过程控制系统实验平台的建立与开放研究

刘成云，陈振学

(山东大学控制科学与工程学院，山东 济南 250061)

“计算机控制系统”课程需要通过实验环节来帮助加深和理解，我院建立了A3000高级过程控制系统实验平台，用作工厂工业过程控制系统的现场模拟。这个综合实验测试平台是以工业现场工艺设备为背景，以自动化教学要求和自动化工程师认证技能测试要求为依据而建立的[1-4]。它可以模拟工业生产过程中的液位、流量、压力及温度等物理变量，并对这些变量进行控制、测量及观测。学生可以通过该实验平台加深对课堂所学理论知识的深入理解，运用所学知识解决工程实际问题，从提高动手能力、实际工作能力以及工程意识和操作技能。

1 A3000实验平台的结构组成

1.1 实验装置

A3000过程控制系统包括现场系统和控制系统两部分，其结构如图1所示。现场系统包括3个水箱、1个大贮水箱、1个锅炉、1个工业用板式换热器，1套滞后时间可以调整的滞后系统和2个水泵。

图1 A3000过程控制系统结构

控制系统包括:AS3010智能仪表控制系统、AS3020控制系统、研华PCI-1711多功能卡控制系统和AS3230 PLC控制系统。

AS3010智能仪表控制系统包括福光百特内给定智能调节仪1台和外给定智能调节仪1台。该系统由24V直流电驱动，可以通过RS485-RS232转换器连接到计算机或者通过RS485经以太网转换连接到上位机。

AS3020控制系统包括研华 ADAM4017、ADAM4024和ADAM4050模块。24V直流电驱动，通过RS485转换到以太网，再将数据传到上位机。

PCI-1711是一款功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡，具有12位16路单端输入，采样率可达100KS/s，有2路模拟量输出通道和板载1K采样FIFO缓冲器。每个输入通道的增益可编程为自动通道/增益扫描。

AS3230 PLC控制系统是以西门子S7-300 PLC为控制器，亚控组态王为上位监控软件的过程控制系统。

上述的四个控制系统是各自独立的，同一个实验可用这四个控制系统分别来做，都能达到相同的效果。但针对我院自动化专业学生学习“计算机控制系统”理论课的实际，我们主要采用AS3010智能仪表控制系统。学生可自己动手调节P、I、D三个参数，能深刻理解在具体的控制系统实验中比例参数、积分参数和微分参数的作用。

1.2 实验软件

A3000过程控制系统使用的组态软件，是亚控科技公司的组态王6.5。它是运用于Windows 98/2000/NT/XP中文平台的人机界面软件，运用多线程和COM+组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。

2 上机实验

本实验系统可以开设单容下水箱液位调节阀PID单回路控制、流量变频器PID单回路控制及压力调节阀PID单回路控制等基本控制实验，还可开设流量液位串级及流量比值控制等复杂型控制实验以及自适应PID算法的研究等创新型实验。限于篇幅，本文以单容下水箱液位调节阀PID单回路控制实验为例，介绍系统的操作过程。

2.1 单容下水箱液位PID控制

单容下水箱液位控制的流程图如图2所示。如图所示的水介质由泵P101从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV-101进入水箱V103，再通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环。其中，水箱V103的液位由LT-103测得，用调节手阀QV-116的开启程度来模拟负载的大小。本例为定值自动调节系统，FV-101为操纵变量，LT-103为被控变量，采用PID调节来完成。

图2 单容下水箱液位调节阀PID单回路控制

2.2 实验操作过程和调试

1)首先编写比例控制器算法程序，下装调试;再编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。启动计算机组态软件后，进入测试项目界面。启动调节器，设置各项参数，可将调节器的手动控制切换到自动控制。再设置比例参数。观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰测试。等系统稳定后，对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现，也可以通过支路1增加干扰)。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。还可以减小和增大P来观察过渡过程曲线。选择合适P值后可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值同样可以得到一条过渡过程曲线。

2)在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上先设置I参数不是特别大的数。固定比例P值(中等大小)，改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。固定I于某一中间值，然后改变P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值Ti下的超调量σp。选择合适的P和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值(如设定值由50%变为60%)来获得。

在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把软件界面上设置D参数，然后加上与前面调节时幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。选择合适的P、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。

2.3 实验测试结果

设置实验系统的下闸板顶到槽顶距离(开度)5-6mm。比例控制器控制曲线如图3所示。多个P值的控制曲线绘制在同一个图上。由图3可见P=16时，有振荡趋势，P=24比较好。余差大约是8%。

图3 比例控制器控制曲线

图4是PI控制器控制曲线，选择P=24，然后把I从1800逐步减少。实验过程中可见I的大小对控制速度影响已经不大。从I=5时出现振荡，并且难以稳定了。I的选择很大，8-100都具有比较好的控制特性，该实验依据临界条件，选择I=8到20之间。

PID控制器控制曲线如图5所示。由图可见P=24，I=20，D=2或4都具有比较好的效果。从控制量来看，P=24，I=8，D=2 比较好。

图4 PI控制器控制曲线

图5 PID控制器控制曲线

从上述三个控制器单独作用的实验可以看出:PID控制中P，I和D三个参数的各自作用和对整个控制系统的影响。比例调节器的输出信号与输入信号成比例关系，只要输入出现偏差，调节器就能及时产生与输入成比例的控制信号。比例调节的作用主要取决于比例系数P。而P大调节作用强而且动态性能好，但P太大会引起自激震荡。

由图3可知，由于余差的存在降低了调节精度，消除余差的方法就是增加积分调节作用，从而采用了图4的PI调节器，积分的存在使执行器在调节器的输出作用下不断变化，直到达到新的稳定值并消除余差。可见PI调节器能够将比例调节的快速性与积分调节消除静差的作用结合起来，改善了系统的静态和动态特性。而图5采用的PID控制器，对输入采样信号首先是施加比例微分调节规律，产生强烈快速的调节作用，然后再施加积分作用消除输出余差。不论是从静态特性还是动态特性看，使用PID调节规律都使调节品质得到很好的改善[5]。

学生通过这一实验不仅可以提高动手能力，而且以比例度、控制器输出以及偏差三者的关系为基点很好地理解了控制精度、稳定性、饱和特性和控制器的初值等问题。

3 结语

A3000过程控制实验系统的建立给本院自动化专业学生提供了一个良好的学习平台。它具有强大的实验功能，包含新颖性、实用性、创造性和综合性的实验内容，克服了传统实验的不足，为进行工程设计打下坚实的基础。学生通过实验掌握了过程控制与集散系统的基本原理、技术和方法等知识，能比较全面地掌握知识结构，培养更新的科学思维和更强的科技创新能力，为提高学生的科研素质提供了良好的条件。学生对该系统平台使用后的反映较好，尤其是它的全天侯开放深受全院自动化和测控专业学生的欢迎。

[1]方康玲，潘炼.过程控制系统[M].第2版.武汉:武汉理工大学出版社，2007.

[2]李正军.计算机控制系统[M].北京:机械工业出版社，2007.

[3]吴坚，赵英凯.计算机控制系统[M].武汉:武汉理工大学出版社，2002.

[4]刘成云.“生产过程控制及应用”实践课教学探讨[J].南京:电气电子教学学报，2012，34(3):69-73.

[5]余雷，张茂青，费树岷.“计算机控制技术”课程PID控制部分的教学[J].南京:电气电子教学学报，2012，34(2):104-106.