基于过程控制实训装置的单容水箱建模与控制

《基于过程控制实训装置的单容水箱建模与控制》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、基于过程控制实训装置的单容水箱建模与控制　　基于SUPCONWebFieldDCS，针对过程控制实训装置，选取一阶水箱系统作为被控对象进行建模与控制。首先，根据被控对象的阶跃响应曲线，分别采用最小二乘拟合和切线法两种方法，建立了水箱系统的数学模型；其次，通过DCS系统组态实现对水箱液位的单回路控制方案；最后，设计了PID控制器，并在实验装置上实现了对水箱液位的跟踪控制。通过对实验结果的分析，表明了PID控制的有效性。　　单容水箱建模PID控制过程控制实训装置DCS系统组态自动控制原理课程的教学过程，存在概念抽

2、象，理论性强的特点，学生缺乏对实际对象的认识，不易掌握课程中的难点。为了解决该问题，目前已有一些有益的探索，如开发仿真教学系统，采用开放式实验室，建立综合性试验平台。　　本文针对过程控制实训装置，采用一阶水箱系统作为被控对象，更加接近实际生产过程。通过单容水箱的建模及控制，可以锻炼学生机理建模、非线性系统线性化、黑箱建模以及控制器设计与参数整定的能力。最后通过DCS系统组态，实现对水箱液位的跟踪控制。　　一、过程控制实训装置与被控对象建模　　1.过程控制实训装置5　　过程控制实训装置包括上下两个水箱，左右四个

3、非线性水箱及一个大储水箱，水箱均采用不锈钢材质。除此之外还包括一个工业用板式换热器，两个变频泵，盘管。传感器和执行器系统包括两个液位传感器、两个涡轮流量计、一个电动调节阀、一个压力变送器、两个电磁阀、两个液位开关。　　过程控制实训装置系统包含两个支路。支路1有变频泵1，电动调节阀，涡轮流量计1，盘管，可以直接注水到上下两个水箱以及两个球形水箱。支路2有变频泵2，压力变送器，涡轮流量计2，上下两个水箱以及右边两个球形水箱。该装置可以模拟生产过程中的液位、流量等变量，并对这些变量进行控制、测量及观察。　　2.被控

4、对象建模　　根据被控对象阶跃特性曲线求取其传递函数，通常有两种方法：一种是切线法，另一种是两点法。但因为在实际测量过程中，往往因为外界干扰数据存在误差，直接采取上面两种方法随意性差，精度差，不能完全的充分利用数据，会使误差增大。所以在这里采取最小二乘法对被控对象最佳拟合后，再求取对象模型。　　在控制器处于手动状态下，给定控制器60%的输出，待水箱液位稳定以后，重新给定控制器65%的输出，经过一段时间后，水箱液位重新进入平衡状态。记录该过程的实验曲线及数据。　　二、控制系统组态　　1.控制方案的设置　　本文采用

5、的是单回路控制方案，下水箱作为被控对象，水箱液位作为被控变量。水箱液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。控制器的输出信号送到变频泵，通过改变变频泵的转速，来改变入水口的流量，水箱的液位随入口流量的变化而变化，从而实现对水箱液位的控制。　　2.报表的组态5　　报表的组态主要包括事件定义、时间引用、位号引用、报表输出等四个方面。　　事件定义主要用于设置报表的产生及打印的条件，事件定义完成以后，将时间量、位号量与事件联系起来。时间引用定义了事件发生的时刻，进行各种相关位号状态、数值的记录等操作。位号量组态，定义了在

6、引用事件发生的时刻，进行该位号数值的条件记录。报表输出定义，主要为输出事件的引用，结合打印死区设置，来进行有条件的报表输出。　　3.流程图的绘制　　经过对过程控制实训装置充分了解后，绘制的流程图。　　三、PID控制器设计　　选择执行器为变频器，被控对象为过程控制实训装置下水箱，被控变量为下水箱液位，操作变量为下水箱入水管道的流量，压力变送器作为测量变送器。　　在控制器处于手动状态下，出水阀开度一定，通过改变控制器的输出，改变变频泵的转速，从而达到改变下水箱入水管道的流量，最终实现水箱液位的变化。　　控制器选择

7、正作用，在控制器打到自动状态下，当水箱液位较高时，控制器的输出应减小。　　四、实验结果　　系统组态完成以后，编译并下载。打开实时监控调整画面，将控制器打到手动状态下，给定控制器一定的输出，待水箱液位达到稳定后，将控制器打到自动状态下，对控制器的给定值一个阶跃变化。5　　采取经验整定的方法，首先只给定比例作用，当系统存在余差时，加入一定的积分作用，如果系统有滞后，则加入微分作用。　　通过经验法参数整定以后，选取的PID参数为：　　δ=33%，Ti=24s，Td=2s。（δ为比例度）　　在调节过程中，增大比例作用

8、可以加快系统的响应速度，但会降低系统的稳定性，综合考虑到这两点，选取比例度为33%。单纯的比例作用，系统会存在稳定余差，所以加入积分作用。积分作用可以消除余差，但是积分作用越强，系统的响应速度越慢，并且稳定性变差。在这里选取积分时间为0.4分，这时系统的稳定余差为零。加入比例积分作用后，这时系统的输出存在滞后，加入微分作用后，可以使输出超前。在这里选取微分时间为2秒。　　五、结束语　　针对基于SUP