中国石油大学过程控制实习报告

中国石油大学(华东)

过程控制工程

综合实践报告

学生姓名：许文倩

学号：05050652

专业班级：自动化05—3班

同组者：段超霞袁唯唯王硕 2008 年 01 月 07 日

一、实验目的：

1、熟悉工艺流程。

2、熟悉使用浙大中控DCS设计控制系统的过程。

3、熟悉DCS设计、运行的基本原理。

4、熟悉控制系统的参数调整过程。

5、利用实验室现有装置设计一个水箱液位自动控制系统。

二、实验内容：

1、对A3000对象流程进行熟悉并进行DCS控制站和操作站的组态，从而用于进行液位控制的实时监控。

2、对于中水箱和下水箱分别进行一阶和二阶对象特性测试，并通过机理分析建模。

3、设计变频的支路的单回路控制系统，并进行控制器参数的整定。分别在中水箱和下水箱添加一定量的干扰，观察系统的调节状况。

4、设计工频支路的串级回路控制系统，并进行控制器参数的整定。分别在主回路和副回路加入干扰，观察系统的调节状况，并与单回路控制系统进行比较。

三、实验方法、过程及结果分析：

（一）DCS控制站组态

采用SCkey软件进行DCS系统的组态，主要进行

主机组态——主要进行主机设置

控制站组态——主要进行I/O组态以及常规控制方案设置

操作站组态——主要包括操作小组、总貌、趋势图、流程图的设置。

1、流程图的绘制：

首先通过对A3000对象进行认真细致的观察，掌握其流程。并通过SCkey软件进行流程图的搭建：

在流程图搭建过程中，必须注意与实际流程相同，同时尽量做到美观—布局合理、交叉线少。

2、主机组态：

主机设置分为主控制卡设置和操作站设置，分别设置如下：

主控制卡：（各个参数的设置根据具体的控制要求，安全要求，以及每一小组的不同情况而定）

操作站：

3、控制站的组态：

在控制站组态中，我们按照数据转发卡组态，I/O卡件组态，I/O点组态和控制方案组态。

现场信号通过电缆到达I/O卡件进行处理后将数据送给数据转发卡，数据转发卡再送到主控制站进行运算。并将控制结果通过数据转发卡送到I/O卡件，过进而送到现场执行机构，每个I/O卡件必须隶属于某个数据转发卡，而每个数据转发卡可以转发多个I/O卡件的数据。

（1）数据转发卡组态：

数据传输类型分为模拟量的输入输出卡件以及数字量的输入输出卡件：

1>模拟量输入：

在A3000实验对象中，各个测量点的分布如下：

流量测量点：2个——工频支路和变频支路流量测量

压力测量点：1个——工频支路压力测量

温度测量点：5个——锅炉温度，滞后管出口温度，换热器热出，换热器冷出，水槽温度

液位测量点：4个——上水箱液位，中水箱液位，下水箱液位，锅炉液位。

共12个测量点，因此模拟量I/O卡件应该采用两个6路的电流信号输入卡。

每个电流信号输入卡的设置如下：

2>模拟量输出：主控制卡计算后，主要用于控制工频支路的调节阀输入以及变频支路的变频器转速，设置如下：

3>开关量的输入输出：主要是对上下限报警以及2个电磁阀进行设置：

4>常规控制回路的设置：

分别对单回路（变频，如下图①）和串级回路（工频，如下图②）进行设置如下：

①②

4、操作站组态：

建立操作小组，并在下分别建立总貌画面、趋势画面以及一览画面，并将需要显示的参数添加至画面中。

为了使流程图能够显示实时的数据，需要将流程图中的显示的变量与控制站组态中的变量进行数据的动态连接。

最终组态创建完成后，组态树如下：

至此，DCS组态创建完毕，为了验证组态的正确与否，进入实时监控，同时选择仿真运行，此时每个需要显示的变量均是以正弦的形式出现。

（二）单回路控制系统的整定与控制

1、对象特性的测试：

（1）二阶对象的机理建模：二阶系统流程图如下图所示：

上水箱截面积为A1，下水箱为A2，则有：

1112i dH A Q Q dt ?

=-

1

1211H Q ==? 2112o dH A Q Q dt ?

=-

22

o H

Q K ==? 最终可化简得到：

22

1122()()(1)(1)

i H S Q S A S A S ?=

?+?+,1?，2?与挡板的开度有关。

（2） 实验建模：

对于变频单回路支路，使调节器 处于手动状态，给定MV=50%，液位基本稳定后，调节MV=60%，即给定调节阀的产生10%的增量观察中水箱和下水箱的液位变化，并计算传递函数：中水箱液位（H1）,下水箱液位（H2） 从中水箱进水：

对于MV 50% ————60% H1 52.5%————71.1%

H2 48.3%————70.15%

中水箱的一阶模型：71.1%52.5%

60%50%

k -=-=1.86

y （T ）=0.632*(71.1%-52.5%)=64.255% T=168s

1 1.86

()1681

G S S =+

下水箱的二阶模型：70.15%48.3%

60%50%

k -=-=2.185，τ=42s

Y(t1)=0.4*(70.15-48.3%)=57.04%, t1=258s Y(t2)=0.8*(70.15-48.3%)=65.78%, t2=728s 1

0.35(0.32,0.46)2

t t =∈,所以该系统可以用二阶系统进行近似，有如下公式： 121/2.16*(12)456.5T T t t +=+=

212

121

(1.74*0.55)()2

T T t T T t =-+ 可解得：T1=423.7,T2=32.8

422.185()(423.71)(32.81)

s

e G S S S -∴=

++ 从下水箱进水，只进行下水箱的一阶模型的建模： MV 40% ————50% H2 40.3%————56.6%

56.6%40.3%

1.6350%40%

k -=

=- 3s τ=

y （T ）=0.632*(56.6%-40%)=50.6% T=186s

32 1.63()1861

s

e G S S -=+

由建立的一阶和二阶对象可知：12()()()G S G S G S ≠,即不能将一个二阶对象等效为这两个一阶对象的乘积。因为对于二阶对象，例如在本实验中，下水箱的液位是受中水箱的液位的作用下而变化的。 （3） 单回路的PID 参数整定：

采用4：1衰减震荡法进行整定，即另Ti=∞，Td=0，通过调整Kp 的值使得衰减比为4：1。整定过程如下：

给定Kp=8%，Ti=54.99min ，响应曲线如下：

在上图中，观察下水箱液位H2，读相邻两个波峰值并求得衰减比如下： B=（45.7-45）/（46-45）=1.5：1

因此须在此基础上增加P ，以增大衰减比。 令比例度P=16%时，如下图所示：

B=(55.9-53)/(53.75-53)=3.8:1近似等于4：1，可认为是合适的整定值。

所以，通过整定可计算PID参数如下（由于流量控制的滞后较小，因此采用PI 控制）：

Kp==1.2P=19.2,Ti=0.5Ts=3.04min

在上述参数作用下，观察下水箱液位的调节情况，发现液位必须经过相当长的时间才能消除余差，说明此时的积分时间Ti太大了。

故将Ti减小，但是Ti减小会是系统震荡加强，因此增大比例度P.。

令Ti=1.5，P=30%观察响应曲线如下：

稳态值=45%，以进入稳态值的±5%来计算调节时间

调节时间：Ts=10：34：00-10：30：00=240s

超调量

%

σ

=2/45*100%=4.4%

相比于原整定后的曲线图，该组参数可以使系统在较快的时间的内达到稳定。为了更好的观察P的影响，将P改为P=18%,Ti保持不变，图形如下：

在上图中，调节时间ts=284s，超调量

%

=3/48*100%=6.25%

比较可知：比例度P越大，超调量越大，震荡也越严重；

积分时间Ti越小，消除余差的能力越强，但是同时震荡也越严重。

因此，在进行PID参数的整定时，要结合曲线的响应情况，对P，Ti进行适当的调整。

观察不同的PID参数对控制体系统的调节作用，可知选择P=30%,Ti=1.5min 进行干扰抑制作用的观察与实验。

（4）对干扰的抑制：

在中水箱中加入2L的水，作为干扰，调节过程如下：

在下水箱加入2L的水，调节过程如下：

对上两图进行观察比较，可知等量的干扰，加入中水箱被控变量的调节速度比较快。原因我认为是：若直接加到下水箱，测量值立马偏移给定值，因此调节器很快的进入调节，因此MV的输出马上变化很大，而干扰加入中水箱，中间经过中水箱的缓冲作用，下水箱的液位变化不是十分剧烈，因此调节器只需变化很少即可。

（三）串级控制系统的整定与控制

（1）副回路的整定：

待液位较为平稳后，对副回路进行整定。对于副回路，可以采用经验值进行整定，对于流量调节，经验值范围如下：

(40%,100%)P ∈,(0.1,1)Ti ∈在本实验中，取P=60%,Ti=0.5

（2） 主回路的整定：

将主回路切入串级，根据单回路整定后的参数先进行设置PID 参数。整定过程如下：

令P=18%，Ti=2.5min ——即单回路整定后的PID 参数输出值，令给定值产生一阶跃信号，观察液位的响应曲线：

由下图可以看出，在此时，副回路的输出值MV 在给定值变化时，产生了一很大的变化，甚至有可能超调，这对于调节阀是不利的，经常这样的话，很有可能造成调节阀的损害，因此需将比例度P 调大一些，

根据上述的分析，对PID 的参数修改，观察响应曲线如下： P=30%，Ti=1.5min

相比于P=18%时，可以看出液位能够调节的更快，更稳。且副回路控制器的输出值MV 也有所改善。

为了更好的观察比例度P 的影响，进行修改P ,观察响应曲线如下：

P=40%,Ti=1.5min

P=50%,Ti=1.5

对于P=30%,40%,50%观察响应曲线可知，虽然在快速性和稳定性方面均有些微的差别，但是控制效果均可以认为较好。

（3）下面以P=30%,Ti=1.5min为主控制器的PID参数，进行干扰抑制的控制作用的观察与分析：

副回路加入2L的干扰：

主回路加入2L的干扰：

对比以上两图发现：相同量的干扰分别加入主回路和副回路，控制器的调节作用明显的不同：

干扰加至副回路：

下水箱液位H2几乎不变，只是在稳态值附近有了很小的变化，又很快恢复至给定值，而中水箱液位H1则相较于H2变化较为明显。可见，对于加入到的副回路的干扰，串级系统能够很快的进行抑制住，从而保证被控对象几乎保持不变。

干扰加至主回路：

中水箱液位与下水箱液位均经过一段时间才达到新的稳定状态。

由此可见，串级控制系统只是对加入到副回路的干扰具有很强的抑制作用，而对进入主回路的干扰则抑制作用不是太强。

干扰加至单回路与加入串级回路的区别：

干扰加入到中水箱，串级控制系统明显的能很快的抑制干扰。体现了串级回路对副回路的干扰的抑制作用；

干扰加入到下水箱，对于串级回路来说干扰是加入到主对象中，观察可知串级控制系统的调节速度还是快于单回路控制系统的，因为串级控制系统的副回路具有调节快速的性质。

因此在整体上看，串级仍是快于单回路的调节的。

四、实验总结：

本次实验主要通过自己学习利用SCkey软件来完成DCS组态的设计，并且利用完成的组态进行被控系统A3000的液位控制数据的实时监控，来分别完成对象特性的测试，单回路控制系统的整定及控制以及串级控制系统的整定及控制。同时，分别对单回路和串级加入干扰，比较两种控制回路对干扰的抑制能力。通过比较可得到串级回路的特点：

1、对进入副回路的干扰具有很强的抑制作用

2、能够减小调节通道惯性，提高控制的调节速度。

在DCS组态中，需要注意的问题如下：

1：在趋势画面中，添加变量时，为了更加方便的观察单回路和串级回路的数据变化情况，可分别对其数据添加至不同的显示页中。同时，控制器的给定值以及输出值也应该能够显示。

2：在流程图的回路控制器输出进行连接时，默认值为PV,此时要将其修改为MV。因为，对于控制器而言，其有三个参数：PV,SV,MV，它们可以根据需要进行修改。

3、系统整合时注意每一组的操作站的IP的地址必须正确，同时在添加各个I/

卡件时，注意与每一组的相对应，并重新进行流程图数据的动态数据连接。在单回路调节系统的控制中，应该注意的问题如下：

1、对于二阶系统，可以用自控原理分析，是不可能产生等幅震荡的，但是

由于这个系统许多因素的影响不可忽略，如管道或是阀使得对象引入了

许多小的极点，进而使得系统成为一个高阶系统，在这种情况下，就很

有可能整定时产生等幅震荡现象。

2、在进行干扰的抑制控制实验时，一定要加入等量的干扰，这样才具有可

比性，对于后面的串级实验加入干扰，也是同理。

通过本次综合实践，使得我们可以从整体上对控制系统设计进行掌握，不论是软件的设计，还是控制系统如何设计才可以将控制系统进行比较好的描述。这些思考以及实验的过程都很好的锻炼了我们要具有严谨的思维，认真的态度，比较强的自学能力等等。这些都是我们进行以后的学习与研究所必不可少的素质。

最后，真诚的感谢老师在这段实习期间所给与的指导与帮助。