1、电气自动化技术实训10 单容液位定值控制系统实训 单容液位定值控制系统一、实验目的1了解单容液位定值控制系统的结构与组成。2掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。3研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。4了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。5掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验设备1实验对象及控制屏、SA-01 挂件一个、SA-02 挂件一个、SA-11挂件一个、计算机一台、万用表一个；2SA-12 挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；3SA-22 挂件一个、SA-23 挂件一个；4SA-44 挂件一个、PC/PP
2、I 通讯电缆一根。三、实验原理一单回路控制系统的概述单回路控制系统是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统，如图17所示。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。图17 单回路控制系统方框图二干扰对系统性能的影响1干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。干扰通道的放大系数Kf 会影响干扰加在系统中的幅值。假设系统是有差系统，那么干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf，那么阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅
3、值变小。即时间常数Tf越大，那么系统的动态偏差就愈小。通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个值，但不会影响系统的调节质量。2干扰进入系统中的不同位置。复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如图18所示。同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。图18 扰动作用于不同位置的控制系统三控制规律的选择PID 控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。1比例P调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有
4、一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。其传递函数为：式中KP为比例系数，为比例带。2比例积分PI调节PI 调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I 调节消除残差，但I 调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。其传递函数为：式中TI为积分时间。3比例微分PD调节这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。因此一般不用于流量和液位控制系统。PD 调节器的传递函数为：式中TD为微分时间。4比例积分微分PID调节器PID 是常规
5、调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。它的传递函数为图19表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。图19 各种控制规律对应的响应过程四调节器参数的整定方法调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有以下四种：1经验法假设将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，那么属于同一类别的系统，其对象往往比拟接
6、近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。表4为经验法整定参数的参考数据，在此根底上，对调节器的参数作进一步修正。假设需加微分作用，微分时间常数按计算。2临界比例度法这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图20所示。根据临界比例度k和振荡周期TS，按表5所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4：1衰减为目标。表4 经验法整定参数临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞
7、后的一阶以上环节，否那么在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。图20 具有周期TS的等幅振荡表5 临界比例度法整定调节器参数3衰减曲线法阻尼振荡法在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图21所示的4：1衰减过程为止。这时的比例度称为4：1衰减比例度，用S表示之。相邻两波峰间的距离称为4：1衰减周期TS。根据S和TS，运用表6所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。图21 4：1 衰减曲线法图形表6 衰减曲线法计算公式本实验系统结构图和方框图如图22所示。
8、被控量为中水箱也可采用上水箱或下水箱的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反应信号，在与给定量比拟后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以到达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，系统的调节器应为PI 或PID控制。图22 中水箱单容液位定值控制系统(a)结构图 (b)方框图四、实验内容与步骤本实验选择中水箱作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。1将“SA-12 智能调节仪控制挂件挂到屏上，并将挂件
9、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，并按照图23连接实验系统。将“LT2 中水箱液位钮子开关拨到“ON的位置。2接通总电源空气开关和钥匙开关，翻开24V 开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相、单相空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。3整定并校调压力变送器。同时设置调节仪参数：Sn=33，Ctrl=1，CF=0反作用调节，DIL=0，DIH=50.0，ADDR=1。4翻开上位机MCGS组态环境，翻开“智能仪表控制系统工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制系统，进入
10、实验三的监控界面。5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适宜的值，此操作可通过调节仪表实现。6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。7按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。8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：图23 智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图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
11、-4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，然后翻开阀门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515，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。参加干扰后，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，记录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24所示。9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。图24 单容水箱液位的阶跃响应曲线10分别用P、PD、PID 三种控制规律重复步骤48，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。五、实验报告要求1画出单容水箱液位定值控制实验的结构框图。2用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。3根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4比拟不同PID参数对系统的性能产生的影响。5分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。6综合分析五种控制方案的实验效果。六、思考题1如果采用下水箱做实验，其响应曲线与中水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。2改变比例度和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？
