跃响应曲线 (a)中水箱液位 (b)下水箱液位 当利用变频器－磁力泵支路打水形成干扰时，将水打入中水箱时比打入下水箱时对系统的影响要小，也就是说，系统克服进入中水箱的干扰的能力要比克服进入下水箱的干扰的能力要强。这是因为，扰动进入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。可以在图3－1和下图中看到，进入中水箱的干扰f2显然要比进入下水箱的干扰f1要更远离被控参数。 图3－8 扰动作用于不同位置的控制系统 实验心得： 经过这一周对典型控制系统的投运、关闭操作的仿真模拟，我们初步认识了过程控制系统在实际生产中的工作过程和重要作用。通过学习我们了解，每一个过程控制系统都是实际生产过程中的指挥官，而我们作为操作人员，更加应该对自己的每一次操作负责，要知道任何一次操作的失误，轻则影响产品生产的效率，重则会发生严重的安全事故。通过四天的练习，我们的分析能力，决策能力和应变能力都得到了较大的提高，同时我们更加明白了做事情必须一丝不苟，任何一个小小的差错都可能引起严重的后果。最后，感谢两位指导老师在这两周时间中对我们的耐心指导和帮助。 实验成绩：