上海电力学院
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： 班 级： ____ 姓 名： 学 号： 指导教师：
一、课程设计目的
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。
二、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G2(s)2e3s
15s11.35se
25s1上水箱水位对下水箱水位传递函数为G1(s)其它执行器和测量电路的传递函数简化为K = 1
三、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 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 2
四、课题设计及其步骤
第一部分 硬件设计 根据图2系统示意图，硬件设计采用STD总线IPC来进行 伺服放大版 D/A转换板 下水箱水位 上水箱水位板 板 STD（内部）总线 CPU板 键盘及自诊滤波版 内存板 断板 打印机键盘 外部总线
电源 CRT板 显示器 CRT 图2-1-1 IPC硬件组成框图 硬件组成说明：
1、CPU板及打印机、CRT板及CRT、键盘及自诊断板及键盘、内存板、电源、构成了STD工业控制基本系统；
2、自诊断板：使用了WDT看门狗技术，无论何种原因引起死机，自诊断系统能在1s—2s内测出并恢复正常运行，整个计算机系统工作可靠；
3、上、下水箱水位板由计数电路组成，检测检测主、副回路管道送来的水位信号； 4、D/A转换板是水箱水位的驱动口板，计算机系统检测两水箱水位与设定值进行比较，并对其偏差进行PID运算，其运算结果通过D/A转换器由数字量转换为模拟电压信号量输出至
伺服放大板，从而控制主调节阀；
5、伺服放大板：相当于电动单元组合仪表中的伺服放大器，接收来自D/A转换板输出的阀位信号，检测阀的实际位置，若实际位置与D/A转换板输出的阀位有偏差，则阀动作，达到与D/A输出一致的位置后停止，实现计算机系统对调节阀的控制； 6、滤波板：对STD总线有关信号进行滤波处理，提高整个系统的可靠性。
第二部分 软件设计
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：
1、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。 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。运行P3DCS软件，首先进行I/O配置：点击系统数据库图标，进行各参数的点名与说明。由于本次设计要求是双容水箱串级控制系统，所以数值量有上水箱水位PV2、下水箱水位PV1、设定值SP、主控制器输出AO1、副控制器输出AO2、控制器输出AO等，逻辑量有控制器状态DO等。保存后关闭窗口，进行SAMA图组态的制作。如图4所示：
图 4
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。点击SAMA图组态图标，打开SAMA图制作窗口。SAMA图组态用于将系统内部定义的功能算法模块按照逻辑组合起来，编译下装到过程控制站中进行调用和执行。由于本次课程设计是串级回路控制系统，所以我采用系统自带的2个PID功能块、1个M/A手操器功能块和若干线性功能块来构成SAMA图的基本框架。PID1（左）用于控制下水箱水位，PID2（右）用于控制上水箱水位，M/A用于设定下水箱的目标值，线性功能块用于代表被控对象的特性。根据串级回路的结构特点，绘制SAMA图如图5所示：
图 5
将各功能块的参数设为需要的值，并将其与数据库中的数据点一一对应，再用输入输出功能块引出，连接到显示界面。TR为跟踪接口，用于实现控制器的手动/自动的无扰切换。保存后关闭窗口。
4）操作员站显示画面组态
用矩形、棒状图和折线绘制双容水箱、进出水管，阀门等，实时曲线绘制黑色表格。将水箱与对应的数据点连接起来，PV1对应下水箱，PV2对应上水箱，并设定上下限与填充色。实时曲线也同样与数据点对应，设置上下限与颜色，保存文件。其效果图如图6：
图 6
然后绘制操作窗口组态：同样用矩形和棒状图绘制操作器数值显示条，并将其与各模拟数据点一一对应，设置上下限并填充颜色。指示灯用于指示控制器工作状态，6个按钮用于自动控制时增减设定值，手动控制时增减控制器输出。将SAMA图中模块号对应到按钮上，就能实现SP值的便捷修改，方便操作员在发现情况后直接修改参数。手动/自动按钮用于切换控制状态，SP增/减按钮用于自动状态下设定值的增减，AO增/减按钮用于手动状态下控制器输出增减。效果图如图7：
图 7
将操作显示界面与监控界面连接起来，如此一来在操作员站的监控画面下，可以直接点击控制阀来调处操作显示界面，进行参数的调节，或实现手动自动的切换。如图8：
图 8
5）趋势组态
趋势组态用于显示现场数据点的实时/历史趋势。为了方便读取数据，我制作了实时趋势图。点击趋势显示按钮，新建实时趋势显示图，将曲线与数据点对应连接起来，设定上下
限与填充色。
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，P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。
五、课题设计实验结果
1.编译SAMA图，如图9所示。
图 9
2.开始运行（图10）与系统诊断（图11）
图 10 图 11
3. 运行调试结果如图12：
图 12
使用matlab对串级系统经行建模，运用了PI控制。先单独调节副回路，再将副回路放进 主回路一起调整。最后得到两个回路的参数。副回路：K1比例增益=1.2 K2积分时间=0；主回路：K1=1.2 K2=0.25. 4.实时趋势如图13：
图 13
超调量小于5%，系统稳定时间在1.6分钟左右，可见控制的效果还是不错的. 5.监控显示画面效果如图14所示：
图 14
6. 无扰切换：
首先，如果将手动打到自动出现控制器输出变0的情况（图15）：
图 15
其原因在于PID控制器没有进行组态跟踪，添加2个跟踪信号编译如图16：
图 16
最后在手动切到自动时控制器输出不会变化，如图17：
图 17
勿扰切换下，手动方式，增加输入AO,操作员组态如图18；实时曲线如图19所示：
图 18 操作员组态手动方式
图 19 手动方式增加输出
7.加入单位阶跃扰动： SAMA图如图20所示；实时曲线如图21所示。
图 20 单位阶跃扰动SAMA图
图 21 单位阶跃扰动曲线
自动方式下，增加设定值SP，曲线如图22。
图 22 阶跃扰动SP+1
五、实验心得小结
由于之前没有学过DCS软件，不过在老师的PDF的帮助下我很快地就上手了。在绘制SAMA图时由于一开始使用左键连线所以在监控界面曲线没显示之后使用右键将线链接出来解决了问题。在无扰切换的环节时，通过采用2根跟踪信号又解决问题了。通过这次实践课，使我对在自控原理里学到的PID控制方法运用和过程控制中参数整定的加以练习，，又对P3DCS这款软件得到了初步的熟悉。对于今后在工作中奠定了一些契机，也能很好的与理论的知识相结合，与实际的实验结果相比较，更能让我们形象生动的理解并懂得这个实验的原理和PID的控制方法。
六、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
