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1、成都理工大学工程技术学院过程控制系统课程设计实验报告、 名称：单容水箱液位过程控制 班级：2011级自动化过程控制方向 姓名： 学号： 目录前言一过程控制概述2二THJ-2型高级过程控制实验装置3三系统组成与工作原理5（一）外部组成5（二）输入模块ICP-7033和ICP-7024模块5（三）其它模块和功能8四调试过程9（一）P调节9（二）PI调节10（三）PID调节11五心得体会13前言 现代高等教育对高校大学生的实际动手能力、创新能力以及专业技能等方面提出了很高的要求，工程实训中心的建设应紧紧围绕这一思想进行。首先工程实训首先应面向学生主体群，建设一个有较宽适应面的 基础训练基地 。通过对
2、基础训练设施的集中投入，面向全校相关专业，形成一定的规模优势，建立科学规范的训练和管理方法，使训练对象获得机械、电子基本生产过程和生产工艺的认识，并具备一定的实践动手能力。 其次，工程实训的内容应一定程度地体现技术发展的时代特征。为了适应现代化工业技术综合性和多学科交叉的特点，工程实训的内容应充分体现机与电结合、技术与非技术因素结合，贯穿计算机技术应用，以适应科学技术高速发展的要求。应以一定的专项投入，建设多层次的 综合训练基地 ，使不同的训练对象在获得对现代工业生产方式认识的同时，熟悉综合技术内容，初步建立起“大工程”的意识，受到工业工程和环境保护方面的训练，并具备一定的实用技能。第三，以创
3、新训练计划为主线，依靠必要的软硬件环境，建设 创新教育基地 。以产品的设计、制造、控制乃至管理为载体，把对学生的创新意识和创新能力的培养，贯穿于问题的观测和判断、创造和评价、建模和设计、仿真和建造的整个过程中。本次工程实践就是针对单容水箱液位进行恒高度控制通过调试，来熟悉THJ-2型高级过程控制实验装置。通过本次工程实践，来熟悉工业过程控制的工作流程以及其控制原理。一 过程控制概述在工业生产中，有一类按照一定的工艺流程（或程序）进行连续不间断的生产的工业生产过程，例如电力、石油、化工、冶金等，这些工业在经济发展中占有举足轻重的地位，我们称之为连续过程工业。与其他工业（称为离散过程工业或间断过程
4、工业）相比，连续过程工业的控制问题有其完全不同的特点，形成了控制技术中的一个分支，称为生产过程控制或过程控制。过程控制的任务，就是要经过自动化技术，提高产品的质量和产量，节能降耗，降低成本，减少污染，提高劳动生产率，增强企业对市场需求的适应性。过程控制主要有以下几个特点：（1）连续工业生产过程是与化学反应、生化反应、物理反应、相变过程、能量的转换过程、传热传质过程等复杂的反应或过程相伴随的。这些过程或反应的进行，必须满足一定的内部和外部条件。满足这些条件，并且使这些条件保持稳定，生产过程就能正常、稳定地进行，产品的产量和质量就能得到保证。所以，过程控制主要是对决定生产过程是否正常进行控制，以保
5、证整个生产过程的正常进行。过程控制中最常见的就是压力控制、流量控制、温度控制、液位或料位控制、成分控制、PH值控制等，这些控制多数都是定值调节。随着大规模生产的需求及科学技术的发展，更多的参数将被纳入到控制的范围之内。过程控制在生产中的地位将变得更加重要。（2）连续生产过程工业是一个庞大的工业系统，设备多样化，工作机理各不相同，因而被控对象形式复杂多变，具有惯性大、延时大、时变、非线性、多变量相互耦合等特点，很难得出其精确的动态数学模型，因而控制难度较大。（3）由于生产过程工艺复杂，要求高，过程控制的监测系统多，控制系统多，控制方案多，控制系统间既独立又相互影响。所以必须合理协调各控制系统间相
6、互关联、相互制约的关系，从整个生产过程的全局出发，求得整个生产过程的最优。（4）连续生产过程的生产条件和环境往往比较特殊，如高温高压、低温真空、易燃易爆、有毒、存在放射性等。因而必须依靠自动化技术，在正常生产、非正常工况、事故工况下，都能确保人员安全以及部队环境造成污染。（5）连续过程工业设备多，结果复杂，所以干扰因素也多，干扰的形式较复杂。这就要求过程控制的各个控制系统具有较强的抗干扰能力，快去克服扰动因素对生产的影响。二THJ-2型高级过程控制实验装置这次工程实训我们要用到的装置 THJ-2型高级过程控制实验装置该类型实验装置包括不锈钢水箱、冷热水交换有机玻璃圆筒型大水箱、上下串接的有机玻
7、璃双容上下小水箱、带有机玻璃冷却水循环夹套的小加温箱、三相电加热锅炉等，适用于控制系统组成认识实验、对象数学模型的测试实验、调节阀流量特性测试实验、位式控制实验、单回路调节实验、串级控制实验等其相似实验。实验对象系统包含有：不锈钢储水箱；上、中、下三个串接有机玻璃圆筒型水箱；三相电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成）和铝塑盘管组成。对象系统中的各类检测变送及执行装置包含有：扩散硅压力变送器三只，涡轮流量计三只，Pt100热电阻温度传感器六只。控制模块：包含三相可控硅移相调压装置、电磁阀、电动调节阀、三菱变频器各一个；接触器位式控制装置、三相380V不锈钢磁力驱
8、动泵、三相220V不锈钢磁力驱动泵。上位监控PC机包含有：一台上位监控PC机，PC机上安装有工控组态软件(MCGS、组态王可选)，通过RS232/485转换器、仪表控制台侧面的RS485总线接口与所有的仪表进行通讯。我们可对下位仪表各参数进行设定、修改PID控制参数，并能观察被控参数的实时曲线、历史曲线，SV设定值、PV测量值、OP输出值，各实验都设有动态变化棒图显示和实验指导。三 系统组成与工作原理（一）外部组成图1锅炉温度控制系统工艺设备根据控制要求，将信号经过PID整定后，输出420mA的电流信号控制单相SCR调压装置输出电压，达到对加热管电压大小调节，从而达到控制锅炉内胆水温的作用。（
9、二）输入模块ICP-7033和ICP-7024模块8通道模拟量输入模块。表1 为ICP-7033的技术指标。 面板如图3所示，ICP-7033模块24V供电，面板上提供了3通道的输入端口。每一通道根据功能表可输入允许范围的热电阻。支持485通讯。表1 ICP-7033的技术指标 型号 功能 I-7033 模拟量输入分辨率16bit输入通道8路差动采样率10HzPt100-100100、01000200、0600Pt1000-2000600Ni-80100、0100将温度变送器的电压信号通过ICP-7033模块转换为数字信号通过RS485接口送入计算机处理。图1 ICP-7033面板上图中，a：
10、电源开关；b：RS485接口；c：ICP-7017模块；d：4通道的输入接口ICP-7024是4通道模拟量输出模块，24V供电，提供了4通道的输出端口。每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流，支持485通讯。ICP-7024的技术指标见下表： 型号功能I-7024模拟量输入分辨率14bit输入通道4路差值电压输出+/-10V+/-5V010V05V电流输出020mA420mA ICP-7024模块将从计算机输出的信号加到三相SCR调压模块420mA电流控制信号输入端。a：电源开关；b：RS485接口；c：ICP-7014模块；d：4通道的输出接口。图2 ICP-7024面板（三）其它模块
11、和功能三相SCR调压模块本系统通过计算机中的组态软件MCGS进行PID整定后输出控制信号通过远程数据输出模块加到单相SCR调压装置的输入端，以此来控制加热管电流的大小MCGS (Monitor and Control Generated System，通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在工业控制领域有着广泛的应用。MCGS组态软件功能强大，操作简单，易学易用，普通工程人员经过短时间的培训就
12、能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作四 调试过程在此次训练中，我们针对单容水箱液位进行恒高度控制。有三种控制包括比例控制，积分控制，和微分控制。单容水箱是个比较简单的控制系统，我们采用PID控制。控制一个液位的高度，整个过程为采用水泵恒定抽水，改变电动调节阀的开度来控制水的流量从而控制水箱液位的高度。并选用压力传感器对液位高度进行测量，将测量的值与系统的给定值进行比较，来确定阀的开度。 单容水箱液位PID整定的系统方框图如下控制器检测变送器单容水箱电动调节阀给定扰动D/A转换器A/D转换器1. 比例控制比例控制作用为传递函数为式中称为比例放大系数。比例控制简称 P控制(Proportiona
13、l).比例控制的输出与输入是同步变化的，没有惯性和时间上的延迟。响应快，与输入成比例的变化，只是比例控制最突出的优点，正是由于这一特点，使比例控制成为一种最重要的基本控制规律。所有的工业控制器都包含有比例控制比例控制也可以单独构成控制器。使调节器工作在比例（P）调节器状态，此时系统处于开环状态。实时曲线如下图P调节曲线2. 积分控制 积分控制作用为式中为积分时间常数。积分控制简称 I控制（Integral）.积分控制的传递函数为在单位阶跃输入下，积分控制的输出为单容水箱液位控制调试。首先我们按实验指导书将控制面板上连线正确接出，然后进入MCGS单容水箱液位控制系统操作界面，打开水阀检查通路连通
14、，开启控制面板电源打开电动阀电源，这时就有水进入水箱。将操作软件中水箱的输出值设定为20。先将控制参数值P设定为100。观察曲线走向调节P、I绿色曲线无限接近红色曲线说明系统稳定。控制曲线如下图：单容水箱液位控制曲线3. 微分控制微分控制规律的输出与输入的关系为微分控制作用的传递函数为式中称为微分时间常数，简称微分时间。微分时间又称为D控制（Derivative)。微分控制的输出，反映了偏差变化的速度。这可以使偏差只有变化倾向而未产生实际的变化时就产生控制作用，阻止被控变量进一步的变化，加快控制系统的响应。微分控制的这种特性可以称为“超前控制”。这种控制作用特别适合于惯性较大的被控对象。微分控
15、制作用的强弱，可以通过微分时间常数来调整。微分控制对于恒定不变的偏差没有控制作用。对于变化缓慢的偏差，也不会产生有效的控制作用。所以，微分控制作用不单独作用。式所表示的微分控制规律在物理上是不能实现的，称为理想的微分控制。实际的微分控制作用是带有惯性环节的微分控制，其传递函数为式中称为微分放大系数。在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入积分（“I”）作用，使被调量回复到原设定值。减小P，并同时增大I，观察加扰动信号后的被调量的动态曲线，验证在PI调节器作用下，系统的余差为零。在PI控制的基础上加上适量的微分作用“D”，然后再对系统加扰动（扰动幅值与前面的实验相同），比较所得的动态曲
16、线与用PI控制时的不同处。选择合适的P、I和D ，调节后的曲线如下图所示。PID调节曲线五 心得体会本课题安排的实训时间为一周,在这段时间里,为了确保能够按时完成本课题的设计,我们都对所规定的时间做了详细的安排通过一周来对这一课题的学习，并与同组的成员一起共同讨论和研究,我们如期完成了该课题的训练.并对该课题所应用到的系统部件都有了一定的掌握，并能运用所学的知识对实训提出了合理的方案和实现手段。工程实训给了我独立完成工作与团队合作,并善于思考的好机会,并总结四年来所用知识的综合应用能力,对将来搞科研技术的研究与开发提供了一次很好的练兵机会,并为走上工作岗位奠定了坚实一步.当然,由于本人学识有限,在训练的过程当中错误也在所难免,希望各位同行能够指正.在这段设计期间,很多人都给我提供了帮助,在此,我要感谢老师和同学们,特别是我的指导老师杨明.在我设计的过程中他就一直帮我们找资料,给意见,帮我们提供一些实验方案,以及思考方法,并时不时地帮我们修改。在这完成实训报告的时间里，老师渊博精深的知识、高屋建瓴的见解和敏锐的洞察力，都让我终身受益;导师务实地工作作风、精益求精的利研精神、严谨的治学态度，为我树立了永远的学习榜样。在此特想向杨老师和我们组的同学表示最衷心的感谢！
