PID 参数整定实训

76第三篇全仿真过程控制系统实训（PID参数整定实训）实习平台：北京化工大学MPCE-1000过程控制系统设计仿真系统77第一部分测试基本操作单元本测试基本操作单元是用于自动化系统工程师资格认定（AutomationSystemEngineerAccreditation，以下简称ASEA）控制技能测试的专用设备。控制技能测试基本操作单元是一种多功能过程与控制仿真实验系统，该系统以模块化方式运行，能够任意组合多种控制方法和控制方案，并针对多种不同动态特性的过程对象进行操作与控制实验。本测试系统，通过将小型半实物过程系统、微机控制系统与全数字仿真技术结合，实现了集多种实验功能于一身、真实感强、一机多用、既可以进行初级与中等复杂程度的过程与控制实验、也可以进行高级复杂的过程与控制实验,达到了使用方便、维修简单、节能、安全、环保等理想实验系统的要求，被誉为“绿色实验系统”。本测试基本操作单元主要面向过程控制，即从事过程工业自动化领域工程师的技能测试。过程工业（processindustry）又称流程工业，过程工业覆盖的工业领域很广,例如,石油炼制、石油化工、天然气加工、化学工业、煤气工业、冶金焦化、污水处理、火力发电、核动力发电、造纸工业、建材水泥、化纤工业、食品加工、制药与生物化工等。过程工业在国民经济中占有极其重要的地位。过程工业的著特点是由一系列定型单元操作设备通过管道而组合成复杂系统，原料经一定工艺流程输出最终产品，它们具有连续运行的特征和工艺、设备、控制、操作、管理等多方面的共同规律，也是易燃、易爆、有毒和易发生事故的工业系统。常见的单元操作有：离心泵、蒸汽轮机、透平压缩机、往复压缩机、储罐、热交换器、加热炉、间歇反应器、连续反应器、过滤器、蒸发器、干燥器、精馏塔、吸收塔等。常见的过程控制系统部件有：控制阀、变送器、检测单元、可编程序控制器（PLC）或集散型控制系统（DCS）等。随着过程工业的大型化、现代化水平的提高，对自动化系统工程师的专业技术水平的要求也越来越高，工程师所作的设计或所负责运行的整个生产过程控制系统，必须是安全的、稳定的；同时应当使得操作状态达到和保持生产成本最低、利润最大等最优工况；此外还应考虑节能和环境保护等要求。ASEA实践技能测试环节，主要是考核工程师的基本技能是否达到。过程控制的基本技能包括如下方面。（1）在熟悉流程、熟悉操作规程的前提下，能够较准确地识别过程系统的动态特性，主要是识别流量、物位（液位）、压力、温度和成分五种变量的动态特性。动态特性以测定时间常数、获取阶跃响应曲线、分析响应曲线为主。（2）在了解系统特性的基础上，能够快速掌握DCS模式组态方法，采用控制系统软件组态技术，设计合理的控制系统，判明正确的控制规律。控制方法以简单控制、常用复杂控制为主。（3）在具有对控制系统和过程系统综合仿真功能的装置上（由于不可能也不允许在真实工厂试验）正确地调试和投运所设计的控制系统。控制系统调试以常用PID参数整定方法为主。（4）能够用简明的方法验证控制方案的可行性和有效性。第一单元控制技能测试系统ASEA控制技能测试专用实验系统由小型流程设备盘台、数字式软仪表与接口硬件、系统监控软件及过程模型软件四部分组成。四部分通过小型实时数据库、实时数字通信协调运行，完成复杂的过程与控制模拟实验。78一、小型流程设备盘台见图1-1所示，在钢结构的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小的流程设备模型。主设备包括：一台卧式储罐、两台高位计量罐、一台带搅拌器的釜式反应器、一台列管式热交换器、三台离心泵、十个手动/自动双效阀门和若干管路系统。在垂直的仪表盘面上分布有压力（P）、流量（F）、温度（T）、物位（L）、功率（N）、组成（A）和阀位（V）等传感器（变送器）插孔和数字式软仪表。本盘台是直接操作和运行过程系统的环境。本环境给操作员以全真实的空间位置感觉、全真实的操作力度感觉和过程变化的时间特性感觉。由于真实过程装置的压力、流量、温度、物位、功率、组成也是无法直接观察的，必须通过仪表检测，因此，本系统和真实系统的观测界面完全一致。图1-1控制技能测试系统小型流程盘台外观1.盘台检测点、操作点与控制点见图1-2所示，小型流程盘台上可以变化组合的检测点、操作点与控制点统计如下：（1）电子阀：10个（V1V10，既能定义为手动阀门，也能定义为控制阀）（2）电子开关：4个（S2、S4、S5、S8）（3）开关阀：4个（S1、S3、S6、S7，用于快开特性阀门的操作）（4）流量检测点：10个（F1F10）（5）液位检测点：4个（L1L4）（6）压力检测点：7个（P1P7）（7）温度检测点：6个（T1T6）（8）功率检测点：1个（N）（9）组份检测点：1个（A）（10）指示灯：2个（D1、D2）79图1-2控制实验系统流程2.彩色液晶显示器是一台大尺寸(17吋)高分辨率彩色液晶显示器，安装在盘台左上方（见图1-1所示）。液晶显示器上自动显示十五个任意选定的指示仪表。其中最上排设有五个“棒图”显示仪。当用两端有插头的黑色软线将流程中的变量传感器测量点连接到液晶显示器下方的上数第一排15号黑色插孔时，被检测变量即被指定到对应的五个“棒图”显示仪中的某一个，包括变量位号、上下限指示都自动被指定并立即显示。上数第二排和第三排615号黑色插孔对应十个“数字”显示仪，直接进行变量数值显示。这种显示方式具有很大地灵活性，使用者可以通过黑色软线将盘台上的任一个变量连接到任一个指示仪表上读取数据。3．标准模拟量输出和输入接口本测试系统可以通过直流420mA国际标准A/D、D/A信号与集散型控制系统DCS、可编程序控制器PLC、基于PC的控制系统等连接。启用本功能必须在组态时定义为“外控方式”。在外控方式下，液晶显示器上十五个任意选定的指示仪表，不但与液晶显示器下面115号黑色插孔有一一对应关系，而且还与盘台左侧面小窗口内的接线端子排有一一对应关系。对应关系见图1-3。当外接控制系统需要通过420mA国际标准信号获取盘台上的某一个指定变量数据时，应先将该变量用黑色软线连接到对应的115号黑色插孔中的某一个，然后从接线端子排对应排号用导线连接到外接控制器。在外控方式下，液晶显示器下面15号红色插孔（见图1-2所示）被启用。目的是将外接控制器的控制输出信号接收过来，并连接到指定的控制阀。连接方法是用两端有插头的红色软线将指定的控制阀上的红色插孔与15号红色插孔中的某一个相连。15号红色插孔与盘台左侧面小窗口内的接线端子排也有一一对应关系。对应关系见图1-3。80图1-3标准模拟量输出和输入接口端子排编号二、动态数学模型软件本测试系统采用动态定量数学模型模拟真实工艺流程，并提供各变量随时间变化的瞬态值。具体分为以下五种流程的动态仿真模型：（1）离心泵及三级液位动态仿真模型（2）压力系统动态仿真模型（3）热交换器过程动态仿真模型（4）连续反应（CSTR）动态仿真模型（5）间歇反应动态仿真模型为了高逼真地进行过程的开、停车、正常运行和故障状态的操作及控制，本系统的数学模型考虑了如下几个重要方面。（1）动态模型应能反映被仿真装置的实际尺寸，包括设备尺寸、管道尺寸、阀门尺寸等，能反映系统物料和能量的变化与传递的定量关系。（2）动态模型能反映被仿真系统的物理化学变化的规律，如反应动力学特性、气液平衡特性、这些特性常常是非线性的。（3）动态模型能反映被仿真系统的动态时间常数、惯性、时间滞后、多容和高阶特性。（4）动态模型的求解速度达到实时要求、求解精度满足实验要求。为了进行复杂的控制实验，除了过程模型外还特别开发了常用控制算法模块库，例如，PID控制器，传递函数、外作用函数、限幅器、算术运算器、选择器、继电器特性、随机信号器等，可以方便地通过“软连接”构造多种多样的控制系统。配合小型专用实时数据库及高速模型计算技术，本实验系统中的动态数学模型软件能够在监控软件的控制下完成过程系统的实时仿真计算。81三、控制系统图形组态软件为了灵活地设计组合多种多样的控制方案，本实验系统提供自行开发的、专用的控制系统图形组态软件。能够在计算机“桌面”上通过图形软连接、在“菜单”提示下填写参数和数据等方法完成控制系统组态。这种组态方法与集散型控制系统（DCS）组态完全相同，并进一步增加了控制算法的组态设计功能。也就是说集成了DCS和MATLAB的双重功能，并且更直观、更简明、更符合控制技能测试的要求。控制系统图形组态软件提供以下具体功能。（1）提供常见的PID控制算法，允许配置参数。（2）控制方案的组态设计功能，允许自行设计控制方案，包括控制与被控制变量的选择、算法的选择以及复杂控制实验等。（3）控制算法的组态设计功能，提供两种方式的控制算法组态：提供图形化控制算法组态工具，可以对通道模型、非线性环节、逻辑算法及传递函数等进行自定义；提供标准DLL工程，将其它计算机语言所写的控制算法动态链接到当前控制回路中。（4）信号发生器组态。提供常用的信号发生器，对当前的现场信号进行叠加。（5）信号输出组态。提供信号输出显示、历史趋势记录、文件保存等功能，以便进行信号后处理。（6）提供响应曲线图形分析的辅助功能，例如作水平和切线辅助线、曲线的二维任意放大缩小、任意移动位置、任意读取时间和参数坐标值等，大大方便了测试分析工作。（7）通过组态定义可以实现狭义对象特性测试和广义对象特性测试。这是其它实验系统所无法实现的功能。为了方便使用，控制系统图形组态软件具有错误组态方案的自诊断功能。当组态的方案不合理时，软件能给出提示。此外，还具有智能化自动排序功能。本软件采用深层知识“专家系统”推理方法，对组态生成的控制系统计算顺序进行优化排序，能够保证计算结果的准确性。四、实验系统监控软件盘台上的所有操作点和显示变量都能由软件控制，可以在瞬间设定新的状态，称其为状态“全恢复”功能。本功能是测试实验系统的一大特色，利用本特点可以任意设定干扰、故障状态或某一特定状态、重演过去记录的状态及某时间段落的变化状态等。测试实验系统监控软件对每一项实验提供工程管理，便于选择不同的实验，以及对当前的实验进行管理。具体分为以下功能。（1）实验开始、暂停、恢复及自检验功能；（2）实验项目切换；（3）实验项目当前状态（又称为“快照”）存储；（4）运行时参数的随机或动态改变；（5）多画面切换。五、测试系统硬件功能1．传感器（即变送器）信号（4～20mA）输出及控制阀信号（4～20mA）输入。可以外接DCS控制系统、PLC控制器、或其他具有4～20mA标准工业信号的控制设备。2．硬件组态功能。在液晶显示器上彩色显示15个数据单元（5个棒图显示和10个数码显82示），每个显示单元都有一个数据输入黑色插孔。另外在设备和管道上布置了29个数据输出插孔。通过导线连接数据输入插孔和数据输出插孔，则完成了对显示单元显示数据内容的硬件组态。当“外控方式”时，5个自动阀控制输出红色插孔，可以连接任意的阀门控制输入插孔。连接后该阀门设定为自动阀（此时手动操作不能改变阀位）。3．测试和操作单元的自摘除功能。在本系统上可以完成规模不同的试验，每次进行试验的过程中投入使用的设备种类和数量可以通过组态软件定义。没有通过组态软件定义的数据采集点不能进行数据采集，该设备在试验进行的过程中不投入使用。同时也不能输出模拟信号。没有通过组态软件定义的阀门不投入使用。4．自动可定义的双效阀门。所有投入使用的阀门如果没有组态为控制阀，则自动设定为手动阀门。5．硬件单元通过地址开关设定地址。同类型的硬件单元可以互换。6．现场“全恢复”功能。现场的全部硬件设备可以通过软件快速设定为任意的工作状态。第二单元离心泵与三级液位过程一、流程说明见图1-4，第一级液位系统为卧式储罐，其上游设双效阀V1，入口流量F1，储罐液位L1，储罐下部出口快开阀S1（开关），离心泵，离心泵入口压力P2，离心泵出口压力P3，离心泵出口流量F2，离心泵高点排气阀S3（开关），排气完成指示灯D1，离心泵出口双效阀V2。第一级液位系统和离心泵另设独立的实验项目，系统结构及