上水箱液位与进水流量串级控制系统

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1、题目11上水箱液位与进水流量串级控制系统一、课程设计主要任务及要求1、了解液位-流量串级控制系统的结构组成与原理。2、掌握液位-流量串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。3、进行串级控制系统PID参数整定。4、了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。二、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、实验原理本实验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

2、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。本实验系统结构图和

3、方框图如图5-15所示。图5-15上水箱液位与进水流量串级控制系统(a)结构图(b)方框图四、实验控制系统流程图本实验控制系统流程图如图5-16所示。图5-16实验控制系统流程图本实验主要涉及三路信号，其中两路是现场测量信号上水箱液位和管道流量，另外一路是控制阀门定位器的控制信号。本实验中的上水箱液位信号是标准的模拟信号，与SIEMENS的模拟量输入模块SM331相连，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2

4、DP（CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号向控制器CPU315-2DP的传送。本实验中的流量检测装置（电磁流量计）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，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CPU315-2DP。由于PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP总线中信号传输是双向的，这样既完成

5、了现场检测信号向CPU的传送，又使得控制器CPU315-2DP发出的控制信号经PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线，以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水箱和气动调节阀支路组成串级控制系统（也可采用变频器支路）。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开至适当开度，其余阀门均关闭。1、接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，进入的实验主界面如本实验指导书第二章第一节中的图2-5所示。2、在实验主界面中选择本实验项即“上

6、水箱液位与进水口流量串级控制实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图5-17所示。图5-17实验界面3、在上位机监控界面中，将副调节器设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值。4、合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少副调节器的输出量，使上水箱的液位稳定于设定值。5、按本章第一节中任一种整定方法整定调节器的参数，并按整定得到的参数对调节器进行设定。6、待上水箱进水流量相对稳定，且其液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：（1）突增（或突减）设定

7、值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（2）将气动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；（3）将阀F1-5、F1-13开至适当开度；以上几种干扰均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。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，水箱液位稳定于新的设定值（后面两种干扰方法仍稳定在原设定值）。通过实验界面下边的切换按钮，观察计算机记录的设定值、输出值和参数，上水箱液位的响应过程曲线将如图5-18所示。图5-18上水箱液位阶跃响应曲线7、适量改变调节器的PI

8、D参数，重复步骤6，观察计算机记录不同参数时系统的响应曲线。六、设计报告要求1、画出液位-流量串级控制系统的结构框图。2、用实验方法确定调节器的相关参数，写出其整定过程。3、根据扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4、分析主、副调节器采用不同PID参数时对系统动态性能