過程控制課程設(shè)計-流量比值控制.doc

1、一設(shè)計任務(wù)分析1.1設(shè)計任務(wù)的描述在了解、熟悉和掌握雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)的工藝流程和生產(chǎn)過程的靜態(tài)和動態(tài)特性的基礎(chǔ)之上，根據(jù)生產(chǎn)過程對控制系統(tǒng)所提出的安全性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性要求，應(yīng)用控制理論對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合，最后采用計算機控制技術(shù)予以實現(xiàn)。1.2設(shè)計的目的通過對一個完整的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的課程設(shè)計，使我們進(jìn)一步加深對過程控制系統(tǒng)課程中所學(xué)內(nèi)容的理解和掌握，提高我們將過程檢測與控制儀表、自動控制原理、微機控制技術(shù)和過程工程基礎(chǔ)等課程中所學(xué)到知識綜合應(yīng)用的能力。鍛煉學(xué)生的綜合知識應(yīng)用能力，讓學(xué)生了解一般工程系統(tǒng)的設(shè)計方法、步驟，系統(tǒng)的集成和投運。從而培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。1.

2、3設(shè)計的要求1.從組成、工作原理上對工業(yè)型流量傳感器、執(zhí)行機構(gòu)有一深刻的了解和認(rèn)識。2.分析控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的動態(tài)特性，從實驗中獲得各環(huán)節(jié)的特性曲線，建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。3.根據(jù)其數(shù)學(xué)模型，選擇被控規(guī)律和整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。4.在Matlab上進(jìn)行仿真，調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，獲得最佳控制效果。5.了解和掌握自動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方法，并在THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)平臺上完成本控制系統(tǒng)線路連接和參數(shù)調(diào)試，得到最佳控制效果。6.分析仿真結(jié)果與實際系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果的差異，鞏固所學(xué)的知識。1.4本次設(shè)計的具體要求1.控制電磁閥的開度實現(xiàn)流量的單閉環(huán)的PI調(diào)節(jié)。2.通過變頻器控制電磁閥運行實現(xiàn)流量的單閉環(huán)的PI

3、調(diào)節(jié)3.用比例控制系統(tǒng)使副回路的流量跟蹤主回路的流量，滿足一定的工藝生產(chǎn)要求二 總體設(shè)計方案2.1方案論證根據(jù)實際生產(chǎn)情況，比值控制系統(tǒng)可以選擇不同的控制方案，比值控制系統(tǒng)的控制方案主要有開環(huán)比值控制系統(tǒng)，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)幾種。方案一：單閉環(huán)控制系統(tǒng)原理設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。檢測/變送器1控制器變頻器泵檢測/變送器2比值器-KCLHSO圖2.1 單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)原理圖單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)與串級控制系統(tǒng)相似，但功能不同?？梢姡到y(tǒng)中沒有主對象和主調(diào)節(jié)器，這是單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上與串級控制不同的地方，串級控制中的副變量是調(diào)節(jié)變量到被控變量之間總對象的一個

4、中間變量，而在比值控制中，副流量不會影響主流量，這是兩者本質(zhì)上的區(qū)別。方案二：在單閉環(huán)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加一個主流量閉環(huán)控制系統(tǒng)，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)就成為雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，其方框圖如圖2.2所示。KCLHSO-+-+主控制器螺旋輸送機變頻器螺旋輸送機檢測/變送器1比值器副控制器硫酸泵變頻器硫酸泵檢測/變送器2圖2.2 雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)原理圖雙閉環(huán)較之于單閉環(huán)而言更加復(fù)雜，選用的設(shè)備也更多，但對于實際生產(chǎn)，生產(chǎn)效率和質(zhì)量十分重要，因此對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度要求較高。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)能實現(xiàn)主動量的抗擾動、定植控制，使主、從動量均比較穩(wěn)定，從而使總物料也比較平穩(wěn)，這樣，系統(tǒng)總負(fù)荷也將是穩(wěn)定

5、。經(jīng)過分析，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，比值關(guān)系是比較精確的；在動態(tài)過程中，比值關(guān)系相對而言不夠精確。另外，如果主流量處于不變的狀態(tài)，副流量控制系統(tǒng)又相當(dāng)于一個定值控制系統(tǒng)。方案二的雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)，是在主流量也需要控制的情況下，增加一個主流量閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成的，由于增加了主流量閉環(huán)控制系統(tǒng)，主流量得以穩(wěn)定，從而使得總流量能保持穩(wěn)定。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于總流量需要經(jīng)常調(diào)整的場合。如果沒有這個要求，兩個單獨的閉環(huán)控制系統(tǒng)也能使兩個流量保持比例關(guān)系，僅僅在動態(tài)過程中，比例關(guān)系不能保證。2.2 方案選擇通過方案的論證可知，單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)適用于負(fù)荷變化不大，主流量不可控制，兩種物料間的比值

6、要求較精確的生產(chǎn)過程。而雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)適用于主副流量擾動頻繁，負(fù)荷變化較大，同時保證主、副物料總量恒定的生產(chǎn)過程。該設(shè)計針對控制對象，主流量選擇為氯化鉀液體，而副流量則選擇是硫酸液體，實際生產(chǎn)中，由于這兩種化學(xué)成分并不十分穩(wěn)定，因而可能造成擾動頻繁，并且屬于負(fù)荷變化較大。經(jīng)過分析，選擇方案二的雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)來設(shè)計該生產(chǎn)控制系統(tǒng)更為合適。2.3雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常遇到生產(chǎn)工藝要求兩種或多種物料流量成一定比例關(guān)系的問題，一旦比例失調(diào)，就會影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，浪費原料，消耗動力，造成環(huán)境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。如硝酸生產(chǎn)中的氨氧化爐，其進(jìn)料

7、是氨氣和空氣，兩者的流量必須具有一個合適的比例，因為氨在空氣中的含量，低溫時在1528之間，高溫時在1430之間都有可能產(chǎn)生爆炸的危險，嚴(yán)格控制其比例，使其不進(jìn)入爆炸范圍，對于安全生產(chǎn)來說十分重要。這種用來實現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)之間保持一定比值關(guān)系的過程控制系統(tǒng)，均稱為比值控制系統(tǒng)。本設(shè)計被控對象為電動閥支路的流量和變頻器磁力泵支路的流量，每個支路上分別裝有流量傳感器對支路的流量進(jìn)行測量，電動閥支路的流量是系統(tǒng)的主動量Q1，變頻器磁力泵支路的流量是系統(tǒng)的從動量Q2。要求從動量Q2能跟隨主動量Q1的變化而變化，而且兩者間保持一個定值的比例關(guān)系，即Q2Q1K，同時要求保證主動量與從動量保持總量恒定

8、。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖2.3給定值擾動調(diào)節(jié)器1電動閥管道流量變送器1調(diào)節(jié)器2變頻器磁力泵管道K流量變送器2擾動Q2（流量）Q1（流量） 圖2.3雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.4雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點與分析雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)能實現(xiàn)主動量的抗擾動、定值控制，使從動量均比較穩(wěn)定，從而使總物料也比較平穩(wěn)，這樣，系統(tǒng)總負(fù)荷也將是穩(wěn)定。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)另一優(yōu)點是升降負(fù)荷比較方便，只需緩慢改變主動量控制的給定值，這樣從動量自動跟蹤升降，并保持原來比值不變。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中的兩個控制回路是通過比值器發(fā)生聯(lián)系的，若除去比值器，則為兩個獨立的單回路系統(tǒng)。事實上，若采用兩個獨立的單回路系統(tǒng)同樣能

9、實現(xiàn)它們之間的比值關(guān)系，但只能保證靜態(tài)比值關(guān)系。當(dāng)需要實現(xiàn)動態(tài)壁紙關(guān)系時，比值器就不能省。雙閉環(huán)比值控制所用設(shè)備較多、投資較高，而且運行投入比較麻煩，只有在工業(yè)特定要求（如嚴(yán)格控制兩種物料比例）的情況下使用。三 實驗裝置說明及使用3.1系統(tǒng)簡介“THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置”是基于工業(yè)過程的物理模擬對象，它集自動化儀表技術(shù)，計算機技術(shù)，通訊技術(shù)，自動控制技術(shù)為一體的多功能實驗裝置。該系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識，單回路控制，串級控制，前饋反饋控制，比值控制，解耦控制等多種控制形式。3.2系統(tǒng)組成本實驗裝置由被控對象和控制儀表兩部分組成。系統(tǒng)動力支路分兩路

10、：一路由三（380V交流）磁力驅(qū)動泵、電動調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成；另一路由日本三菱變頻器、三相磁力驅(qū)動泵（220V變頻）、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成。壓力傳感器、變送器：采用工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，含不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補償。壓力傳感器用來對上、中、下水箱的液位進(jìn)行檢測，其精度為0.5級，因為為二線制，故工作時需串接24V直流電源。溫度傳感器：本裝置采用六個Pt100傳感器，分別用來檢測上水箱出口、鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套以及盤管的水溫。經(jīng)過調(diào)節(jié)器的溫度變送器，可將溫度信號轉(zhuǎn)換成4 20mADC電流信號。Pt100傳感器精度高，熱補償性

11、較好。流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來對電動調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進(jìn)行測量。渦輪流量計型號：LWGY-10，流量范圍：01.2m3/h，精度：1.0%。輸出：420mA標(biāo)準(zhǔn)信號。本裝置用了三套渦輪流量傳感器、變送器。電動調(diào)節(jié)閥：采用智能型電動調(diào)節(jié)閥，用來進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。電動調(diào)節(jié)閥型號為：QSVP-16K。具有精度高、控制單元與電動執(zhí)行機構(gòu)一體化、操作方便等優(yōu)點，控制信號為420mA DC或15V DC，輸出420mA DC的閥位信號，使用和校正非常方便。變頻器：本裝置采用日本三菱變頻器，控制信號輸入為420mADC或05VDC，220V變頻輸出用來驅(qū)動三相磁力驅(qū)

12、動泵。 水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為16CQ-8P，流量為32升/分，揚程為8米，功率為180W。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動泵。一只為三相380V恒壓驅(qū)動，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動?？梢葡郤CR調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。輸出電壓用來控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。電磁閥：在本裝置中作為電動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為：2W-160-25 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/2，最大壓力為7Kg/2 ；工作溫度：580。圖3.1裝置總貌圖3.3 操作前準(zhǔn)備實驗前，要對被控對象及其控制系統(tǒng)所涉及的儀器儀表有清楚的認(rèn)識。先將儲水

13、箱中貯足水量，電動調(diào)節(jié)閥可以通過閥F1-1、磁力泵、F1-2、F1-8流至下水箱。變頻器磁力泵支路可以通過閥F2-1、變頻器控制的磁力泵、閥F2-5流至下水箱。兩個支路的流量傳感器分別為FT1與FT2。具體管道開關(guān)及器件位置如圖所示：圖3.2管道開關(guān)及器件位置圖AI智能調(diào)節(jié)儀1設(shè)置參考：;Sn=33;CF=0;ADDR=1;SV=15；diH=100;dil=0; 調(diào)節(jié)儀2：Sn=32;CF=8;ADDR=2; diH=100;dil=0;電動調(diào)節(jié)閥使用：電動閥上電后切不可用手來旋轉(zhuǎn)黑色手輪，斷開控制信號后，閥位有保持功能，也不可旋轉(zhuǎn)手輪，只有在斷開AC220V后，才可使用手動，在一般情況下無

14、須手動。3.4 控制面板接線說明控制面板如圖3.3所示圖3.3控制面板圖強電部分：三相電源輸出u、v、w 接到380v磁力泵的輸入u、v、w端；變頻器輸出端A、B、C接到220v磁力泵輸入A、B、C端；單相的L、N并聯(lián)接到調(diào)節(jié)儀1和調(diào)節(jié)儀2的L、N端；單相的L、N端接到電動調(diào)節(jié)閥電源的L、N端；單相的L、N端接到比值器電源的L、N端；弱電部分：電動閥支路流量FT1信號并聯(lián)接到調(diào)節(jié)儀1的1、2輸入端和比值模塊電壓輸入1的+、-端，比值模塊的電壓輸出+、-端對應(yīng)接到調(diào)節(jié)儀2的1、2端，F(xiàn)T2信號+、-端對應(yīng)接到調(diào)節(jié)儀2的3、2輸入端；調(diào)節(jié)儀1的輸出7、5端對應(yīng)接到電動調(diào)節(jié)閥控制信號+、-端，調(diào)節(jié)儀

15、2的輸出7、5端對應(yīng)接到變頻器420mA控制信號輸入+、-端，變頻器STF端、SD端和RH端短接；24v電源輸出+、-端接到流量計電源輸入+、-端。變頻器使用：開啟變頻器后，其指示燈會自動工作在“EXT”外部控制狀態(tài)下，當(dāng)我們設(shè)置好參數(shù)（P30=1，P53=1，P62=4）選擇正轉(zhuǎn)（將STF和SD短接）再將DC420mA控制信號給到變頻器信號輸入端子去，就可以自動控制了，其中05V電壓輸入不可用。手動控制頻率時，可在控制信號線和正反轉(zhuǎn)短接線都拔下的情況下，按下“PU/EXT”按鈕，就可將變頻器的工作狀態(tài)從EXT切到PU狀態(tài)下，將頻率調(diào)到某一值，按下“SET”鍵，這時會有F和設(shè)定值交替閃爍3秒的

16、狀態(tài)，表示設(shè)定成功，按下“RUN”鍵，變頻器會自動運行到設(shè)定頻率，在運行狀態(tài)下，可通過旋轉(zhuǎn)頻率設(shè)定器來調(diào)整當(dāng)前運行頻率。注意切不可在變頻器帶電機運行時，拔下任一根強電輸入輸出線，造成變頻器在運行狀態(tài)下突然斷電或電機缺相，先將變頻器停止（按下“STOP” ）鍵，再在斷開變頻器輸入電源的情況下接線。磁力驅(qū)動泵1為380V磁力驅(qū)動泵，磁力驅(qū)動泵2為220V磁力驅(qū)動泵。本實驗采用變頻器控制泵打水，所以用到的泵為220V磁力驅(qū)動泵，開啟實驗設(shè)備前謹(jǐn)記保證F2-1閥門處于打開的狀態(tài)。AI智能調(diào)節(jié)儀部分設(shè)置參數(shù)解釋：Sn（輸入規(guī)格）Sn=32：0.21V（100mV-500mV）Sn=33：1-5V電壓輸入

17、dip（小數(shù)點位）dil（輸入下限顯示值）dih（輸入上限顯示值）oPL（調(diào)節(jié)器輸出下限值）oPH（調(diào)節(jié)器輸出上限值）CF（系統(tǒng)功能選擇）CF=0為反作用調(diào)節(jié)方式CF=8為有分段功能限制功能的反作用調(diào)節(jié)方式Addr（通訊地址）run（運行狀態(tài)及上電信號處理）run=0手動調(diào)節(jié)狀態(tài)run=1自動調(diào)節(jié)狀態(tài)四 單回路參數(shù)整定由于電動閥跟變頻器控制下的磁力泵的過程傳遞函數(shù)是未知的，因此我們必須對這測出這兩個被控對象特性。4.1 被控對象特性的測試方法通過分析建?？芍?，其數(shù)學(xué)模型為：=若令Q1(s)作為階躍擾動，即Q1(s)=X0S，則H（S）=K-對上式取拉氏反變換得h(t)=KX0(1-)式中T=R

18、C位時間常數(shù)，K為放大系數(shù)。當(dāng)t時,h()=KX0，因而有K=h() /X0.當(dāng)t=T時，則有：h(T)=KX0(1-e-1)=0.632KX0=0.632h() 由上可知一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖7所示。當(dāng)由實驗求得圖4.1所示的階躍響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%。所對應(yīng)的時間，就是時間常數(shù)T。圖4.1階躍響應(yīng)曲線4.2 電動閥傳遞函數(shù)測試圖為電動閥輸入與輸出特性的方框圖：電動閥流量變送器1管道手動輸出相應(yīng)曲線圖4.2電動閥輸入與輸出特性方框圖在t0時給電動閥的輸入量，得出相應(yīng)的曲線。如圖4.3所示圖4.3 電動閥的輸入量特性曲線圖當(dāng)t時，h（）=K，因而有K

19、=h（）/ =輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入。故K=3.7668/0.4=9.41為了方便計算(t1)=0.39, (t2)=0.63,則可得可求得=1.572s 而H(S)= 故H(S)= 43 變頻器磁力泵傳遞函數(shù)測試圖為變頻器磁力泵輸入與輸出特性的方框圖： 圖4.4磁力泵輸入與輸出特性圖與電動閥傳遞函數(shù)相同，得出其相應(yīng)曲線如圖4.5所示：圖4.5 磁力泵輸入與輸出特性曲線圖同理，當(dāng)t時，h（）=K，因而有K=h（）/ =輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入。故K=6.3229/0.4=15.807為了方便計算(t1)=0.39, (t2)=0.63,則可得可求得=2.88s 而H(S)= 故H(S)= 44用MA

20、TLAB進(jìn)行仿真如圖4.6所示為電動閥、變頻器磁力泵兩個回路在MATLAB的仿真：圖4.6 MATLAB仿真原理圖其中兩個回路的比例度&分別為40%和50%，I值都為0.5，仿真的響應(yīng)曲線如圖4.7和圖4.8所示：圖4.7主變量流量曲線圖 圖4.8副變量流量曲線圖說明：左圖為電動閥回路相應(yīng)曲線，右圖為變頻器磁力泵響應(yīng)曲線，圖中對Y軸上進(jìn)行了放大，以更好地顯示波形在1附近的變化情況，由觀察可得，這種PI設(shè)置基本能夠使響應(yīng)曲線穩(wěn)定在1左右。五 比值控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)5.1比值系數(shù)的計算設(shè)流量變送器的輸出電流與輸入流量間成線性關(guān)系，當(dāng)流量Q由0Qmax變化時，相應(yīng)變送器的輸出電流為420mA。由此可知

21、，任一瞬間主動流量Q1和從動流量Q2所對應(yīng)變送器的輸出電流分別為I1= I2= 式中Q1max和Q2max分別為Q1和Q2最大流量值。設(shè)工藝要求Q2/Q1=K，則式（1）可改寫為Q1=Q1max 同理式（2）也可改寫為Q2=Q2max于是求得= 折算成儀表的比值系數(shù)K為：K = K 5.2 比值控制系統(tǒng)參數(shù)的整定按單回路的鎮(zhèn)定方法分別鎮(zhèn)定調(diào)節(jié)器1、2的PID參數(shù)，但在具體操作中先整定調(diào)節(jié)器1的參數(shù)，待主回路系統(tǒng)穩(wěn)定后，在整定從動回路中的調(diào)節(jié)器2（CF=8，即外給定）的參數(shù)。在主回路運用上面提到的PI值，輸出流量調(diào)劑時間稍長，系統(tǒng)在長時間運行以后有一點偏差，因此稍為減小P的作用，適當(dāng)加大I的值。

22、根據(jù)工藝要求，從余差、衰減率、最大偏差、過渡時間考慮設(shè)置，主從回路的PI現(xiàn)場整定如下表所示：比例度&（%）積分值I電動閥調(diào)節(jié)器1600.25變頻器磁力泵回路調(diào)節(jié)器2700.25六 結(jié)果分析6.1給定階躍響應(yīng)曲線圖6.1給定階躍響應(yīng)曲線圖圖6.1為主回路曲線，紅線表示給定值的變化，從給定流量20上升到30作為輸入，綠線表示輸出值的變化，由圖可以看出輸出值在輸入值變化一段時間后能自動跟蹤輸入值，而且偏差不大，基本符合要求。圖6.2從動回路曲線圖圖6.2為從動回路曲線，紅線是自動跟蹤主回路輸出值作為從動回路的輸出值，實現(xiàn)自動控制。在比例控制系統(tǒng)中，采用了K=1的比值控制，因此主回路的輸出值與從動回路的輸出值比值為1：1。紫色線是從動回路的輸出量，由圖能清楚地看到輸出流量基本與輸入值重合，從動回路的快速性很好。改