过程控制系统实验指导书解析

过程控制系统实验指导书

王永昌

西安交通大学自动化系

2015.3

实验一先进智能仪表控制实验

一、实验目的

1．学习YS—170、YS—1700等仪表的使用；

2．掌握控制系统中PID参数的整定方法；

3．熟悉Smith补偿算法。

二、实验内容

1．熟悉YS-1700单回路调节器与编程器的操作方法与步骤，用图形编程器编写简单的PID仿真程序；

2．重点进行Smith补偿器法改善大滞后对象的控制仿真实验；

3．设置SV与仿真参数，对PID参数进行整定，观察仿真结果，记录数据。

4．了解单回路控制，串级控制及顺序控制的概念，组成方式。

三、实验原理

1、YS—1700介绍

YS1700 产于日本横河公司，是一款用于过程控制的指示调节器，除了具有YS170一样的功能外，还带有可编程运算功能和2回路控制模式，可用于构建小规模的控制系统。其外形图如下：

YS1700 是一款带有模拟和顺序逻辑运算的智能调节器，可以使用简单的语言对过程控制进行编程（当然，也可不使用编程模式）。高清晰的LCD提供了4种模拟类型操作面板和方便的双回路显示，简单地按前面板键就可进行操作。能在一个屏幕上对串级或两个独立的回路进行操作。标准配置I/O状态显示、预置PID控制、趋势、MV后备手动输出等功能，并且可选择是否通信及直接接收热偶、热阻等现场信号。对YS1700编程可直接在PC机上完成。

SLPC内的控制模块有三种功能结构，可用来组成不同类型的控制回路：（1）基本控制模块BSC，内含1个调节单元CNT1，相当于模拟仪表中的l台PID调节器，可用来组成各种单回路调节系统。

（2）串级控制模块CSC，内含2个互相串联的调节单元CNTl、CNT2，可组成串级调节系统。

（3）选择控制模块SSC，内含2个并联的调节单元CNTl、CNT2和1个单刀三掷切换开关CNT3，可组成选择控制系统。

当YS1700处于不同类型的控制模式时，其内部模块连接关系可以表示如下：（1）、单回路控制模式

单回路控制器具有丰富和灵活可变的运算控制功能；即具有连续控制功能，也具有一定的顺序控制及处理批量生产过程的能力。具有通信功能，能与集中监视操作站及上位计算机交互信息，构成集散控制系统。具有自诊断功能，有助于系统维护。

4、单回路调节系统

一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数恒定，而调节器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。

单回路控制系统主要由四个基本环节组成，即被控对象(简称对象)、测量变送装置、控制器和执行器。

5、SLPC 内的控制模块

有三种功能结构，可用来组成不同类型的控制回路：

(1)基本控制模块BSC ，内含1个调节单元CNT1，相当于模拟仪表中的l 台PID 调节器，可用来组成各种单回路调节系统。

(2)串级控制模块CSC ，内含2个互相串联的调节单元CNTl 、CNT2，可组成串级调节系统

(3)选择控制模块SSC ，内含2个并联的调节单元CNTl 、CNT2和1个单刀三掷切换开关CNT3，可组成选择控制系统。

6、Smith 补偿法改善大滞后对象

在过程控制中，常遇到纯滞后时间很长的对象，特别是纯滞后时间L 与其惯性时间常数T 之比较大的对象，使用常规PID 调节效果不佳。为此，在对象数学模型确知的情况下，采用Smith 补偿法可以取得的较好的效果。

Smith 补偿结构是先估计一个没有滞后环节的系统模型，用PID 算法对该模型进行控制，这样等同于对原系统进行控制。由于控制回路中没有滞后环节，因此对于大滞后的对象，Smith 补偿能取得很好的效果。Smith 补偿的困难之处在于对象模型估计的准确性，估计的准不准直接关系到控制效果的好坏。

(1)Smith 补偿控制器的预测控制器结构

(2)标准Smith 补偿控制器的数字调节器实现

+-K P.I.D s

T Ke s L 010+-y w u

+Ls

-+p y m y d +)(ˆt L t y +

实验二三容水箱液位控制系统

一、实验目的

1．了解三容水箱液位定值控制系统的结构和组成。

2．掌握三阶系统调节器参数的整定与投运方法。

3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。

4．分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实验系统的作用。

5．综合分析五种控制方案的实验效果。

二、实验设备（实验对象总貌图）

1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS需两台计算机）、万用表一个；

2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；

3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个；

4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根；

5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线；

6．SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。

三、实验原理

图3-14 三容液位定值控制系统

(a)结构图 (b)方框图

本实验系统结构图和方框图如图3-14所示。本实验以上、中、下三只水箱串联作被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。由第二章双容特性测试实验可推知，三容对象是一个三阶系统，可用三个惯性环节来描述。本实验要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT3检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI 或PID 控制。调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。

调节器参数的整定方法

调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有以下四种：

（一）经验法

若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。表3-1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作

进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按T D =(31～4

1

)T I 计算。

系 统 参 数

δ(%) T I (min) T D (min) 温 度 20～60 3～10 0.5～3 流 量 40～100 0.1～1 压 力 30～70 0.4～3 液 位

20～80