過程控制系統實驗平臺的建立與開放研究

劉成云，陳振學

(山東大學控制科學與工程學院，山東 濟南 250061)

“計算機控制系統”課程需要通過實驗環節來幫助加深和理解，我院建立了A3000高級過程控制系統實驗平臺，用作工廠工業過程控制系統的現場模擬。這個綜合實驗測試平臺是以工業現場工藝設備為背景，以自動化教學要求和自動化工程師認證技能測試要求為依據而建立的[1-4]。它可以模擬工業生產過程中的液位、流量、壓力及溫度等物理變量，并對這些變量進行控制、測量及觀測。學生可以通過該實驗平臺加深對課堂所學理論知識的深入理解，運用所學知識解決工程實際問題，從提高動手能力、實際工作能力以及工程意識和操作技能。

1 A3000實驗平臺的結構組成

1.1 實驗裝置

A3000過程控制系統包括現場系統和控制系統兩部分，其結構如圖1所示。現場系統包括3個水箱、1個大貯水箱、1個鍋爐、1個工業用板式換熱器，1套滯后時間可以調整的滯后系統和2個水泵。

圖1 A3000過程控制系統結構

控制系統包括:AS3010智能儀表控制系統、AS3020控制系統、研華PCI-1711多功能卡控制系統和AS3230 PLC控制系統。

AS3010智能儀表控制系統包括福光百特內給定智能調節儀1臺和外給定智能調節儀1臺。該系統由24V直流電驅動，可以通過RS485-RS232轉換器連接到計算機或者通過RS485經以太網轉換連接到上位機。

AS3020控制系統包括研華 ADAM4017、ADAM4024和ADAM4050模塊。24V直流電驅動，通過RS485轉換到以太網，再將數據傳到上位機。

PCI-1711是一款功能強大的低成本多功能PCI總線數據采集卡，具有12位16路單端輸入，采樣率可達100KS/s，有2路模擬量輸出通道和板載1K采樣FIFO緩沖器。每個輸入通道的增益可編程為自動通道/增益掃描。

AS3230 PLC控制系統是以西門子S7-300 PLC為控制器，亞控組態王為上位監控軟件的過程控制系統。

上述的四個控制系統是各自獨立的，同一個實驗可用這四個控制系統分別來做，都能達到相同的效果。但針對我院自動化專業學生學習“計算機控制系統”理論課的實際，我們主要采用AS3010智能儀表控制系統。學生可自己動手調節P、I、D三個參數，能深刻理解在具體的控制系統實驗中比例參數、積分參數和微分參數的作用。

1.2 實驗軟件

A3000過程控制系統使用的組態軟件，是亞控科技公司的組態王6.5。它是運用于Windows 98/2000/NT/XP中文平臺的人機界面軟件，運用多線程和COM+組件等新技術，實現了實時多任務，軟件運行穩定可靠。

2 上機實驗

本實驗系統可以開設單容下水箱液位調節閥PID單回路控制、流量變頻器PID單回路控制及壓力調節閥PID單回路控制等基本控制實驗，還可開設流量液位串級及流量比值控制等復雜型控制實驗以及自適應PID算法的研究等創新型實驗。限于篇幅，本文以單容下水箱液位調節閥PID單回路控制實驗為例，介紹系統的操作過程。

2.1 單容下水箱液位PID控制

單容下水箱液位控制的流程圖如圖2所示。如圖所示的水介質由泵P101從水箱V104中加壓獲得壓頭，經由調節閥FV-101進入水箱V103，再通過手閥QV-116回流至水箱V104而形成水循環。其中，水箱V103的液位由LT-103測得，用調節手閥QV-116的開啟程度來模擬負載的大小。本例為定值自動調節系統，FV-101為操縱變量，LT-103為被控變量，采用PID調節來完成。

圖2 單容下水箱液位調節閥PID單回路控制

2.2 實驗操作過程和調試

1)首先編寫比例控制器算法程序，下裝調試;再編寫測試組態工程，連接控制器，進行聯合調試。啟動計算機組態軟件后，進入測試項目界面。啟動調節器，設置各項參數，可將調節器的手動控制切換到自動控制。再設置比例參數。觀察計算機顯示屏上的曲線，待被調參數基本穩定于給定值后，可以開始加干擾測試。等系統穩定后，對系統加擾動信號(在純比例的基礎上加擾動，一般可通過改變設定值實現，也可以通過支路1增加干擾)。記錄曲線在經過幾次波動穩定下來后，系統有穩態誤差，并記錄余差大小。還可以減小和增大P來觀察過渡過程曲線。選擇合適P值后可以得到較滿意的過渡過程曲線。改變設定值同樣可以得到一條過渡過程曲線。

2)在比例調節實驗的基礎上，加入積分作用，即在界面上先設置I參數不是特別大的數。固定比例P值(中等大小)，改變PI調節器的積分時間常數值Ti，然后觀察加階躍擾動后被調量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調量σp。固定I于某一中間值，然后改變P的大小，觀察加擾動后被調量輸出的動態波形，據此列表記錄不同值Ti下的超調量σp。選擇合適的P和Ti值，使系統對階躍輸入擾動的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設定值(如設定值由50%變為60%)來獲得。

在PI調節器控制實驗的基礎上，再引入適量的微分作用，即把軟件界面上設置D參數，然后加上與前面調節時幅值完全相等的擾動，記錄系統被控制量響應的動態曲線。選擇合適的P、Ti和Td，使系統的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線。

2.3 實驗測試結果

設置實驗系統的下閘板頂到槽頂距離(開度)5-6mm。比例控制器控制曲線如圖3所示。多個P值的控制曲線繪制在同一個圖上。由圖3可見P=16時，有振蕩趨勢，P=24比較好。余差大約是8%。

圖3 比例控制器控制曲線

圖4是PI控制器控制曲線，選擇P=24，然后把I從1800逐步減少。實驗過程中可見I的大小對控制速度影響已經不大。從I=5時出現振蕩，并且難以穩定了。I的選擇很大，8-100都具有比較好的控制特性，該實驗依據臨界條件，選擇I=8到20之間。

PID控制器控制曲線如圖5所示。由圖可見P=24，I=20，D=2或4都具有比較好的效果。從控制量來看，P=24，I=8，D=2 比較好。

圖4 PI控制器控制曲線

圖5 PID控制器控制曲線

從上述三個控制器單獨作用的實驗可以看出:PID控制中P，I和D三個參數的各自作用和對整個控制系統的影響。比例調節器的輸出信號與輸入信號成比例關系，只要輸入出現偏差，調節器就能及時產生與輸入成比例的控制信號。比例調節的作用主要取決于比例系數P。而P大調節作用強而且動態性能好，但P太大會引起自激震蕩。

由圖3可知，由于余差的存在降低了調節精度，消除余差的方法就是增加積分調節作用，從而采用了圖4的PI調節器，積分的存在使執行器在調節器的輸出作用下不斷變化，直到達到新的穩定值并消除余差。可見PI調節器能夠將比例調節的快速性與積分調節消除靜差的作用結合起來，改善了系統的靜態和動態特性。而圖5采用的PID控制器，對輸入采樣信號首先是施加比例微分調節規律，產生強烈快速的調節作用，然后再施加積分作用消除輸出余差。不論是從靜態特性還是動態特性看，使用PID調節規律都使調節品質得到很好的改善[5]。

學生通過這一實驗不僅可以提高動手能力，而且以比例度、控制器輸出以及偏差三者的關系為基點很好地理解了控制精度、穩定性、飽和特性和控制器的初值等問題。

3 結語

A3000過程控制實驗系統的建立給本院自動化專業學生提供了一個良好的學習平臺。它具有強大的實驗功能，包含新穎性、實用性、創造性和綜合性的實驗內容，克服了傳統實驗的不足，為進行工程設計打下堅實的基礎。學生通過實驗掌握了過程控制與集散系統的基本原理、技術和方法等知識，能比較全面地掌握知識結構，培養更新的科學思維和更強的科技創新能力，為提高學生的科研素質提供了良好的條件。學生對該系統平臺使用后的反映較好，尤其是它的全天侯開放深受全院自動化和測控專業學生的歡迎。

[1]方康玲，潘煉.過程控制系統[M].第2版.武漢:武漢理工大學出版社，2007.

[2]李正軍.計算機控制系統[M].北京:機械工業出版社，2007.

[3]吳堅，趙英凱.計算機控制系統[M].武漢:武漢理工大學出版社，2002.

[4]劉成云.“生產過程控制及應用”實踐課教學探討[J].南京:電氣電子教學學報，2012，34(3):69-73.

[5]余雷，張茂青，費樹岷.“計算機控制技術”課程PID控制部分的教學[J].南京:電氣電子教學學報，2012，34(2):104-106.