过程控制系统实验指导书

过程控制系统实验指导书王永昌西安交通大学自动化系2015.3实验一先进智能仪表控制实验一、实验目的1．学习YS—170、YS—1700等仪表的使用；2．掌握控制系统中PID参数的整定方法；3．熟悉Smith补偿算法。二、实验内容1．熟悉YS-1700单回路调节器与编程器的操作方法与步骤，用图形编程器编写简单的PID仿真程序；2．重点进行Smith补偿器法改善大滞后对象的控制仿真实验；3．设置SV与仿真参数，对PID参数进行整定，观察仿真结果，记录数据。4．了解单回路控制，串级控制及顺序控制的概念，组成方式。三、实验原理1、YS—1700介绍YS1700产于日本横河公司，是一款用于过程控制的指示调节器，除了具有YS170一样的功能外，还带有可编程运算功能和2回路控制模式，可用于构建小规模的控制系统。其外形图如下：YS1700是一款带有模拟和顺序逻辑运算的智能调节器，可以使用简单的语言对过程控制进行编程（当然，也可不使用编程模式）。高清晰的LCD提供了4种模拟类型操作面板和方便的双回路显示，简单地按前面板键就可进行操作。能在一个屏幕上对串级或两个独立的回路进行操作。标准配置I/O状态显示、预置PID控制、趋势、MV后备手动输出等功能，并且可选择是否通信及直接接收热偶、热阻等现场信号。对YS1700编程可直接在PC机上完成。SLPC内的控制模块有三种功能结构，可用来组成不同类型的控制回路：（1）基本控制模块BSC，内含1个调节单元CNT1，相当于模拟仪表中的l台PID调节器，可用来组成各种单回路调节系统。（2）串级控制模块CSC，内含2个互相串联的调节单元CNTl、CNT2，可组成串级调节系统。（3）选择控制模块SSC，内含2个并联的调节单元CNTl、CNT2和1个单刀三掷切换开关CNT3，可组成选择控制系统。当YS1700处于不同类型的控制模式时，其内部模块连接关系可以表示如下：（1）、单回路控制模式（2）、串级控制模式（3）、选择控制模式单回路控制器具有丰富和灵活可变的运算控制功能；即具有连续控制功能，也具有一定的顺序控制及处理批量生产过程的能力。具有通信功能，能与集中监视操作站及上位计算机交互信息，构成集散控制系统。具有自诊断功能，有助于系统维护。4、单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数恒定，而调节器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。单回路控制系统主要由四个基本环节组成，即被控对象(简称对象)、测量变送装置、控制器和执行器。5、SLPC内的控制模块有三种功能结构，可用来组成不同类型的控制回路：(1)基本控制模块BSC，内含1个调节单元CNT1，相当于模拟仪表中的l台PID调节器，可用来组成各种单回路调节系统。(2)串级控制模块CSC，内含2个互相串联的调节单元CNTl、CNT2，可组成串级调节系统(3)选择控制模块SSC，内含2个并联的调节单元CNTl、CNT2和1个单刀三掷切换开关CNT3，可组成选择控制系统。6、Smith补偿法改善大滞后对象在过程控制中，常遇到纯滞后时间很长的对象，特别是纯滞后时间L与其惯性时间常数T之比较大的对象，使用常规PID调节效果不佳。为此，在对象数学模型确知的情况下，采用Smith补偿法可以取得的较好的效果。Smith补偿结构是先估计一个没有滞后环节的系统模型，用PID算法对该模型进行控制，这样等同于对原系统进行控制。由于控制回路中没有滞后环节，因此对于大滞后的对象，Smith补偿能取得很好的效果。Smith补偿的困难之处在于对象模型估计的准确性，估计的准不准直接关系到控制效果的好坏。(1)Smith补偿控制器的预测控制器结构(2)标准Smith补偿控制器的数字调节器实现+-TsK1P.I.DsTKesL010ywu+-Lse++pyfemyd++)(ˆtLty实验二三容水箱液位控制系统一、实验目的1．了解三容水箱液位定值控制系统的结构和组成。2．掌握三阶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变化对系统静、动态性能的影响。4．分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实验系统的作用。5．综合分析五种控制方案的实验效果。二、实验设备（实验对象总貌图）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。三、实验原理图3-14三容液位定值控制系统(a)结构图(b)方框图本实验系统结构图和方框图如图3-14所示。本实验以上、中、下三只水箱串联作被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。由第二章双容特性测试实验可推知，三容对象是一个三阶系统，可用三个惯性环节来描述。本实验要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT3检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，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。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：（一）经验法若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，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3-1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按TD=(31～41)TI计算。表3-1经验法整定参数系统参数δ(%)TI(min)TD(min)温度20～603～100.5～3流量40～1000.1～1压力30～700.4～3液位20～80(二)临界比例度法图3-4具有周期TS的等幅振荡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3-4所示。根据临界比例度δk和振荡周期TS，按表3-2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3-2临界比例度法整定调节器参数调节器参数调节器名称δTI(S)TD(S)P2δkPI2.2δkTS/1.2PID1.6δk0.5TS0.125TS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后的一阶以上环节，否则在比例控制下，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。（三）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3-5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δS表示之。相邻两波峰间的距离称为4：1衰减周期TS。根据δS和TS，运用表3-3所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。表3-3衰减曲线法计算公式调节器参数调节器名称δ（%）TI(min)TD(min)PδSPI1.2δS0.5TSPID0.8δS0.3TS0.1TS（四）动态特性参数法所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据第二章中对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（K、T、τ等），利用表3-4所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：1时调节器的相关参数。如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：1衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。表3-4经验计算公式调节器参数调节器名称δ（%）TITDPTK×100%PI1.1TK×100%3.3τPID0.85TK×100%2τ0.5τ四、实验内容1）熟悉液位控制系统的操作方法与步骤。2）利用组态王软件画出液位控制系统工艺流程图，连接控制系统。3）适量增加给定值，观察液位变化，组态画面中曲线变化，跟踪情况及表上数值的变化。4）观察电动调节阀的开度变化规律。5）改变几组PID参数，领会其对控制系统的影响。6）观察控制效果，分析控制数据。7)利用手动阀加扰动，观察液位控制系统的调节过程。本实验选择上、中、下三只水箱串联组成三容对象（三阶系统）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9、中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀门开度F1-9F1-10F1-11），其余阀门均关闭。五、实验报告要求1．画出三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，并写出整定过程。3．根据实验数据和曲线，分析三阶系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4．比较在相同的阶跃扰动下不同PID参数对系统性能产生的影响。5．比较在相同的PID参数下，阶跃扰动作用在不同位置对系统性能产生的影响。6．分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实验系统的作用。7．综合分析五种控制方案的实验效果。六、思考题1．为什么对三个水箱的出水阀开度大小要求不同？2．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？3．如果在相同阶跃信号作用下，要求系统的被控制量具有与前面两个实验完全相同的动态性能指标，本实验中调节器的PID参数应如何设置？附录1实验装置介绍第一节系统概述一、概述“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。它是本企业根据工业自动化及其他相关专业的教学特点，并吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证而推出的一套全新的综合性实验装置。本装置结合了当今工业现场过程控制的实际，是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。本装置还可根据用户的需要设计构成AI智能仪表，DDC远程数据采集，DCS分布式控制，PLC可编程控制，FCS现场总线控制等多种控制系统，它既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为教师、研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供一个物理模拟对象和实验平台。学生通过本实验装置进行综合实验后可掌握以下内容：1．传感器特性的认识和零点迁移；2．自动化仪表的初步使用；3．变频器的基本原理和初步使用；4．电动调节阀的调节特性和原理；5．测定被控对象特性的方法；6．单回路控制系统的参数整定；7．串级控制系统的参数整定；8．复杂控制回路系统的参数整定；9．控制参数对控制系统的品质指标的要求；10．控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力培养；11．各种控制方案的生成过程及控制算法程序的编制方法。二、系统特点真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。被控参数全面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。具有广泛的扩展性和后续开发功能，所有I/O信号全部采用国际标准IEC信号。具有控制参数和控制方案的多样化。通过不同被控参数、动力源、控制器、执行器及工艺管路的组合可构成几十种过程控制系统实验项目。各