中国石油大学过程控制实习报告
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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： 转发卡型号 地址 说明 XP233 00 模拟量输入数据转发卡
XP233 02 模拟量输出数据转发卡
XP233 04 开关量数据转发卡
（2） I/O卡件组态以及I/O点组态： 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： ① ② 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
dHAQQdt 11211
1
HQKH
2112o
dHAQQdt 2222o
HQKH
最终可化简得到： 221122()()(1)(1)i
HSQSASAS
,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
11.86()1681GSS
下水箱的二阶模型：70.15%48.3%60%50%k=2.185，=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 10.35(0.32,0.46)2tt,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)456.5TTtt
21212
1(1.74*0.55)()2TTtTTt
可解得：T1=423.7,T2=32.8 422.185()(423.71)(32.81)seGSSS
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
y（T）=0.632*(56.6%-40%)=50.6% T=186s 321.63()1861seGSS
由建立的一阶和二阶对象可知：12()()()GSGSGS,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%=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：
