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自动化093 戴鹏0902100637 实验一 网络化控制系统的构成及投运和 系统控制质量的研究 一、实验目的 1、了解工业控制网络的结构，掌握远程测控系统的组成、信息传输方式、数据的采集和系统的控制。 2、熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。 3、掌握单回路控制系统的投运及PID参数整定的方法，定性地研究P、PI和PID控制器的参数对系统控制品质的影响。 二、实验设备 1、A3000－FS现场总线型过程控制现场系统 4套 2、A3000－CS上位控制系统 4套 三、实验要求 1、熟悉A3000高级过程控制系统实验装置（包括A3000-FS和A3000-CS两部分），了解其工艺流程，掌握各种传感器、变送器、控制器、执行器及计算机控制系统与网络系统等的功能和应用。 2、控制A3000实验装置上某个水箱液位，构建一个双容液位远程测控系统。要求所构建的控制系统控制性能指标（采用单项指标评定）：过渡过程时间ts=50～100（s）、余差e(∞)=0。 3、确定控制方案，选择控制系统，并画出系统原理方框图、网络结构图和系统接线图。 系统：DDC控制系统、DCS控制系统或FCS控制系统； 控制器：智能仪表、PLC控制器、PC机、变频器和虚拟仪器等； 执行器：调节阀、变频器。 4、任选用一种组态软件（如：力控、组态王、MCGS或LabVIEW等） 控制系统的控制方案：被控变量为水位h，操纵变量为调节阀FV101控制的水流入量Qi。水箱流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。在实验中分别采用P、PI、PID控制策略，观察控制效果，比较控制品质。 3、控制系统的原理方框图 如图1-2所示： 图1-2 双容水箱液位定值控制实验逻辑图 4、控制系统的网络结构图： I/O设备组态 数据库组态 PID手操器设置 液灌 趋势图 5、控制系统的投运及运行 设置好控制器的正、反作用和P，I，D参数； 按无扰动切换的要求将控制器从“手动”入“自动”状态。 根据经验法：控制器的P=12、I=25、D=20，运行后可得下图系统曲线。 远程控制的系统图及曲线如下： 结果分析：根据PID控制的特性调节参数，使系统达到较满意的状态。加阶跃信号后观察系统的动态性能，由曲线和响应数据得延迟时间Td=20s,调节时间Ts=70s,超调量为1%(最大峰值49.5cm)。通过增加比例系数克服扰动，但比例系数的加大会使调节速度加快，曲线变陡，造成调节阀动作幅度的加大，引起被调量的来回波动。因为在调节参数中加大了积分的作用，降低了系统的稳定程度，使得超调量加大，但对消除余差有较好效果。在计算机中改变PID参数后，调节阀不能很快动作，特别是在下降到接近阶跃输入设定值时，调节阀输出值减少过慢，使液位超过设定值后仍在下降会造成超调增大。且调节阀本身存在死区，使得调节时间加长，系统不易稳定。但是通过PID参数整定，使系统获得较满意的曲线图，最后可从曲线图中看出，系统的检测值与设定值一致，基本偏差。达到了实验要求的性能指标。 五、思考问题 分析积分量I与被控系统的响应时间有什么关系。如果减少系统被控对象的容积，那么对控制系统的I是应该增大还是减少？ 答：积分作用越强系统响应时间越快；反之，积分作用越弱系统响应时间越长。当减少系统被控对象的积容时，控制系统的积分作用应该减少。 单容液位控制系统的被控对象时间常数TP和KP的大小取决于什么？ 答：确定比例增益P时，首先去掉PID的积分项和微分项，使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益，直至出现震荡；在反过来，从此时的P逐渐减小，直至系统震荡消失，记录此时的P，设定此PID的比例增益为当前PID的60%~70%。此时P调试完成。 DDC、DCS和FCS控制系统的结构有何不同？ 答：（1）、DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统） 目前DDC控制系统常采用的网络结构有两种，即Bus总线结构和环流网络结构。其中Bus总线结构是所有DDC控制器均通过一条Bus总线与集中控制电脑相连，对于环流网络结构，它是利用两根总线形成一个环路，每一个环路可带数个DDC控制器，多个环路之间通过环路接口相联，因此这种系统最大优点就是扩充能力较强。 采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号，减少大量导线，提高了可靠性和抗干扰能力。FCS从传感器、变送器到调节器一直是数字信号，越大，系统的响应速度越快，系统的调节