基于SUPCON WebField DCS，針對(duì)過程控制實(shí)訓(xùn)裝置，選取一階水箱系統(tǒng)作為被控對(duì)象進(jìn)行建模與控制。首先，根據(jù)被控對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線，分別采用最小二乘擬合和切線法兩種方法，建立了水箱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；其次，通過DCS系統(tǒng)組態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的單回路控制方案；最后，設(shè)計(jì)了PID控制器，并在實(shí)驗(yàn)裝置上實(shí)現(xiàn)了對(duì)水箱液位的跟蹤控制。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，表明了PID控制的有效性。

單容水箱建模PID控制過程控制實(shí)訓(xùn)裝置DCS系統(tǒng)組態(tài)自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)過程，存在概念抽象，理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)際對(duì)象的認(rèn)識(shí)，不易掌握課程中的難點(diǎn)。為了解決該問題，目前已有一些有益的探索，如開發(fā)仿真教學(xué)系統(tǒng)，采用開放式實(shí)驗(yàn)室，建立綜合性試驗(yàn)平臺(tái)。

本文針對(duì)過程控制實(shí)訓(xùn)裝置，采用一階水箱系統(tǒng)作為被控對(duì)象，更加接近實(shí)際生產(chǎn)過程。通過單容水箱的建模及控制，可以鍛煉學(xué)生機(jī)理建模、非線性系統(tǒng)線性化、黑箱建模以及控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定的能力。最后通過DCS系統(tǒng)組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的跟蹤控制。

一、過程控制實(shí)訓(xùn)裝置與被控對(duì)象建模

1.過程控制實(shí)訓(xùn)裝置

過程控制實(shí)訓(xùn)裝置包括上下兩個(gè)水箱，左右四個(gè)非線性水箱及一個(gè)大儲(chǔ)水箱，水箱均采用不銹鋼材質(zhì)。除此之外還包括一個(gè)工業(yè)用板式換熱器，兩個(gè)變頻泵，盤管。傳感器和執(zhí)行器系統(tǒng)包括兩個(gè)液位傳感器、兩個(gè)渦輪流量計(jì)、一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、一個(gè)壓力變送器、兩個(gè)電磁閥、兩個(gè)液位開關(guān)。

過程控制實(shí)訓(xùn)裝置系統(tǒng)包含兩個(gè)支路。支路1有變頻泵1，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，渦輪流量計(jì)1，盤管，可以直接注水到上下兩個(gè)水箱以及兩個(gè)球形水箱。支路2有變頻泵2，壓力變送器，渦輪流量計(jì)2，上下兩個(gè)水箱以及右邊兩個(gè)球形水箱。該裝置可以模擬生產(chǎn)過程中的液位、流量等變量，并對(duì)這些變量進(jìn)行控制、測(cè)量及觀察。

2.被控對(duì)象建模

根據(jù)被控對(duì)象階躍特性曲線求取其傳遞函數(shù)，通常有兩種方法：一種是切線法，另一種是兩點(diǎn)法。但因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)量過程中，往往因?yàn)橥饨绺蓴_數(shù)據(jù)存在誤差，直接采取上面兩種方法隨意性差，精度差，不能完全的充分利用數(shù)據(jù)，會(huì)使誤差增大。所以在這里采取最小二乘法對(duì)被控對(duì)象最佳擬合后，再求取對(duì)象模型。

在控制器處于手動(dòng)狀態(tài)下，給定控制器60%的輸出，待水箱液位穩(wěn)定以后，重新給定控制器65%的輸出，經(jīng)過一段時(shí)間后，水箱液位重新進(jìn)入平衡狀態(tài)。記錄該過程的實(shí)驗(yàn)曲線及數(shù)據(jù)。

二、控制系統(tǒng)組態(tài)

1.控制方案的設(shè)置

本文采用的是單回路控制方案，下水箱作為被控對(duì)象，水箱液位作為被控變量。水箱液位經(jīng)傳感器檢測(cè)后的信號(hào)作為反饋信號(hào)?？刂破鞯妮敵鲂盘?hào)送到變頻泵，通過改變變頻泵的轉(zhuǎn)速，來改變?nèi)胨诘牧髁?，水箱的液位隨入口流量的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的控制。

2.報(bào)表的組態(tài)

報(bào)表的組態(tài)主要包括事件定義、時(shí)間引用、位號(hào)引用、報(bào)表輸出等四個(gè)方面。

事件定義主要用于設(shè)置報(bào)表的產(chǎn)生及打印的條件，事件定義完成以后，將時(shí)間量、位號(hào)量與事件聯(lián)系起來。時(shí)間引用定義了事件發(fā)生的時(shí)刻，進(jìn)行各種相關(guān)位號(hào)狀態(tài)、數(shù)值的記錄等操作。位號(hào)量組態(tài)，定義了在引用事件發(fā)生的時(shí)刻，進(jìn)行該位號(hào)數(shù)值的條件記錄。報(bào)表輸出定義，主要為輸出事件的引用，結(jié)合打印死區(qū)設(shè)置，來進(jìn)行有條件的報(bào)表輸出。

3.流程圖的繪制

經(jīng)過對(duì)過程控制實(shí)訓(xùn)裝置充分了解后，繪制的流程圖。

三、PID控制器設(shè)計(jì)

選擇執(zhí)行器為變頻器，被控對(duì)象為過程控制實(shí)訓(xùn)裝置下水箱，被控變量為下水箱液位，操作變量為下水箱入水管道的流量，壓力變送器作為測(cè)量變送器。

在控制器處于手動(dòng)狀態(tài)下，出水閥開度一定，通過改變控制器的輸出，改變變頻泵的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到改變下水箱入水管道的流量，最終實(shí)現(xiàn)水箱液位的變化。

控制器選擇正作用，在控制器打到自動(dòng)狀態(tài)下，當(dāng)水箱液位較高時(shí)，控制器的輸出應(yīng)減小。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)組態(tài)完成以后，編譯并下載。打開實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)整畫面，將控制器打到手動(dòng)狀態(tài)下，給定控制器一定的輸出，待水箱液位達(dá)到穩(wěn)定后，將控制器打到自動(dòng)狀態(tài)下，對(duì)控制器的給定值一個(gè)階躍變化。

采取經(jīng)驗(yàn)整定的方法，首先只給定比例作用，當(dāng)系統(tǒng)存在余差時(shí)，加入一定的積分作用，如果系統(tǒng)有滯后，則加入微分作用。

通過經(jīng)驗(yàn)法參數(shù)整定以后，選取的PID參數(shù)為：

δ=33%，Ti=24s，Td=2s。（δ為比例度）

在調(diào)節(jié)過程中，增大比例作用可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，綜合考慮到這兩點(diǎn)，選取比例度為33%。單純的比例作用，系統(tǒng)會(huì)存在穩(wěn)定余差，所以加入積分作用。積分作用可以消除余差，但是積分作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越慢，并且穩(wěn)定性變差。在這里選取積分時(shí)間為0.4分，這時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定余差為零。加入比例積分作用后，這時(shí)系統(tǒng)的輸出存在滯后，加入微分作用后，可以使輸出超前。在這里選取微分時(shí)間為2秒。

五、結(jié)束語

針對(duì)基于SUPCON WebFieldDCS的過程控制實(shí)訓(xùn)裝置，選取了一階水箱系統(tǒng)作為被控對(duì)象。根據(jù)測(cè)得系統(tǒng)的階躍特性曲線建立了系統(tǒng)的模型。通過采取DCS系統(tǒng)組態(tài)及PID控制器的設(shè)計(jì)，在實(shí)際裝置上實(shí)現(xiàn)了對(duì)水箱液位的追蹤控制。PID控制器參數(shù)的選擇直接關(guān)系到系統(tǒng)性能的好壞。增加比例作用可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度但系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)降低，單純的比例作用會(huì)使系統(tǒng)存在余差，加入積分作用可以消除余差，但同時(shí)也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。若系統(tǒng)存在滯后，可加入微分作用，使系統(tǒng)輸出超前。通過單容水箱液位控制的實(shí)驗(yàn)研究，合理的選擇PID控制器的三個(gè)參數(shù)，其閉環(huán)響應(yīng)不僅速度快，而且超調(diào)量小，具有很好的動(dòng)、靜態(tài)特性。并且系統(tǒng)的響應(yīng)曲線變化平緩，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起到了很好的保護(hù)作用。對(duì)于一階慣性系統(tǒng)，單回路PID控制起到了很好地控制效果。

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