上水箱非线性液位前馈-反馈控制.doc

过程控制综合实践上水箱非线性液位前馈反馈控制小组成员：尹国梁 佐俊 张素 田风锐指导教师：徐宝昌 许亚岚 许锋 聂建英目 录前言说明 2一、被控对象的系统分析 21.1被控对象的工艺流程解析 21.2 控制需求 31.3 对象特性分析 3二、上水箱非线性液位前馈-反馈控制系统设计的详细内容 42.1 被控变量、操纵变量、扰动变量的选择 42.2 控制回路、控制算法、安全联锁与报警等功能设计 42.3 I/O表 5三、控制系统设备选型与电气控制图绘制 53.1 控制系统设备选型 53.2 电气控制图绘制P&ID图 8四、组态王监控软件的详细设计 10五、控制系统仿真研究 15六、控制系统的投运与参数整定实验 21七、实验结果及分析 241．液位控制系统控制器参数整定 242．实验结果 243．控制方案优缺点，及如何改进控制方案 1八、其他 261．设计中的主要感受和建议 262．资料与文献列表 26说明：本题目进行复杂控制器的设计，这些设计难度比较高，实验需要的时间较长可以较充分的锻炼学生进行复杂控制系统设计的能力目的与要求：以A3000实验系统中的现场系统为基础，设计上水箱非线性液位前馈-反馈控制系统。

要求学生以现有实验装置为基础自行设计，进行该液位控制系统的设计确定选用的检测点和操纵变量，分析说明理由进行仪表的选型，利用实验室现有的计算机控制系统或模拟仪表控制系统来进行系统接线，完成系统的投运，设定合适的PID参数，以达到要求的控制系统性能指标可进一步采用一些先进控制算法来提高控制系统的性能综合考虑抗干扰问题、控制系统的稳定性、鲁棒性、动态性能、稳态偏差等，对所设计的控制系统进行分析，并分析PID的三个调整参数对控制系统的影响等一、被控对象的系统分析1.1 被控对象的工艺流程解析系统包括一个水泵，电磁流量计，电动调节阀，一个液位测量仪表可以用控制手阀的方式模拟流量上产生的扰动，从而会导致液位出现不稳定，破坏了稳态在扰动进入水箱改变液位之前，电磁流量计将检测到的流量信号与给定液位值进行比较后送入调节器，经过PI运算后，其输出信号用来增大或减小电动调节阀的开度，使液位不会出现过大的改变，使扰动在产生偏差之前消除偏差水箱液位是通过压力液位传感器测得，将检测到的液位信号与给定液位值进行比较后送入调节器，经过PI运算后，其输出信号作为调节器-电动调节阀阀门的开度信号，控制进水量的大小，从而控制液面高度。

电磁流量计控制信号和压力液位传感器控制信号通过一个加法器连接，实现对调节阀的控制1.2 控制需求单容水箱的液位控制，就是控制进水量，使其与出水量相同，控制上水箱液位在工艺要求的范围内，并对干扰有比较快的响应速度，能在较短的时间内克服扰动，达到理想的控制效果管路流量上产生的扰动，会导致液位出现超调，被控量在相应时间上落后，由于单回路控制在时间上滞后较大，所以扰动出现后的调节时间较长前馈控制是按照扰动的大小和方向，产生相应的补偿作用，削弱扰动对被控过程的影响，从而减小超调，甚至没有超调但是前馈控制属于开环控制，无法检验响应，通常无法单独使用，采用前馈—反馈控制方法，通过反馈可以对控制效果加以检验1.3 对象特性分析系统特点：该系统即保留了反馈控制良好的跟随给定的优点，又弥补了抗扰特性的不足控制系统的扰动：管路流量波动控制难点：该系统水箱为非线性，不易使液位平衡二、上水箱非线性液位前馈-反馈控制系统设计的详细内容2.1 被控变量、操纵变量、扰动变量的选择被控变量:水箱的液位操作变量:管路水的流量扰动变量:管路水的流量2.2 控制回路、控制算法等功能设计利用A3000高级过程控制系统，控制系统回路由水泵，电磁流量计，电动调节阀，上水箱液位检测变送器以及AS3010系统组成。

AS3010子系统包括福光百特一台内给定智能调节仪，和一台外给定智能调节仪下面说明系统工作过程:PID控制器液位检测变送上水箱电动调节阀流量检测变送前馈补偿器给定液位+1扰动输出液位-系统有自动和手动模式当设置系统工作方式为自动时，可以设置水箱液位高度，通过PI控制器的设置，控制调节阀的开度，从而保持水箱的液位高度稳定对于前馈控制，如果管路流量出现变化，过电磁流量计反馈，并与设定值进行比较，如果反馈值大于设定值，通过反作用方式控制器，使控制器输出为正，调节阀开度增大，使流量输出增大，保证了管路流量保持稳定值不变如果反馈值小于设定值，通过反作用方式控制器时控制器的输出为负，减小调节阀的开度，从而使水箱液位减小，同样能保证管路流量保持稳定值不变对于反馈控制，如果液位出现变化，通过水箱液位检测器反馈，并与设定值进行比较，如果反馈值大于设定值，通过反作用方式控制器，使控制器输出为正，调节阀开度增大，使水箱液位输出增大，保证了液位高度保持稳定值不变如果反馈值小于设定值，通过反作用方式控制器时控制器的输出为负，减小调节阀的开度，从而使水箱液位减小，同样能保证液位保持稳定值不变前馈控制信号和反馈控制信号通过一个加法器连接，通过调节阀的控制, 使液位稳定。

系统也可以设置手动模式，此时通过开关切换跳过PI制器直接对调节阀的开度进行设置可以改变进水流量，从而改变水箱液位高度，使液位高度达到新的平衡2.3 I/O表序号仪表位号仪表名称输入信号输出信号1FT-102电磁流量计给水流量2FV-101电动调节阀阀位信号调节阀开度3LT-101变送器上水箱液位三、控制系统设备选型与电气控制图绘制3.1 控制系统设备选型1、控制装置的选择A3000智能仪表控制系统采用了福建百特公司的两个智能PID调节仪表一个内给定，一个外给定具有智能PID控制算法，可以实现自整定功能具有以下功能特点:1．适用于温度控制、压力控制、流量控制、液位控制等各种现场和设备配套2．采用单片计算机技术设计，可保证全量程不超差，长期运行无时漂、零漂输入分度号、操作参数、控制算法按键可设定3．只需做相应的按键设置和硬件跳线设置，即可在以下所有输入信号之间任意切换4．内给定智能调节仪具有本机给定的功能，可通过面板上的增减键直接修改给定值5．多种控制操作方式可选择，10mA、4-20mA、0-5V、1-5V控制操作，其中AS3010系统选择了4-20mA控制操作6．独特的PID参数专家自整定算法，将先进的控制理论和丰富的工程经验相结合，使得PID调节器可适应各种现场。

7．满度自动跟踪，长期运行无漂移，全部参数按键可设定2、监测仪表根据设计的需要的检测仪表类型为：流量测量仪表，液位测量仪表1、流量监测仪表的选择设计选用电磁流量计来测量流量,为了保证低流量下的精度，我们使用了满量程12立方/小时的LD电磁流量计,如下图输出信号为4- 20mA 电流信号LD电磁流量计由传感器和转换器两部分构成，它是基于法拉第电磁感应定律工作的，是一种测量导体介质体积流量的感应式仪表在电磁流量计中，测量管内的导电介质相当于法 拉第试验中的导电金属杆，上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场当有导电介质流过时，则会产生感应电压，管道内部的两个电极测量产生的感应电压测量管道通过不导电的内衬实现与流体和测量电极的电磁隔离，所以除了可测量一般导电液体的体积流量外，还可用于测量强腐蚀液体和均匀的液固两相悬浮液体的体积流量测量精度不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响，传感器感应电压信号与平均流速呈线性关系，因此测量精度高测量管道内无阻流件，因此没有附加的压力损失；测量管道内无可动部件，因此传感器寿命极长2、液位测量仪表当其他的物理条件恒定的时候，水箱内的压力曲线和液位的变化是线性对应的，所以设计采用了福州福光百特FB0803AE2R 扩散硅压力变送器，输出信号为4- 20mA 电流信号。

FB0803AE2R扩散硅压力变送器采用无中介液的压力测量技术，发挥了传感器的技术优势，使变送器具有优异的性能具有抗过载和抗冲击能力强，温度漂移小，稳定性高，测量精度高的优点FB0803AE2R 扩散硅压力变送器由传感器和信号处理电路组成其中传感器压面设有惠斯顿电桥，当增加压力时，电桥各桥臂电阻值发生变化，通过信号处理电路，转换成电压变化，最终将其转换成标准（4~20）mA信号输出其原理如下图3、控制阀的选型1.合理选用阀型和阀体、阀内件的材质主要从被控流体的种类、腐蚀性和粘度、流体的温度、压力、最大和最小流量及正常流量时的压差等因素来确定2.正确确定控制阀的口径阀的口径确定是根据工艺提供的有关参数，计算出流量系数来确定3.选择合适的流量特性控制阀的流量特性，考虑对系统的补偿及管路阻力情况来确定4.控制阀的开闭形式确定开闭形式的确定主要是从生产安全角度出发来考虑当阀上控制信号或气源中断时，应避免损坏设备和伤害人员如事故情况下控制阀处于关闭位置时危害较小，则选用气开式，反之，应选用气闭式综上所述，采用台湾Honeywell有限公司的ML7420A3055- E 型电动调节阀该电动调节阀采用四线制接线, 电源为220 V AC, 其信号线分为输入控制信号和阀位输出信号( 4- 20 mA )。

电动执行机构为电子式一体化结构，内有伺服放大器,输入控制信号及电源即可控制阀门开度,达到对压力、流量、液位、温度等工参数的调节具有动作灵敏、连线简单、流量大、体积小、调节精度高等特点3.2 电气控制图绘制P&ID图四、组态王监控软件的详细设计1.通信连接通过软件及硬件和线路连接，进行信号，数据传输，处理，具体见实验指导书2. 创建组态画面4.1 创建组态画面包括:人机界面、PID参数整定面板、实时趋势曲线、历史趋势曲线如下图所示4.2 定义IO设备定义IO设备包括指定设备驱动，地址，逻辑名等关键参数选择工程浏览器左侧大纲项“设备/COM6”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，选择“智能仪表”的“百特”“XM类仪表”的“串口”单击“下一步”，弹出“逻辑名称”窗口，输入名称“czp1”单击“下一步”，弹出“选择串口号”窗口，选择“COM6”单击“下一步”，弹出“设备地址设置指南”，地址“1”同理定义I/O设备“czp2”最后“设备安装向导——信息总结”如下图4.3 构造数据库逐一定义所需I/O变量建立如下数据库：表2 组态王数据库变量名变量类型连接设备寄存器报警组描述PV1I/O离散s7_200M0.0手/自动切换PV2I/O实数s7_200V312PID调节器比例系数SP1I/O实数s7_200V320PID调节器积分系数SP2I/O实数s7_200V324PID调节器微分系数MV1I/O实数s7_200V417RootNodePID调节器液位设定值MV2I/O实数s7_200V308RootNode手动控制量PID_P。