课程设计报告基于dcs技术水箱水位串级控制系统设计与仿真实现
时间：2020-11-28 20:16:21 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
计算机测控系统课程设计
课 题： 基于DCS技术的水箱水位串级控制
系统设计与仿真实现
专 业： 自动化
班 级： 2008031 ____
一、课程设计目的
通过对水位监控系统的设计和试验，掌握组态软件的应用，以及计算机监控系统的基本组成和实现方法。了解DCS应用过程中的主要工作内容及应该注意的问题，并能根据应用目的，进行分散控制系统的设计组态、调试操作等工作。以P3DCS分散控制系统为平台，完成DCS的组态。
课程设计内容
采用P3DCS系统设计完成水箱水位串级控制系统并进行参数整定和调试，包括数据库组态、SAMA图组态、流程图组态、操作器组态，设计手动和单回路自动控制、串级自动控制等控制方案，并实现手自动无扰切换和报警，设计相应的模拟量控制和逻辑控制方案并实现，进行仿真、参数整定与系统调试。
其中上水箱水位的对象传递函数为
上水箱水位对下水箱水位传递函数为
其它执行器和测量电路的传递函数简化为K = 1
系统概述
两个水箱的串联在工业中运用的非常广泛，上下水箱组成一个串联，这样的一个串联系统跟单容水箱在控制时间上对比有了一定的迟延，这是由于容积迟延造成的，通过在P3DCS组态软件的使用下，设计一个串级控制系统。设计串级回路控制的目的就是在控制系统中加入副回路，从而加快系统的调节速度和增强系统的动态性能。主副回路控制系统的PID参数采用两步整定法，先整定副回路上水箱的PID参数使之达到稳定，然后再整定主回路的参数使之达到稳定的状态。并通过P3DCS组态软件对系统的曲线进行实时监控，调出最优PID参数。
系统的工艺流程如下图（图 1）所示：
图 SEQ 图表 \* ARABIC 1
根据水箱系统的结构，我们设置一个串级控制回路，把下水箱作为串级控制系统的主控制回路，上水箱作为串级的副控制回路。从而得出串级控制系统的方框图如（图2）所示：
图 SEQ 图表 \* ARABIC 2
课题设计及其步骤
本次课程设计主要有两个方面的工作：即是组态设计和系统调试：
组态设计
1）系统配置组态
主要是指DCS中工程师站、操作员站、控制站的主机系统配置信息及外设类型，I/O－卡件信息，电源布置，控制柜内安装接线等。此部分内容作为了解内容，不进行具体组态。
2）实时数据库组态
数据库组态是系统组态中应尽早完成的工作，因为只有有了数据库，其他的组态工作（控制回路组态、画面组态等）才可以调试。数据库组态一般通过专用软件进行，数据录入时一定要认真仔细，数据库中一个小的错误就会给运行带来极大的麻烦，如造成显示错误、操作不当甚至死机故障。
先进行“系统数据库”的建立，建立好之后如下图（图 3）：
图 SEQ 图表 \* ARABIC 3
3）控制算法组态
控制算法组态指的是将系统设计时规定的模拟量控制、开关量控制等功能用DCS算法予以实现。本设计以水箱水位高度串级控制策略为对象，并且模拟控制对象，构成闭环回路，完成这些控制算法的组态工作，即运行“SAMA图组态”来完成控制算法组态。如图4：
图 SEQ 图表 \* ARABIC 4
4）操作员站显示画面组态
通过“图形界面组态”来设计需要显示的画面组态，运行人员主要通过操作员站画面来观察生产过程运行情况，并通过画面提供的软操作器来干预生产过程，因此画面设计是否合理、操作是否方便都会对运行产生重要影响。本设计要求设计关于水位控制的简单流程图画面、趋势画面、参数显示画面、操作画面，并把有关的动态点同控制算法连接起来。
流程界面组态图：
图 SEQ 图表 \* ARABIC 5
操作窗口组态图（图6）：
图 SEQ 图表 \* ARABIC 6
5）趋势组态
通过“趋势显示”可以来设计所需要观察的数据点的连接并且观察到该数据点数据变化的波形。实时趋势如下图：
2、系统调试
设计要求进行动态调试。所谓动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。由于生产过程已经处于运行或试运行阶段，此时应以观察为主，当涉及到必需的系统修改时，应做好充分的准备及安全措施，以免影响正常生产，更不允许造成系统或设备故障。动态调试一般包括以下内容：
1）观察过程参数显示是否正常、执行机构操作是否正常；
2）检查控制系统逻辑是否正确，并在适当时候投入自动运行；
3）对控制回路进行在线整定；
4）当系统存在较大问题时，如需进行控制结构修改、增加测点等，应尽量在停机状态下重新组态下装。若条件不允许，也可进行在线组态，但要熟悉在线组态的各个环节并做好应急措施。
（1）PID参数整定
1）断开主回路，用衰减曲线法，整定内回路副调节器，PI作用。反复调整，做定值阶跃扰动实验，直到衰减率ψ＝0.75~0.9。
2）闭合主回路，用衰减曲线法，整定外回路主调节器，PI作用，反复调整主调节器并做定值阶跃扰动实验，直到衰减率ψ＝0.9。记下比例带δＳ，测量上升时间ｔｒ。按照公式计算PID参数。
3）按计算参数设置PID，做定值阶跃扰动，观察曲线。
4）细调主副调节器参数，直到满意为止。
课题设计实验结果
不同PID参数下不同的响应曲线
1）主控制器比例增益K1=1，积分时间K2=0.25（分），微分时间K3=0（分），微分增益=1,如控制器参数为：K1=2，积分时间为0.25（分），K3=0(分)，微分增益=1，波形如下，可见控制效果很好。
图 SEQ 图表 \* ARABIC 7
其他参数不变，只让主PID控制器积分时间K3=1（分）时，波形如下，可见加微风作用之后波形平滑了但变慢了。
图 SEQ 图表 \* ARABIC 8
再让K3=4（分），这时波形如下：
图 SEQ 图表 \* ARABIC 9
给副调节器加上微风作用后波形如下，可见给内回路加微分作用反而不好。
图 SEQ 图表 \* ARABIC 10
把副控制器的微分作用去掉后，将比例增益K1变大为8时内回路控制量出现等幅震荡(如图11), 可见副回路的比例增益不宜过大。
图 SEQ 图表 \* ARABIC 11
当把主PID积分时间改小为0.1时，波形如下（图12）：
图 SEQ 图表 \* ARABIC 12
可见积分时间也不能太小，太小会比较震荡，调整时间变得较长。经过多次尝试，得到最理想的参数为：主控制器比例增益K1=2，积分时间K2=0.15（分），微分时间K3=0（分），微分增益=1,如控制器参数为：K1=3，积分时间为0.25（分），K3=0(分)，微分增益=1，对应波形如图13所示。
图 SEQ 图表 \* ARABIC 13
实验心得小结
实验中在SAMA图组态，流程图组图以及PID参数调整方面花的时间较多，为了较理想的输出曲线而反复的测试，SAMA图组态中遇到了的困难，就看软件自带的帮助文档，上网查资料，同学帮助等，总之通过本次课程设计，学到很多东西，比如掌握了DCS软件组太的方法，设计调试步骤及应该注意的问题，以后工作上遇到不会东西，用这样的通过看相关文档和上网查资料的探索的方法，或向别人寻求帮助等多种方法，也会很有用。在实验中遇到了一些现在仍然没有解决的问题，如PID模块的每个输入输出端口的含义，及如何连接，这个在文档里找不到。P3DCS软件的历史数据库组态和历史趋势组态用不了。而且我们没有真正地用于控制，如果真的用于实际控制，那外面的信号如何接入？控制信号如何输出到响应机构去？组态好的控制算法怎么下载到下位机去执行？这些问题，还需要再做进一步的学习。总的来说，与真正的实践是相近了，收获还是比较大的。
参考文献
[1] 周洪煜 现代火电厂计算机控制系统 重庆大学出版社
[2] 翟永杰 王学厚 张悦 火电厂分散控制系统原理与应用 中国电力出版社
[3] 王再英 刘淮霞 陈毅静 过程控制系统与仪表 机械工业出版社
