过程控制综合实验报告
目录
1、流量比值控制系统................................................ 2
2、液位和进口流量串级控制.......................................... 5
3、流量-液位前馈反馈控制........................................... 9
1 流量比值控制系统
1.1 流量比值控制系统描述
流量比值控制系统控制流程图如图1.1所示：
图1.1 流量比值控制流程图
流量比值控制测点清单如表1.1所示:
表1.1流量比值控制控制测点清单
水介质一路（简称为I路）由泵P101（变频器驱动，手动控制作为给定值）从水箱V104中加压获得压头，经电磁阀XV-101进入V103，水流量可通过变频器或者手阀QV-106来调节；另一路（简称为II路）由泵P102从水箱V104加压获得压头，经由调节阀FV-101、水箱V103、手阀QV-116回流至水箱V104形成水循环，通过调节阀FV-101调节此路的水流量；其中，I路水流量通过涡轮流量计FT-101测得， II路水流量通过电磁流量计FT-102测得。本题为比值调节系统，调节阀FV-101为操纵变量，FT-102的测量值与FT-101的测量值经除法器运算后结果作为FTC-101的测量值，FT-102是被控变量。
1.2 控制算法和编程
这是一个单闭环流量比值控制系统，流量计FT-101流量与流量计FT-102成比例控制，如图1.2所示。
1.3 操作过程和调试
1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。
2、在现场系统上，打开手阀QV-102、QV-105，QV115，QV106，电磁阀XV101直接打开（面板上DOCOM接24V，XV101接GND）。
3、在控制系统上，将支路1流量变送器（FT-101）输出连接到控制器AI1，将支路2流量变送器（FT-102）输出连接到控制器AI0，变频器控制端连接到AO0，调节阀FV-101控制端连接到AO1，且变频器手动控制。
4、打开设备电源，包括调节阀电源，变频器电源，变频器设为外部信号操作模式。
5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。
6、启动计算机，启动组态软件，进入测试项目界面。启动调节器，设置各项参数，将调节器切换到自动控制。
7、启动水泵P102。
8、设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数，这里不限制使用的方法。具体可以参考2.4节。
1.4 实验结果及记录
流量比值控制曲线如图1.3所示，比值系数3，P=24，I=2.5秒。
图1.3 流量比值控制曲线
2 液位和进口流量串级控制
2.1 液位和进口流量串级控制描述
液位和进口流量串级控制流程图如图2.1所示：
图2.1 液位和进口流量串级控制流程图
液位和进口流量串级控制测点清单如表2.1所示：
表2.1 液位和进口流量串级控制测点清单
水介质二路（II路）由泵P102（工频）从水箱V104中加压获得压头，经流量计FT-102、电动阀FV-101、水箱V-103、手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环，负荷的大小通过手阀QV-116来调节；其中，水箱V103的液位由液位变送器LT-103测得，给水流量由流量计FT-102测得。本例为串级调节系统，调节阀FV-101为操纵变量，以FT-102为被控变量的流量控制系统作为副调节回路,其设定值来自主调节回路——以LT-103为被控变量的液位控制系统。
以FT-102为被控变量的流量控制系统作为副调节回路——流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。
下水箱V103为主对象，流量FT-102的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。
由上分析知：副调节器选纯比例控制，反作用，自动。主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用，自动。
2.2 控制算法和编程
串级控制系统方框图如图2.2所示。
以串级控制系统来控制下水箱液位，以第二支路流量为副对象，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。
下水箱为主对象，流量的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。将主调节器的输出送到副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。由上分析副调节器选纯比例控制，反作用（要想流量大，则调节阀开度加大），自动。主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用（要想液位高，则调节阀开度加大），自动。
1.2.3 操作过程和调试
1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。这些步骤不详细介绍。
2、在现场系统上，打开手动调节阀QV-102、QV-105，调节QV-116具有一定开度(闸板高度6毫米左右)，其余阀门关闭。
3、在控制系统上，将流量计（FT-102）连到控制器AI0输入端，下水箱液位（LT-103）连到控制器AI1输入端，电动调节阀FV-101连到控制器AO0端。
注意：具体那个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。
4、打开设备电源，包括调节阀电源。
5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。
6、启动计算机，启动组态软件，进入测试项目界面。启动调节器，设置各项参数，将调节器切换到自动控制。
7、启动水泵P102。系统开始运行。
8、首先将主调节器置手动状态，调整其输出为某个输出值，将它作为副调节器的SP值。
9、在上述状态下，整定副调节器的P参数。
10、预置主调节器的P、I参数（不要设置的太大），再将主调节器切换到自动状态。
11、依据记录曲线，调整主调节器的P、I参数、副调节器的P参数，一般是副调节器较大，主调节器较小。
副调节器：一般纯比例(P)控制，反作用，自动，KC2(副回路的开环增益)较大。
主调节器：比例积分(PI)控制，反作用，自动，KC1〈 KC2(KC1主回路开环增益)。
12、待系统稳定后，类同于单回路控制系统那样，对系统加扰动信号，扰动的大小与单回路时相同。
13、通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的静态精度。
1.2.4 实验结果及记录
液位流量串级控制曲线如图2.3所示：
图2.3 液位流量串级控制曲线
3 流量-液位前馈反馈控制
3.1 流量-液位前馈反馈控制描述
前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者抵消。因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。
流量-液位前馈反馈控制流程图如图3.1所示：
图3.1 流量-液位前馈反馈控制流程图
流量-液位前馈反馈控制测点清单如表3.1所示：
表3.1流量-液位前馈反馈控制测点清单
水介质二路（II路）由泵P102（工频）从水箱V104中加压获得压头，经电动阀FV-101、水箱V-103、手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环，另一路（I路）经泵P101(变频器驱动)、涡轮流量计FT-101、水箱V103、手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环，负荷的大小通过手阀QV-116来调节；其中，水箱V103的液位由液位变送器LT-103测得，给水流量由流量计FT-101测得。本例为前馈调节系统，调节阀FV-101为操纵变量，在LT-103为被控变量的定值液位控制系统中，接收由I路流量的前馈信号参予到定值系统中，整体构成前馈－反馈控制系统。
如果I路流量出现扰动，经过流量计FT-101测量之后，测量得到干扰的大小，然后在II路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。而不需要经过调节器。
3.2控制算法和编程
前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者抵消。因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。如果没有反馈控制，则这种校正作用只能在稳态下补偿扰变化用。
如图3.2所示。下水箱是用两个水泵注水，设法保持下水箱液位。
图3. 2 前馈－反馈控制系统原理图
如果支路一出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在第二个支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。而不需要经过调节器。
如果没有反馈，就是开环控制，那么这个控制就会有余差。增加反馈通道，使用PI进行控制。我们进行了部分简化。
前馈控制不考虑控制通道与对象通道延迟，则根据物料平衡关系，简单的前馈控制方程为：Qu=dF。
也就是两个流量的和保持稳定。但是有两个条件，一是准确知道第一个支路的流量，二是准确知道调节阀控制输入与流量对应关系
，如图3. 3所示：
图3.3 调节阀控制输入与流量比例关系
被调量为调节阀，控制量是支路2流量，控制目标是下水箱液位。
首先实现前馈控制，通过测量支路1、2流量，控制调节阀，使得支路2流量变化跟踪支路1流量变化。
然后实现反馈控制，通过测量水箱液位，控制调节阀，从而把前馈控制不能修正的误差进行修正。
3.3 操作过程和调试
1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。
2、在现场系统上，打开手阀QV102、QV105，QV115，QV106，电磁阀XV101直接打开（面板上DOCOM接24V，XV101接GND）。
3、在控制系统上，将支路1流量变送器（FT-101）输出连接到控制器AI0，将下水箱液位变送器（LT-103）输出连接到控制器AI1，变频器控制端连接到AO0，调节阀FV-101控制端连接到AO1。变频器通过AO1手操控制。
4、打开设备电源。包括调节阀电源，变频器电源。变频器设为外部信号操作模式。
5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。
6、启动计算机，启动组态软件，进入测试项目界面。启动调节器，设置各项参数，将调节器切换到自动控制。 7、启动水泵P102。
8、设定K=0，然后设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。
9、设定K值，
3.4 实验结果及记录
液位-流量前馈反馈测试曲线如图3.4所示，K=3。
图3.4 液位-流量前馈反馈测试曲线
第二篇：进程控制实验报告
