题目5--三容水箱液位定值控制系统.doc

题目5 三容水箱液位定值控制系统一、程设计主要任务及要求1、了解三容水箱液位定值控制系统的结构和组成2、应用经验法和动态特性参数法进行三阶系统PID调节器参数的整定3、分析PI、PID两种控制方式对本控制系统的作用4、研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响二、课程设计使用的实验设备实验设备1. THJ-FCS型高级过程控制系统实验装置2. 计算机及相关软件三、工作原理本控制系统结构图和方框图如图5-1所示图5-1 三容液位定值控制系统(a)结构图 (b)方框图控制系统以上、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知，三容对象是一个三阶环节，它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，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四、控制系统流程图控制系统的流程图如图5-2所示图5-2 实验控制系统的流程图在本实验中，被控量下水箱液位（检测信号LT3）和执行机构阀门定位器均为带PROFIBUS-PA通讯接口的部件，挂接在PROFIBUS-PA总线上，二者通过不同的访问地址加以区分，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CPU315-2 DP，由于PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP总线都是双向传输的通讯网络，这样既完成了现场测量信号到CPU的传送，又使得控制器CPU315-2 DP发出的控制信号经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。

五、实验内容与步骤本实验选择上、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F1-9 > F1-10 > F1-11），其余阀门均关闭1、接通控制柜和控制台电源电源，并启动磁力驱动泵和空压机2、打开作上位控制的PC机，点击“开始”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC” ，再选择弹出菜单中的“WINCC CONTROL CENTER 5.0”,进入WINCC资源管理器，打开组态好的上位监控程序，点击管理器工具栏上的“激活（运行）”按钮，进入的实验主界面3、鼠标左键点击实验项目“三容液位定值控制实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图5-3所示图5-3 实验界面在实验界面的左边是实验流程图，右边是参数整定，下面一排六个切换功能键4、在上位机监控界面中点击“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过设定值或输出值旁边相应的滚动条或输出输入框来实现5、启动磁力驱动泵，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少输出量，使上水箱的液位平衡于设定值。

6、按经验法或动态特性参数法整定PI调节器的参数，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置7、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，加干扰：突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；干扰要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定加入干扰后，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（采用后面两种干扰方法仍稳定在原设定值），观察计算机记录此时的设定值、输出值和参数，液位的响应过程曲线将如图5-4所示 图5-4 液位的响应过程曲线8、分别适量改变调节器的P及I参数，重复步骤7，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线9、分别用P、PI、PID三种控制规律重复步骤4～8，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线值得注意的是：手自动切换的时间为：当上、中水箱液位基本稳定不变（一般约为3～5cm）且下水箱的液位趋于给定值时切换为最佳六、设计报告要求1、画出三容水箱液位定值控制实验的结构框图2、用实验方法和动态特性参数法确定调节器的相关参数，并写出其整定过程。

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、分析P、PI、PID三种控制方式对本实验系统的控制作用。