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采用机理法对该单容水箱对象建立数学模型为:
根据动态物料平衡关系得到:
根据流出负载阀的压力关系得到:
整理后,得到
对上式进行拉普拉斯变换得到进水量与液位之间的传递函数(即单容水箱对象的数学模型)为:
其中,
,
。
对于实际单容水箱液位系统,可以认为它是一阶惯性环节加纯延迟的系统
由于纯延迟相对系统时间比较少,在此可以不考虑纯延迟环节。
因此,实际单容水箱液位系统可看作一阶系统,传递函数为:
因此,单容水箱液位系统的一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数。
采用实验测试法建立单容水箱液位系统的数学模型时,由实验得到该系统的响应曲线后,由响应曲线求得K和T后,就能求出单容水箱的传递函数。
三、设计指标
采用A3000高级过程控制装置通过连线组成单容水箱液位系统,并建立该单容水箱对象的数学模型。
四、实验要求(设计要求)
1.根据设计要求,设计单容水箱液位系统的硬件组成图,并在A3000高级过程控制装置上连接该系统。
单容水箱液位系统的流程图可参考图2,
图2单容水箱液位系统的流程图
2.设计单容水箱液位系统的响应曲线法,通过组态软件记录响应曲线。
3.采用记录的响应曲线,求出该单容水箱的数学模型。
五、实验(设计)仪器设备和材料清单
A3000高级过程控制系统设备一台、电脑一台、以太网线一根、导线若干。
六、调试及结果测试
①选择2#管路,以下水箱液位(LT103)为被控对象建立单容水箱液位系统,参考接线图如图3所示。
图3参考接线图
②打开控制机柜三相总电源和水泵。
③启动组态软件,选择“单容水箱液位数学模型的建立”。
④并设定FV101控制阀开度为30%,等待系统稳定。
下水箱液位(LT103)稳定后记录下水箱(LT103)液位值、FT102流量值。
(注意:
抓图判定时间以及变动时间。
)
⑤再次修改FV101控制阀开度为80%,记录下水箱(LT103)液位随时间变化的数据。
⑥采用实验建立出的单容水箱的数学模型,将其输入设置为50%阶跃信号,计算该数学模型的阶跃响应曲线。
⑦对比步骤⑤和步骤⑥的两条曲线是否一致,若一致,说明该数学模型准确,若两条曲线相差很大,说明该数学模型不准确,完成后拆除电路。
注意:
该调试过程只是以2#管路中下水箱液位(LT103)为被控对象建立的单容水箱液位系统为例,可以选择其他水箱作为被控对象的单容水箱液位系统。
七、考核形式
实验成绩总分以100分计,其中实验设计(方案制订)占20%,实验准备占10%,实验操作占20%,实验结果(数据或图表、程序等)占30%,实验报告占10%、考勤及其它占10%。
八、实验报告要求
1.报告要求提交所设计单容水箱液位系统的硬件组成图,在A3000高级过程控制装置上的接线图,通过组态软件记录响应曲线,单容水箱数学模型的计算步骤。
2.分析设计结果,以及设计过程中出现的问题以及解决方法。
九、实验注意事项
实验过程中,所选择的水箱挡板开度应该保持不变。
PID控制规律实验
综合性■设计性□
4学时
1、实验目的
1.掌握过程控制系统中PID控制规律的特点,PID参数的整定方法。
2.掌握过程控制系统的硬件组成及接线方法。
3.了解常用传感检测装置的工作原理、性能参数。
4.了解组态软件的操作方法。
5.了解PID控制原理。
6.了解PLC的使用方法。
2、实验内容
1、实验设备:
A3000对象系统
(1)水泵P102
(2)电动控制阀:
工作电源24VAC,控制信号2-10VDC
(3)液位传感器:
量程为0-100%,输出信号4-20mA。
2、系统组成
PID控制流程图如图4所示
图4单容下水箱液位控制阀PID单回路控制
水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头,经由控制阀FV101进入水箱V103,通过挡板QV116回流至水箱V104而形成水循环;
其中,水箱V103的液位由LT103测得,用控制手挡板QV116的开启程度来模拟负载的大小。
本例为定值自动控制系统,FV101为操纵变量,LT103为被控变量,分别采用P、PI、PD、PID控制来完成。
需要全打开的手阀:
QV102、QV105;
需要全关闭的手阀:
QV103、QV104、QV107、QV109;
挡板开度:
QV1160.5cm。
3、实验仪器、设备及器材
4、实验要求
1.绘制单容下水箱液位控制阀PID单回路控制系统的流程图、方框图。
2.安装及连接硬件设备,完成单容下水箱液位控制阀PID单回路控制系统的实验数据采集及测试。
3.绘制不同PID取值参数时,采集到的液位趋势曲线。
4.计算PID整定参数值。
5、实验步骤及结果测试
1、编写控制器算法程序,下装调试;
编写测试组态工程,连接控制器,进行联合调试(此步骤可以省略)。
2、在现场对象上,选择2#管路,打开手阀:
关闭手阀:
3、在控制柜上,将IO面板的下水箱液位输出连接到AI0,IO面板的电动控制阀控制输入端连到AO0。
(连线时注意正接正,负接负),参考插接线图如图5所示:
图5参考插接线图
4、在盘柜内合上三相,单相总电源;
打开设备电源。
这时电动控制阀启动。
盘柜内水泵2#选择开关打到“自动”位置。
5、启动计算机组态软件运行系统,进入实验选择画面,选择“PID控制规律实验”。
比例(P)控制实验
6、点击“比例(P)控制实验”按钮;
点击“启动”按钮,启动右边水泵P102;
设置比例参数。
观察计算机显示屏上的曲线,待被调参数基本稳定于给定值后,可以开始加干扰测试。
7、待系统稳定后,对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动,一般可通过改变设定值实现)。
记录曲线在经过几次波动稳定下来后,通过组态软件记录响应曲线,系统有稳态误差,并记录余差大小。
8、减小P重复步骤6-7,观察并记录过渡过程曲线,并记录余差大小。
9、增大P重复步骤6-7,观察并记录过渡过程曲线,并记录余差大小。
10、选择合适的P重复步骤6-7,直至得到较满意的过渡过程曲线,记录此过渡过程曲线。
每当做完一次实验后,必须待系统稳定后再做另一次实验。
11﹑点击“停止”按钮,停止右边水泵P102;
待液位值降到零点后,点击“返回”按钮,重新回到“PID控制规律实验”界面。
比例积分(PI)控制实验
12、点击“比例积分(PI)控制实验”按钮,点击“启动”按钮,启动右边水泵P102;
在比例控制测试的基础上,加入积分作用(即在界面上设置I参数不是特别大的数)。
固定比例P值(设置为步骤10中的P值),改变PI控制器的积分时间Ti,然后观察加阶跃扰动(改变设定值实现)后被调量的输出波形,并记录不同Ti值时的过渡过程曲线,直到得到满意的过渡过程曲线,并记录此曲线。
13﹑点击“停止”按钮,停止右边水泵P102;
比例微分(PD)控制实验
14、点击“比例微分(PD)控制实验”按钮;
在比例控制测试的基础上,加入微分作用,即在界面上设置微分时间D参数不是特别大的数(一般0-10范围)。
固定比例P值(设置为步骤10中的P值),改变PD控制器的微分时间Td,然后观察加阶跃扰动(改变设定值实现)后被调量的输出波形,并记录不同Td值时的过渡过程曲线,直到得到满意的过渡过程曲线,并记录此曲线。
15﹑点击“停止”按钮,停止右边水泵P102;
比例积分微分(PID)控制实验
16、点击“比例积分微分(PID)控制实验”按钮;
置控制器积分时间Ti为最大值(Ti=∞),微分时间Td为零(Td=0),比例带δ置较大值,并将系统投入运行。
17、把比例度δ从大逐渐调小,直到系统出现如图6所示的4:
1衰减振荡过程。
记录此时的振荡过程曲线,并记录此时的比例带δs和振荡周期Ts数值。
图6衰减振荡过程曲线
18、利用δs和Ts值,按下表给出的经验公式,计算控制器整定参数δ、Ti和Td数值。
19、按照步骤18中的计算结果设置比例带、积分时间和微分时间,观察加阶跃扰动(改变设定值实现)后被调量的输出波形,并记录此曲线。
6、考核形式
实验成绩总分以100分计,其中实验准备占10%,实验操作占40%,实验结果(数据或图表等)占30%,实验报告占10%、考勤及其它占10%。
7、实验报告要求
1.实验报告要求提交单容下水箱液位控制阀PID单回路控制系统的流程图、方框图。
2.绘制不同PID取值参数时,采集到的液位趋势曲线。
3.计算PID整定参数值。
4.撰写单容下水箱液位控制阀PID单回路控制系统中液位与PID控制规律各参数变化之间的关系。
8、思考题
PID参数整定可否采用其他方法实现,如果可以请实验其他方法得到的整定结果?
液位和进口流量串级控制实验
1.掌握过程控制系统中串级控制系统与简单控制系统的区别。
2.掌握过程控制系统中串级控制系统的主副控制器参数整定方法。
3.掌握串级控制系统的硬件组成及接线方法。
4.了解常用传感检测装置的工作原理、性能参数。
5.了解组态软件的操作方法。
(1)泵
(3)液位变送器:
(4)涡轮流量计:
量程为0-3m3/h,输出信号4-20mA。
串级控制流程图如图7所示
图7串级控制流程图
3、测点清单
测点清单如表1所示:
表1串级控制测点清单
序号
位号或代号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
FV101
电动控制阀
阀位控制
2~10VDC
AO
0~100%
2
FT101
涡轮流量计
管道流量
4~20mA
AI
3
LT103
液位传感器
下水箱液位
水介质由泵P101(有变频器驱动)从水箱V104中加压获得压头,经涡轮流量变送器、QV103手阀,控制阀FV101后进入水箱V103,通过挡板QV116回流至水箱V104而形成水循环;
其中,电动控制阀开度的大小影响管路液体流量的大小,进而影响液位。
本例为串级控制系统,控制阀FV101为操纵变量,以FT101为被控变量的流量控制系统作为副控制回路,其设定值来自主控制回路―以LT103为被控变量的液位控制系统。
QV101、QV103,QV105;
QV102、QV104、QV107、QV109;
挡板:
QV116打开0.5cm。
1.绘制液位和进口流量串级控制系统的流程图、方框图。
2.安装及连接硬件设备,完成液位和进口流量串级控制系统和以V103为被控对象的单容液位控制系统的实验数据采集及测试。
3.计算液位和进口流量串级控制系统的主副控制器的整定参数值。
4.绘制液位和进口流量串级控制系统和以V103为被控对象的单容液位控制系统中采集到的液位趋势曲线。
编写测试组态工程,连接控制器,进行联合调试。
2、在现场对象上,选择管路,打开或关闭相应手阀。
3、在控制柜上,将IO面板的“下水箱液位”连接到AI0,“支路1流量”(管路流量FT101)连接到AI1,IO面板的电动控制阀控制输入端连到AO0。
(连线时注意正接正,负接负),参考插接线图如下:
具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。
对于全连好线的系统,例如DCS,则必须安装已经接线的通道来编程。
4、在盘柜内合上三相,单相总电源,打开设备电源。
“变频器电源”选择开关打到“开”位置。
5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆,启动控制系统。
6、启动计算机,启动组态软件,进入实验项目界面,选择“液位和进口流量串级控制实验”。
“变频器启动”选择开关,打到“开”位置,启动水泵P101,启动控制器,设置各项参数,将控制器切换到自动控制。
7、采用一步整定法整定串级控制系统主副控制器的参数值。
首先,将副控制器(流量控制器)设置为纯比例(P)控制,并根据下表设置比例增益的取值。
副被控变量
比例增益
比例度(%)
温度
5-1.7
20-60
压力
3-1.4
30-70
流量
2.5-1.25
40-80
液位
5-1.25
20-80
然后,根据单回路控制系统控制器参数整定方法整定主回路控制器(液位控制器)参数值(主控制器采用PI控制规律)。
把比例度δ从大逐渐调小,直到系统出现如图8所示的4:
图8衰减振荡过程曲线
8、利用δs和Ts值,按下表给出的经验公式,计算主控制器整定参数δ和Ti数值。
9、按照步骤8中的计算结果设置比例带、积分时间,观察加阶跃扰动(改变设定值实现)后被调量的输出波形,并记录此曲线。
1.实验报告要求提交液位和进口流量串级控制系统的流程图、方框图。
2.计算液位和进口流量串级控制系统的主副控制器的整定参数值。
3.绘制液位和进口流量串级控制系统和以V103为被控对象的单容液位控制系统中采集到的液位趋势曲线。
与简单控制系统相比较,串级控制系统有什么优点?
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