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1进行单容液位控制系统设计,画出系统的结构图。
2进行单容液位定值控制系统调节器参数的整定。
3基于WinCC的监控界面设计.
4系统投运,进行P、PI和PID三种调节器参数整定。
5比较三种调节器的控制效果。
2.3设计方案
整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。
在本次控制系统中控制器为计算机,采用算法为PID控制规律,调节器为电磁阀,测量变送为HB、FT两个组成,被控对象为流量PV。
结构组成见下图2-1所示。
图2-1流量单回路控制系统框图
当系统启动后,水泵开始抽水,通过管道分别将水送到上水箱和下水箱,由HB返回信号,是否还需要放水到下水箱。
若还需要(即水位过低),则通过电磁阀控制流量的大小,加大流量,从而使下水箱水位达到合适位置;
若不需要(即水位过高或刚好合适),则通过电磁阀使流量保持或减小。
其整个流程图如图2-2所示。
图2-2流量单回路控制系统流程图
被控量为下水箱的液位高度,实验要求它的液位稳定在给定值。
将压力传感器LT1检测到的下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气动调节阀的开度,以达到控水箱液位的目的。
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。
本控制系统的流程图如图2-3所示。
图2-3控制系统的流程图
下水箱液位检测信号LT1为标准的模拟信号,直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331,SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连,ET200M挂接PROFIBUS-DP总线上,PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP(CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站),这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。
本实验的执行机构为带PROFIBUS-PA通讯接口的阀门定位器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CPU315-2DP,这样控制器CPU315-2DP发出的控制信号就经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。
3下水箱液位系统的组成
3.1单回路控制系统
单回路过程控制系统亦称单回路调节系统简称单回路系统,一般指针对一个被控过程,采用一个测量变送器监测被控过程,采用一个控制器来保持一个被控参数恒定,其输出也只控制一个执行机构。
从系统的框图3-1看,只是一个闭环回路。
图3-1单回路控制系统方框图
图中,、、和分别表示被控对象、检测变送仪表、执行器和控制器的传递函数。
系统工作时,被控过程的输出信号(被控变量)通过检测变送仪表后将其变换为测量值,并将测量值反馈到控制器的输入端;
控制器根据系统被控变量的设定值与测量值的偏差,按照一定的控制算法输出控制量;
执行器根据控制器送来的控制信号,通过改变操作变量的大小,对被控对象进行调节,克服扰动对系统的影响,从而使被控变量趋于设定值,达到预期的控制目标。
单回路系统结构简单,投资少,易于调整和投运,又能满足不少工业生产过程的控制要求,因此应用十分广泛,尤其适用于被控过程的纯滞后和小惯性、负荷和扰动变化比较平缓,或者对被控制量要求不高的场合,约占目前工业控制系统80%以上。
单回路过程控制系统虽然简单,但它的分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。
3.1.1控制器
控制器只接受一个测量信号,其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度,即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。
所以本设计控制器采用SIEMENS公司的S7300
CPU,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,并通过WINCC组态软件完成对下水箱液位的控制。
3.1.2执行器
本设计采用智能直行程电动调节阀,对控制回路的流量进行调节。
电动调节阀型号为:
QSTP-16K。
具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点,电源为单相220V,控制信号为4~20mADC或1~5VDC,输出为4~20mADC的阀位信号,使用和校正非常方便。
采用磁力驱动泵,型号为16CQ-8P,流量为30升/分,扬程为8米,功率为180W。
泵体完全采用不锈钢材料,以防止生锈,使用寿命长。
在本设计中还选用电磁阀作为电动调节阀的旁路,起到阶跃干扰的作用。
电磁阀工作压力:
最小压力为0Kg/,最大压力为1Mp/;
工作温度:
-5~80℃;
工作电压:
220VAC。
3.1.3被控对象
本设计被控对象选择下水箱,下水箱尺寸为:
D=35cm,H=20cm。
水箱结构独特,由三个槽组成,分别为缓冲槽、工作槽和出水槽,进水时水管的水先流入缓冲槽,出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽,这样经过缓冲和线性化的处理,工作槽的液位较为稳定,便于观察。
水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器,可对水箱的压力和液位进行检测和变送。
3.1.4检测装置
本设计采用压力传感器对下水箱的液位进行检测,其量程为0~5KP,精度为0.5级。
采用工业用的扩散硅压力变送器,带不锈钢隔离膜片,同时采用信号隔离技术,对传感器温度漂移跟随补偿。
采用涡轮流量计对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。
其优点是测量精度高,反应快。
流量范围:
0~1.2m3/h;
精度:
1.0%;
输出:
4~20mADC。
3.2下位机部分
1、PLC的简介
可编程控制器(简称PLC)是专为在工业环境下应用的一种数字运算操作的电子系统。
目前国内外PLC品种繁多,生产PLC的厂商也很多,其中德国西门子公司在S5系列PLC的基础上推出了S7系列PLC,性能价格比越来越高。
S7系列PLC有很强的模拟量处理能力和数字运算功能,具有许多过去大型PLC才有的功能,其扫描速度甚至超过了许多大型的PLC,S7系列PLC功能强、速度快、扩展灵活,并具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构,因而在国内工控现场得到了广泛的应用。
根据学校要求,在本装置中采用了S7-300PLC控制系统。
2、Step7编程软件的简介
本装置中S7-300PLC,采用的是Step7编程软件,利用这个软件可以对PLC进行编程、调试、下装、诊断。
STEP7是用于SIMATICS7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件,可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。
它是SIEMENSSIMATIC工业软件的组成部分。
STEP7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统,总体说来,它有如下功能特性:
1、可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展
2、为功能摸板和通讯处理器赋参数值
3、强制和多处理器模式
4、全局数据通讯
5、使用通讯功能块的事件驱动数据传送
6、组态连接
3.3上位机部分
1、WINCC概述
WINCC指的是WindowsControlCenter,它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统,它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。
高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。
WINCC是基于WindowsNT32位操作系统的,在WindowsNT或Windows2000标准环境中,WINCC具有控制自动化过程的强大功能,它是基于个人计算机,同时具有极高性价比的操作监视系统。
WINCC的显著特性就是全面开放,它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面,精确的满足控制系统的要求。
不仅如此,WINCC还建立了像DDE、OLE等在Windonws程序间交换数据的标准接口,因此能毫无困难的集成ActiveX控制和OPC服务器、客户端功能。
WINCC软件是基于多语言设计的,这意味着可以在中文、德语、英语等众多语言之间进行选择。
2、WINCC组态界面
2-4-1wincc组态好的界面
4系统调试部分
4.1系统建模
本实验研究的被控对象只有一个,那就是下水箱如图4-1。
要对该对象进行较好的计算机控制,有必要建立被控对象的数学模型。
单容水箱是一个自衡系统。
根据它的这一特性,我们可以用阶跃响应测试法进行建模。
如图4-1,设水箱的进水量为Q1,出水量为Q2,水箱的液面高度为h,出水阀V2固定于某一开度值。
若Q1作为被控对象的输入变量,h为其输出变量,则该被控对象的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有
(4-1)
将式(4-1)表示为增量形式
(4-2)
式中,、、——分别为偏离某一平衡状态、、的增量;
C——水箱底面积。
在静态时,=;
=0;
当发生变化时,液位h随之变化,阀处的静压也随之变化,也必然发生变化。
由流体力学可知,流体在紊流情况下,液位h与流量之间为非线性关系。
但为简化起见,经线性化处理,则可近似认为与成正比,而与阀的阻力成反比,即
或(4-3)
式中,为阀的阻力,称为液阻。
将式(4-3)代入式(4-2)可得
(4-4)
在零初始条件下,对上式求拉氏变换,得:
(4-5)
式中,T=R2C为水箱的时间常数(注意:
阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数),K=R2为过程的放大倍数。
令输入流量=,为常量,则输出液位的高度为:
(4-6)
即(4-7)
当t时,因而有(4-8)
当t=T时,则有(4-9)
式(4-7)表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数,如图4-2所示。
由式(4-9)可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间,就是水箱的时间常数T。
该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线,此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。
图4-1单溶水箱图4-2阶跃响应曲线
4.2PID算法
数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法,在液位控制系统中也有着极其重要的控制作用。
本章主要介绍PID控制的基本原理,液位控制系统中用到的数字PID控制算法。
一般,在控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。
常规PID控制系统原理框图如图4-3所示。
系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
积分
比例
微分
被控对象
u(t)
e(t)
r(t)
-
c(t)
图4-3PID控制系统原理框图
PID控制器是一种线性控制器,它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差:
e(t)=r(t)-c(t)(4-10)
将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合可以构成控制量,对被控对象进行控制,故称PID控制器。
它的控制规律为
(4-11)
写成传递函数形式为
(4-12)
式中——比例系数;
——积分时间常数;
——微分时间常数;
4.3调试过程
当系统选用P调节时,如图4-4与图4-5是不同比例度的比较。
可以发现当比例度为0.5时,系统的稳态偏差为32mm;
当比例度为5时,系统的稳态偏差为6mm。
比例度越大,系统的稳态偏差越小。
图4-4比例度为0.5的比例调节
图4-5比例度为5的比例调节
当系统选用PI调节时,如图4-6与图4-7是在相同比例度下,积分时间不同的比较,可以发现相同比例度下,积分时间越长,振荡频率越低;
如图4-与图4-8是在相同积分时间下,不同比例度的比较,可以发现相同积分时下,比例度越大,最大动态偏差越小,调节时间越短。
图4-6比例度为1,积分时间为100000的PI调节
图4-7比例度为1,积分时间为200000的PI调节
图4-8比例度为5,积分时间为200000的PI调节
当系统选用PID调节时,如图4-9与图4-10是在相同比例度,积分时间下,不同微分时间的比较,可以发现微分时间增大,最大动态偏差增大;
如图4-11与图4-12是在相同比例度,微分时间下,不同积分时间的比较,可以发现积分时间增大,振荡频率减小,动态偏差增大;
如图4-12与图4-13是在相同积分时间,微分时间下,不同比例度的比较,可以发现比例度增大,动态偏差小,振荡频率减小。
图4-9微分时间为10000的PID调节
图4-10微分时间为20000的PID调节
图4-11比例度为1积分时间为200000的PID调节
图4-12比例度为1积分时间为100000的PID调节
图4-13比例度为5积分时间为100000的PID调节
5结论分析
当一个单回路系统设计安装就绪之后,控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。
合适的控制参数,可以带来满意的控制效果。
反之,控制器参数选择得不合适,则会导致控制质量变坏,甚至会使系统不能正常工作。
因此,当一个单回路系统组成以后,如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。
一个控制系统设计好以后,系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
系统由原来的手动操作切换到自动操作时,必须为无扰动,这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值,并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。
一般言之,具有比例(P)调节器的系统是一个有差系统,比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小,而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分(PI)调节器,由于积分的作用,不仅能实现系统无余差,而且只要参数δ,Ti选择合理,也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分(PID)调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用,从而使系统既无余差存在,又能改善系统的动态性能(快速性、稳定性等)。
在单位阶跃作用下,P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图5-1中的曲线①、②、③所示。
图5-1P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑,进一步得出PID控制器各校正环节的作用。
如下:
1、比例环节
用于加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。
比例度越大,系统的响应速度越快,系统的调节精度越高,但易产生超调,甚至会导致系统不稳定。
比例度取值过小,则会降低调节精度,使响应速度缓慢,从而延长调节时间,使系统静态、动态特性变坏。
2、积分环节
主要用来消除系统的稳态误差。
积分时间越小,系统的静态误差消除越快,但积分时间过小,在响应过程的初期会产生积分饱和现象,从而引起响应过程的较大超调。
若积分时间过大,将使系统静态误差难以消除,影响系统的调节精度。
3、微分环节
能改善系统的动态特性,其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化,对偏差变化进行提前预报。
但微分时间过大,会使响应过程提前制动,从而延长调节时间,而且会降低系统的抗干扰性能。
总结
通过此次设计,我掌握了流量单回路控制系统的构成。
知道它最基本的部分有控制器、调节器、被控对象和测量变松组成。
并且学会了如何去设计一个过程控制系统,掌握了基本的设计步骤。
了解到,一般情况下,它都要经过一下几个步骤:
认知被控对象、设计控制方案、选择控制规律、选择过程仪表、选择过程模块、设计系统流程图和组态图、设计组态画面等,直到最后的动画链接成功,并达到控制要求。
经过以上步骤,我对整个过程控制系统的设计有了很深的体会,也学会了很多与设计相关的知识。
对组态软件也有了很大的了解,学会了初步的应用。
认识到了组态的一些应用情况,组态软件的组成与功能,其应用程序项目如何建立,趋势曲线如何建立等等一系列与组态王软件应用相关的知识等。
总的来说,这次设计是一次收获很大的设计,学到了很多教学中学不到的东西,对我的动手能力有了很大的帮助。
参考文献
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科学出版社,2006
[4]工业过程控制课程设计指导书.熊新民.2008
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机械工业出版社,2000
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哈尔滨工业大学出版社,2007
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- 水箱 控制系统 设计