上水箱液位与进水流量串级控制系统设计

课程设计任务书

摘要

设计采用水箱液位和注水流量串级控制，设计系统主要由水箱、管道、三相磁力泵、水压传感器、涡轮流量计、变频器、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。系统中由液位PID控制器的设定值端口设置液位给定值，水压力传感器检测液位。涡轮流量计测流量，变频器调节水泵的转速，采用PID算法得出变频器输出值，实现流量的控制。流量控制是内环，液位控制是外环。

用WinCC组件制作相对应的控制画面，让画面的个按钮与变量相对应，对系统的个参数进行整定，通过不断的调试，使系统尽可能的保持在要求的位置。

系统电源由接触器和按钮控制，系统电源接通后PLC进行必要的自检和初始化，控制器接收到系统启动按钮动作信号后，通过接触器接通电机电源，启动动力系统工作，开始两个闭环系统的调节控制。

关键词：串级控制；PLC控制；PID控制；WinCC组件

目录

一、概述 (1)

1.1 串级控制系统简介 (1)

1.2 串级控制系统的特点 (1)

1.3 主、副调节器控制规律的选择 (1)

1.4 串级控制系统的整定方法 (2)

二、课程设计使用的实验设备 (2)

2.1 高级过程控制系统实验装置 (3)

2.1.1 电源控制台 (3)

2.1.2 总线控制柜 (3)

2.2 计算机及相关软件 (3)

2.2.1 STEP 7简介 (3)

2.2.2 WINCC简介 (4)

三、基本原理 (5)

3.1 系统组成 (5)

3.1.1 被控对象 (5)

3.1.2 检测装置 (5)

3.1.3 执行机构 (6)

3.1.4 控制器 (6)

3.2 系统工作原理 (6)

3.3 控制系统流程图 (7)

3.4 系统投入运行步骤 (8)

四、串级控制系统PID参数整定 (11)

4.1 调节器参数整定过程 (11)

4.1.1 主调节器为PID (11)

4.1.2 主调节器为PI (13)

4.2 系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能 (15)

4.3 主、副调节器采用不同PID参数时对系统动态性能的影响 (16)

结束语 (17)

参考文献 (18)

一、概述

1.1 串级控制系统简介

图2.1是串级控制系统的方框图。该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。

图1.1 串级控制系统方框图

1.2 串级控制系统的特点

(1) 改善了过程的动态特性；

(2) 能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力；

(3) 提高了系统的鲁棒性；

(4) 具有一定的自适应能力。

1.3 主、副调节器控制规律的选择

在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。

1.4 串级控制系统的整定方法

在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：

1、逐步逼近法：在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，把副调节器的参数设置在所求的数值上，然后使主回路闭合，仍按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。尔后，将主调节器参数设置在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至满足动态品质指标要求为止。

2、两步整定法：两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。整定的具体步骤为：

(1) 在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于100%，然后用单回路控制系统的衰减（如4：1）曲线法来整定副回路。记下相应的比例度δ2S和振荡周期T2S。

(2) 将副调节器的比例度置于所求得的δ2S值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度δ1S和振荡周期T1S。

(3) 根据求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值，按单回路系统衰减曲线法的整定公式，计算主、副调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间Td的数值。

(4) 按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当地调整，直到过程的动态品质达到满意为止。

3、一步整定法：一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为：

(1) 在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/δ2＝0.5这一关系式，通过副回路的放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。

(2) 按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。

(3) 改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1 和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数的动态品质指标最佳。(4) 如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数TI，即可得到改善。

二、课程设计使用的实验设备

2.1 高级过程控制系统实验装置

2.1.1 电源控制台

电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。

仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。

2.1.2 总线控制柜

总线控制柜有以下几部分构成：

(1) 控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单元和DP从站供电。

(2) 控制站：控制站主要包含CPU、以太网通讯模块、DP链路、分布式I/O DP 从站和变频器DP从站构成。

(3) 温度变送器： PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。

2.2 计算机及相关软件

2.2.1 STEP 7简介

STEP 7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC工业软件的组成部分。STEP 7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统，总体说来，它有如下功能特性：

1.可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展

2.为功能摸板和通讯处理器赋参数值

3.强制和多处理器模式

4.全局数据通讯

5.使用通讯功能块的事件驱动数据传送

6.组态连接

2.2.2 WINCC简介

WINCC指的是Windows Control Center，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。

WINCC 是基于Windows NT 32位操作系统的，在Windows NT或Windows 2000标准环境中，WINCC具有控制自动化过程的强大功能，它是基于个人计算机，同时具有极高性价比的操作监视系统。WINCC的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确的满足控制系统的要求。不仅如此，WINCC还建立了像DDE、OLE等在Windonws程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成ActiveX控制和OPC服务器、客户端功能。

三、基本原理

3.1 系统组成

本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380V交流）磁力驱动泵、气动调节阀、直流电磁阀、PA电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

3.1.1 被控对象

水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。

模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。

盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。

管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。

3.1.2 检测装置

压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA 通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。

3.1.3 执行机构

调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。

变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。

水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。

可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。

电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃。

3.1.4 控制器

控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型号为315-2DP，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。

3.2 系统工作原理

本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方框图如图3.1所示。

图3.1 上水箱液位与进水流量串级控制系统

(a)结构图(b)方框图

3.3 控制系统流程图

控制系统流程图如图3.2所示。

图3.2 控制系统流程图

本设计主要涉及三路信号，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。

本设计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 DP（CPU315-2 DP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CPU315-2 DP的传送。

本设计中的流量检测装置（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CPU315-2 DP。由于PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP总线中信号传输是双向的，这样既完成了现场检测信号向CPU的传送，又使得控制器CPU315-2 DP 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。

3.4 系统投入运行步骤

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、在监控主界面中选择本实验项即“上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，呈现的监控界面如图3.3所示。

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。

图3.3 实验界面

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3.4所示。

图3.4 上水箱液位阶跃响应曲线

适量改变调节器的PID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。

四、串级控制系统PID参数整定

4.1 调节器参数整定过程

4.1.1 主调节器为PID

在工况稳定情况下，主回路闭合，主调节器采用PID调节器、副调节器采用PI 调节器，设定值（SV）设为70mm。

主调节器的比例增益设为7.0，积分时间和微分时间分别为40000、20000。

副调节器的比例增益设为2，积分时间为30000。

响应曲线如图4.1所示。

图4.1

系统震荡较为严重，超调量大，此时应减小比例增益K，同时应注意根据Z-N 公式，积分时间与微分时间应成4倍关系。

于是将主调节器比例增益减小为1，微分时间调整为10000，其他设定值不变。

响应曲线如图4.2所示。

图4.2

系统超调量约为

10070

70

120?-%≈71.4%依然较大，继续减小比例增益K 。 于是将主调节器比例增益减小为1，积分时间调整为60000，微分时间调整为15000，其他设定值不变。

响应曲线如图4.3所示。

图4.3

系统衰减比接近于6:1，在4:1～10:1范围内，但超调量依然较大，若继续减小比例增益K 则衰减比会继续减小，故不能继续减小K 。由于积分作用会降低系统稳定性，所以此时将副调节器改为P 调节器。

响应曲线如图4.4所示。

图4.4

系统超调量约为

10050

50

70?-=40%，衰减比接近于4:1，曲线较为理想。 4.1.2 主调节器为PI

主调节器采用PI 调节器、副调节器采用P 调节器，设定值（SV ）设为50mm 。 主调节器的比例增益设为7.0，积分时间为20000。 副调节器的比例增益设为2，积分时间为30000。 响应曲线如图4.5所示。

图4.5

系统震荡较为严重，超调量大，此时应减小比例增益K。于是将主调节器比例增益减小为1，其他设定值不变。响应曲线如图4.6所示。

图4.6

系统趋于衰减震荡，衰减比大于10:1，超调量约为

10050

50

90?-%=80%。 于是将主调节器积分时间调整为80000，其他设定值不变。 响应曲线如图4.7所示。

图4.7

衰减比在4:1~10:1范围内，超调量约为1007070

90?-%≈28.6%，曲线较为理想。

对比主调节器为PID 所确定的最终理想曲线，最终选定调节器的参数为： 主调节器：PI 控制，K=1，I=80000； 副调节器：P 控制，K=2。

4.2 系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能

选定最终确定的调节器，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， 突增液位设定值的大小，使其有一个正阶跃增量的变化，得到如图4.8所示的响应过程曲线。

图4.8

由于主调节器采用的是PI调节，I的作用使得系统为无差调节。改变液位设定值后，系统经过1.5min后重新进入稳定状态。

4.3 主、副调节器采用不同PID参数时对系统动态性能的影响

1、P特点是控制作用简单，调整方便，且负荷变化时，克服扰动能力强，控制作用及时，过渡过程时间短，稳态时，存在余差。控制规律控制及时但不能消除余差；I控制特点是能于消除余差，但作用缓慢，不能及时有效的克服扰动的影响。D 控制规律能消除余差但控制不及时且一般不单独使用。

2、比例系数越小，过渡过程越平缓，稳态误差越大；反之，过渡过程振荡越激烈，稳态误差越小；若K过大，则可能导致发散振荡。

I越大，积分作用越弱，过渡过程越平缓，消除稳态误差越慢；反之，过渡过程振荡越激烈，消除稳态误差越快。

D越大，微分作用越强，过渡过程趋于稳定，最大偏差越小；但D过大，则会增加过渡过程的波动程度。

3、PID控制器校正后系统响应速度最快，但超调量最大，若PI控制器能满足控制要求，则可采用PI控制器。