过程控制—上水箱液位及进水流量串级控制系统.docx

目录1 过程控制系统简介 21.1 系统组成 21.2 电源控制台 31.3 总线控制柜 32 实验原理 42.1 单容水箱设备工作原理 42.2 双容水箱设备工作原理 72.3 系统工作原理 102.4 控制系统流程图 103实验结果分析113.1 实验过程 113.2 实验分析133.2.1单容水箱实验结果分析 133.2.2双容水箱实验结果分析 153.2.3单容双容水箱比较 173.3 实验结论18总结19参考文献 211 过程控制系统简介1.1 系统组成本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成系统动力支路分两路：一路由 三相（380V交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、PA电磁流量计及手动调节 阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组 成1、被控对象 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤 网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免 了管道系统生锈的可能性2、检测装置压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工 业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技 术，对传感器温度漂移跟随补偿。

流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支 路的流量进行测量本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支 路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的 检测和变送一体的电磁式流量计3、执行机构调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的电动调节阀，用来进行控制回 路流量的调节它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操 作方便等优点变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电 压为单相AC220V,输出为三相AC220V水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32 升/分，扬程为8米， 功率为 180W可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4~20mA标准 电流信号输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用电磁阀型号为： 2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0 Kg/cm2，最大压力为7Kg/cm2 ；工作温度：一5~ 80°C。

4、 控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU,型号为315-2DP,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5、 空气压缩机1.2 电源控制台电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保 护器、电流型漏电保护器仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总 线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号1.3 总线控制柜总线控制柜有以下几部分构成：(1) 控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V,给主控单元和 DP从站供电2) 控制站：控制站主要包含CPU、以太网通讯模块、DP链路、分布式I/O DP 从站和变 频器 DP 从站构成3) 温度变送器：PA温度变送器把 PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路2 实验原理2.1 单容水箱设备工作原理单容实验系统结构图和方框图如图 1 所示被控量为中水箱的液位高度，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 控制图2.1单容水箱图（a）结构图（b）方框图所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程单容过程还可分为有自衡能力和无 自衡能力两类一、自衡过程的建摸 所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或 仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程图2-1 所示为一个单容液位被控过程，其流入量Q，改变阀1的开度可以改变Q的11大小其流出量为 Q ，它取决于用户的需要改变阀 2 开度可以改变 Q 液位 h 的变化 22反映了 Q与Qr不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程•若Q作为被控过程的输入变量，h1 2 1 为其输出变量,则该被控过程的数学模型就是 h 与 Q 之间的数学表达式根据动态物料平衡关系有(2-1)将公式（2-1）表示成增量式为dAh(2-2)dt在静态时，Q二Q ;当Q发生变化时，液位h随之变化，贮蓄出口处的静压随之1 2 1变化， Q 也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2线形关系［2但为了简化起见，经线形变化，则可近似认为Q与h成正比关系，而与阀22的阻力 R2成反比。

为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量 Q 消去中间变量的方法很多，如可用2 代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法这里，介绍后一种方法[X3 1+ Q11a）0t图 2-2 液位被控过程及其阶跃响应单容液位过程的传递函数为：W0( s)=希1RK2 = 0—(2-3)RCs +1 T s +110式中：T —过程的时间常数，T = R ;0 0 2cK ——过程的放大系数， K = R ；0 0 2C ——过程的容量系数，或称过程容量被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量 系数其物理意义:是：引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大小图2-2(b) 所示为单容液位被控过程的阶跃响应曲线从上述分析可知，液阻R不但影响过程的时间常数T,而且还影响过程的放大系20数K，而容量系数C仅影响过程的时间常数0在工业生产过程中，过程的纯时延问题是经常碰到的如皮带运输机的物料传输过程，管道输送、管道反应和管道的混合过程等下面讨论纯时延过程的建模图 2-3 纯时延单容过程及其响应曲线图2-3 所示，流量Q通过长度为丨的管道流入贮罐当进水阀开度产生扰动后, Q11 需要流经管道长度为I的传输时间t后才流入贮罐，才使液位h发生变化。

具有纯时延 0单容过程的阶跃响应曲线如图 2 - 2曲线2所示，它与无时延单容过程的阶跃响应曲线在形状上完全相同，仅差一纯时延t具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为,dAh0 dt+ Ah 二 K Q (T -1 )0 1 0w°(s)二 Q!二 £e f10(2-4)式中：T —过程的时间常数，T二R ；0 0 2cK——过程的放大系数，K二R ；0 0 2t ——过程的纯时延时间0 二、无自衡过程的建模所谓无自衡过程，是指过程在扰动的作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身能力不能重新恢复平衡的过程2.2 双容水箱设备工作原理双容实验系统结构图和方框图如图 1 所示被控量为上水箱的液位高度，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二次干扰Q1++一次干扰给定值h （液位）液位变送器 专*电动阀f 上水箱主调节器中水箱图2.5双容水箱图（a）结构图（b）方框图在工业生产过程中，被控过程往往是由多个容积和阻力构成，这种过程称为多容过程。

现在，以具有自衡能力的双容过程为例，来讨论其建立数学模型的方法其被控量是第二只水箱的液位h2，输入量为Q］与上述分析方法相同，根据物料平衡关系可以列出下列方程— — 小 dAh 小 l\AQr 二 Cr (2-5)AQ2Ah(2-6)R2dAh2dt(2-7)AQ3AhR3(2-8)为了消去双容过程的中间变量 h 、Q 、Q ，将上述方程组进行拉氏变换123H (s)2 'Q (s)1K 0 (Ts + l)(Ts +1)12(2-9)式中：R —第一只水箱的时间常数，T二R C ;1 1 2 1T——第二只水箱的时间常数，T二C R ;2 2 2 3K——过程的放大系数，K二R ;0 0 3C ,C ——分别是两只水箱的容量系数12流量Q有一阶跃变化时，被控量h的响应曲线与单容过程比较，多容过程受到 12扰动后, 被控参数h的变化速度并不是一开始就最大，而是要经过一段时延之后才达到 2最大值即多容过程对于扰动的响应在时间上存在时延，被称为容量时延产生容量时延的原因主要是两个容积之间存在阻力，所以使h的响应时间向后推移容量时延可用2作图法求得，即通过h响应曲线的拐点D作切线，与时间轴相交与A,与h相交与C, 22C点在时间轴上的投影B, OA 即为容量时延时间t，AB 即为过程的时间常数T。

对与无 c自衡能力的双容过程，被控量为h，输入量为QQ产生阶跃变化时，液位h并不立2 1 1 2即以最大的速度变化,由于中间具有容积和阻力 h 对扰动的响应有他、一定的时延和2 惯性H (s)1 1F7 (Ts +1)0(2-10)式中：T —过程积分时间常数，T= C；0 0 2T—第一只水箱的时间常数同理，无自衡多容过程的数学模型为W0⑶=去尙 (2-11)0当然无自衡多容过程具有纯时延时，则其数学模型为e-tcs(2-12)1 1T s (Ts + 1) n02.3 系统工作原理本系统的主控量为上水箱的液位高度H,副控量为气动调节阀支路流量Q, 它是一个 辅助的控制变量系统由主、副两个回路所组成主回路是一个定值控制系统，要求系 统的主控制量 H 等于给定值，因而系统的主调节器应为 PI 或 PID 控制副回路是一个 随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对 主控制量H的控制目的，因而副调节器可采用P控制但选择流量作副控参数时，为了 保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用， 即采用 PI 控制规律引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。

显然， 由于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常数，因而当主扰动（二次扰动） 作用于副回路时，通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响2.4 控制系统流程图控制系统流程图如图 2.6 所示图2.6 控制系统流程图 本实验主要涉及三路信号，其中两路是现。