流量—鍋爐液位前饋控制系統(tǒng)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書（指導(dǎo)教師填寫）課程設(shè)計(jì)名稱 過程控制系統(tǒng) 學(xué)生姓名 * 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)142班 設(shè)計(jì)題目 流量鍋爐液位前饋控制系統(tǒng) 一、 課程設(shè)計(jì)目的本課程的課程設(shè)計(jì)是自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)完過程控制系統(tǒng)課程后，進(jìn)行的一次全面的綜合訓(xùn)練，其目的在于加深對(duì)過程控制系統(tǒng)理論和基本知識(shí)的理解，在熟悉工藝流程的基礎(chǔ)上，掌握運(yùn)用工程整定方法設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)，以及系統(tǒng)的調(diào)試和投運(yùn)的基本方法。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容、技術(shù)條件和要求（一）技術(shù)要求按課程設(shè)計(jì)任務(wù)書提供的課題，應(yīng)根據(jù)給出的設(shè)計(jì)任務(wù)，按“可選”的被控對(duì)象設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。組成4人的設(shè)計(jì)小組，分模塊進(jìn)行,共同協(xié)作完成一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試任務(wù)。要求20%流量擾

2、動(dòng)作用下的液位變化不超過15%，恢復(fù)時(shí)間小于2分鐘，穩(wěn)態(tài)誤差小于3%（二）設(shè)計(jì)內(nèi)容1、熟悉工藝流程及實(shí)驗(yàn)環(huán)境，根據(jù)對(duì)水位控制或工業(yè)鍋爐生產(chǎn)過程控制的要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)方案；2、完成主要測(cè)控儀表的選型；3、繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖、系統(tǒng)工藝流程圖、系統(tǒng)硬件連線圖，并在實(shí)驗(yàn)中修正完善；4、按要求進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，分析P、I、D參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響，分析前饋控制系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的調(diào)節(jié)作用及補(bǔ)償能力；5、撰寫詳細(xì)的設(shè)計(jì)說明書。（三）設(shè)計(jì)說明書要求設(shè)計(jì)說明書應(yīng)包含以下內(nèi)容1.設(shè)計(jì)目的；2.設(shè)計(jì)要求；3.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（包括：被控變量的選擇、控制變量的選擇，控制器類型的選擇、控制器正反控制方式的選擇、調(diào)節(jié)閥的選擇、各測(cè)

3、量傳感器的選擇）；4.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖、系統(tǒng)工藝流程圖、系統(tǒng)硬件連線圖；5.調(diào)試過程分析，調(diào)試結(jié)果、調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決方法；6.設(shè)計(jì)心得體會(huì)；7.參考文獻(xiàn)。二、 時(shí)間進(jìn)度安排按教學(xué)計(jì)劃規(guī)定，過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)總學(xué)時(shí)為兩周，其進(jìn)度及時(shí)間大致分配如下：1 2017.6.266.26 查閱資料、完成各部分硬件設(shè)計(jì)；2 2017.6.276.28 在模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果；3 2017.6.296.30 總結(jié)設(shè)計(jì)過程、編寫課程設(shè)計(jì)說明書。三、 主要參考文獻(xiàn)1、過程控制及儀表，邵裕森主編， 電子工業(yè)出版社2、過程控制系統(tǒng)， 涂植英主編， 機(jī)械工業(yè)出版社3、過程控制， 金以慧主編， 清

4、華大學(xué)出版社指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日設(shè)計(jì)說明書一、設(shè)計(jì)目的本課程的課程設(shè)計(jì)是自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)完過程控制系統(tǒng)課程后，進(jìn)行的一次全面的綜合訓(xùn)練，其目的在于加深對(duì)過程控制系統(tǒng)理論和基本知識(shí)的理解，在熟悉工藝流程的基礎(chǔ)上，掌握運(yùn)用工程整定方法設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)，以及系統(tǒng)的調(diào)試和投運(yùn)的基本方法。本設(shè)計(jì)針對(duì)液位控制系統(tǒng)中較為基礎(chǔ)的鍋爐液位作為控制對(duì)象，流量鍋爐液位前饋控制系統(tǒng)具有非線性，滯后，耦合等特征，能夠很好的模擬工業(yè)過程特征。而對(duì)于控制系統(tǒng)的選擇為前饋反饋系統(tǒng)。一般的控制系統(tǒng)都屬于反饋控制, 這種控制作用總是落后于擾動(dòng)作用。對(duì)于時(shí)滯較大、擾動(dòng)幅度大而頻繁的過程控制往往不能滿足生產(chǎn)要求。引入前饋控制

5、可以獲得顯著的控制效果。前饋控制是按照擾動(dòng)作用的大小進(jìn)行控制, 所以控制是及時(shí)的。如果補(bǔ)償作用完善可以使被控變量不產(chǎn)生偏差。二、設(shè)計(jì)要求2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）熟悉工藝流程及實(shí)驗(yàn)環(huán)境，根據(jù)對(duì)水位控制或工業(yè)鍋爐生產(chǎn)過程控制的要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)方案；（2）完成主要測(cè)控儀表的選型；（3）繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖、系統(tǒng)工藝流程圖、系統(tǒng)硬件連線圖，并在實(shí)驗(yàn)中修正完善；（4）按要求進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，分析P、I、D參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響，分析前饋控制系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的調(diào)節(jié)作用及補(bǔ)償能力；（5）撰寫詳細(xì)的設(shè)計(jì)說明書。2.2 技術(shù)要求要求20%流量擾動(dòng)作用下的液位變化不超過15%，恢復(fù)時(shí)間小于2分鐘，穩(wěn)態(tài)誤差小于3%三、系統(tǒng)方

6、案設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)選擇單回路控制系統(tǒng)，以及在單回路的基礎(chǔ)上加前饋控制，形成前饋反饋控制系統(tǒng)。比較兩種控制系統(tǒng)在應(yīng)用中的區(qū)別和優(yōu)勢(shì)。單回路反饋系統(tǒng)通常采用PID算法控制，基于偏差來消除偏差，控制作用產(chǎn)生在被控量變化之后，因此不能及時(shí)地消除偏差。前饋控制是基于擾動(dòng)來補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控量的影響，控制作用產(chǎn)生在被控量變化之前，所以能及時(shí)地消除偏差達(dá)到很好的響應(yīng)效果。但是前饋控制屬于開環(huán)控制，無法檢驗(yàn)響應(yīng)，通常無法單獨(dú)使用，所以與單回路結(jié)合，采用前饋反饋控制方法，可以既保留了反饋控制良好的跟隨給定的優(yōu)點(diǎn)，有彌補(bǔ)了抗擾特性的不足，可實(shí)現(xiàn)很好的控制效果。在前饋反饋控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)進(jìn)水支路為擾動(dòng)量，在擾動(dòng)支路中通過渦

7、輪流量計(jì)檢測(cè)支路進(jìn)水量，在擾動(dòng)進(jìn)入水箱改變液位之前，通過前饋補(bǔ)償器的計(jì)算減小電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，使液位不會(huì)出現(xiàn)過大的改變，使擾動(dòng)在產(chǎn)生偏差之前消除偏差?？蛇_(dá)到更好的控制精度。3.1 被控變量和控制變量的選擇液位和流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用的兩個(gè)參數(shù)，對(duì)液位和流量進(jìn)行控制的裝置在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的十分普遍。液位的時(shí)間常數(shù)T一般很大，因此有很大的容積遲延，如果用單回路控制系統(tǒng)來控制，可能無法達(dá)到較好的控制質(zhì)量。而前饋反饋控制系統(tǒng)可以用一般常規(guī)儀表來實(shí)現(xiàn)，成本增加也不大，卻可以起到十分明顯的提高控制質(zhì)量的效果，因此往往采用前饋控制系統(tǒng)對(duì)液位進(jìn)行控制。一般情況下，流量是影響液位的主要因素，將它納入前饋反饋

8、復(fù)合控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，不僅有效地克服了流量對(duì)液位造成的干擾，而且使系統(tǒng)工作頻率提高，能夠?qū)σ何粚?shí)行較快的控制。為了保證控制精度，將鍋爐液位作為被控對(duì)象，鍋爐的液位主要由進(jìn)水量和出水量決定，因此將進(jìn)水量與出水量選作控制對(duì)象。鍋爐液位是通過壓力液位傳感器測(cè)得，將檢測(cè)到的液位信號(hào)與給定液位值進(jìn)行比較后送入調(diào)節(jié)器，在數(shù)顯智能調(diào)節(jié)儀中經(jīng)過PID運(yùn)算后，其輸出信號(hào)作為調(diào)節(jié)器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥門的開度信號(hào)，控制進(jìn)水量的大小，從而控制液面高度。3.2 控制器類型的選擇整個(gè)過程控制系統(tǒng)由控制器、調(diào)節(jié)器、測(cè)量變送、被控對(duì)象組成。在本次控制系統(tǒng)中控制器為EFPT-0102型數(shù)顯智能調(diào)節(jié)儀，采用算法為PID控制規(guī)律，調(diào)節(jié)器

9、為電磁閥，測(cè)量變送為HB、FT兩個(gè)組成，被控對(duì)象為流量PV。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，水泵開始抽水，通過管道分別將水送到上水箱和下水箱，由HB返回信號(hào)，是否還需要放水到下水箱。若還需要（即水位過低），則通過電磁閥控制流量的大小，加大流量，從而使下水箱水位達(dá)到合適位置；若不需要（即水位過高或剛好合適），則通過電磁閥使流量保持或減小。3.3 主、 副控制器正反控制方式的確定在單回路控制系統(tǒng)中， 要使一個(gè)過程控制系統(tǒng)能正常工作， 系統(tǒng)必須為負(fù)反饋。對(duì)于前饋控制系統(tǒng)來說， 主、 副調(diào)節(jié)器中正反作用方式的選擇原則是使整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。 即其主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。 各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的規(guī)定

10、與單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)相同。3.4 調(diào)節(jié)閥的選擇電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)控制回路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用QS201直行程電子式電動(dòng)執(zhí)行器，無需配伺服放大器，控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性高，操作方便，并可與計(jì)算機(jī)配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。有輸入控制信號(hào)4-20mA及單相電源即可控制與轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力流量溫度壓力等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡(jiǎn)單，泄漏量少的優(yōu)點(diǎn)。采用PS電子式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，4-20mA閥位反饋信號(hào)輸出雙導(dǎo)向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性，閥門用于截?cái)嗷蚪油ü苈分械慕橘|(zhì)。出水控制閥門我們選擇VT-16型號(hào)的線性鋼鑄閥，該閥門采用彈簧連接，可預(yù)置閥門關(guān)斷力，保證閥門

11、的可靠關(guān)斷，防止泄露，具有性能穩(wěn)定可靠、控制精度高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。3.5測(cè)量傳感器的選擇 流量傳感器用來對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的主流量和干擾回路的干擾流量進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)本試驗(yàn)裝置的特點(diǎn)，采用工業(yè)用的LDS-10S型電磁流量傳感器，公稱直徑10mm，壓力1.6Mpmax,4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，可與顯示、記錄儀表、積算器或調(diào)節(jié)器配套。避免了渦輪流量計(jì)非線性與死區(qū)大的致命缺點(diǎn)，確保實(shí)驗(yàn)效果能達(dá)到課設(shè)要求。 流量轉(zhuǎn)換器采用LD2-4B型，與電磁流量傳感器配套使用，輸入信號(hào)：00.4mV，輸出信號(hào)：420mA DC，允許負(fù)載電阻為0750歐姆，基本誤差為輸出信號(hào)量程的0.5%。液位傳感器用來對(duì)水箱液位變送

12、、鍋爐液位變送和水槽液位變送進(jìn)行檢測(cè)，采用工業(yè)的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器，本變送器按標(biāo)準(zhǔn)的二線制傳輸，喜愛用高品質(zhì)低耗精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高。可方便的與其他DDZ3X型儀表互換配置，并能直接替換進(jìn)口同類儀表。校驗(yàn)的方法是通電預(yù)熱15分鐘后，分別在零壓力和滿程壓力下檢查輸出電流值。在零壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電流為4mA，在滿量程壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電流為20mA。本傳感器精度為0.5級(jí)，因?yàn)闉槎€制，故工作時(shí)需串24V直流電源。壓力傳感器用來對(duì)上水位水箱和中水位水箱的壓力進(jìn)行檢測(cè)，采用工業(yè)用的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器，0.5級(jí)精度，二線制4-20mA標(biāo)志信號(hào)輸出。3.6所

13、需設(shè)備的型號(hào)及用途序號(hào)圖位號(hào)型號(hào)規(guī)格名稱用途1F1-E(FE-1)LDG-10S0300L/h電磁流量傳感器進(jìn)水流量檢測(cè)2F1-1T(FIT-1)LD2-4B(420 mA)電磁流量轉(zhuǎn)換器進(jìn)水流量變送和顯示3F2-E(FE-2)LDG-10S0300L/h電磁流量傳感器出水流量檢測(cè)4F2-1T(FIT-2)LD2-4B(420 mA)電磁流量轉(zhuǎn)換器出水流量變送和顯示5L1-T(LT-1)DBYG04Kpa(0400mm)(420mA)擴(kuò)散硅壓力變送器水箱液位變送6L2-T(LT-2)DBYG04Kpa(0400mm)(420mA)擴(kuò)散硅壓力變送器鍋爐液位變送7L3-T(LT-3)DBYG04K

14、pa(0400mm)(420mA)擴(kuò)散硅壓力變送器水槽液位變送8M1QS201行程16mm直行程電子式電動(dòng)執(zhí)行器配Vc1調(diào)節(jié)閥9VC1VT-16DN=20mmdN =10mm線性鑄鋼閥進(jìn)水流量調(diào)節(jié)閥10M2QS 201行程16mm直行程電子式電動(dòng)執(zhí)行器配Vc2調(diào)節(jié)閥11VC2VT-16DN=20mmdN =10mm線性鑄鋼閥出水流量調(diào)節(jié)閥四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1、前饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖單回路控制器，即PID控制器的傳遞函數(shù)為Wc(s)，被控對(duì)象鍋爐液位的傳遞函數(shù)為Wo(s)。Wm(s)為前饋控制器；Wf (s)為過程擾動(dòng)通道傳遞函數(shù)；Wo(s)為過程控制通道傳遞函數(shù)；F(s)為系統(tǒng)可測(cè)不可控?cái)_動(dòng)；Y(

15、s)為被控參數(shù)；典型的前饋反饋控制系統(tǒng)框圖如下所示，它是由一個(gè)反饋回路和一個(gè)開環(huán)補(bǔ)償回路疊加而成的復(fù)合系統(tǒng)。在擾動(dòng)f(s)作用下，系統(tǒng)輸出為：Y(s)=Wf(s)F(s)+ WM(s)Wo(s)F(s)-Wc(s)Wo(s)Y(s) 單回路前饋反饋恒值系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： = 根據(jù)絕對(duì)不變性原理，應(yīng)有=0，前饋模型為： Wm(s)= 134.2、系統(tǒng)工藝流程圖4.3、硬件連線圖五、參數(shù)整定5.1比例積分調(diào)節(jié)（PI調(diào)節(jié)）PI調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用I調(diào)節(jié)消除余差。它的調(diào)節(jié)規(guī)律為： 或 式中為比例帶，可視情況取正值或負(fù)值；為積分時(shí)間。和是PI調(diào)節(jié)器的

16、兩個(gè)重要參數(shù)。圖3.1是PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)，它是由比例動(dòng)作和積分動(dòng)作兩部分組成的。在施加階躍輸入的瞬間，調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)幅值為e/的階躍，然后以固定速度e/TI變化。當(dāng)t=TI時(shí)，調(diào)節(jié)器的總輸出為2e/。這樣，就可以根據(jù)圖3.1確定和TI的數(shù)值。還可以注意到，當(dāng)t=TI時(shí)，輸出的積分部分正好等于比例部分。由此可見，TI可以衡量積分部分在總輸出中所占的比重：TI愈小，積分部分所占的比重愈大。5.2比例積分微分調(diào)節(jié)（PID調(diào)節(jié)）PID調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律是 或 P調(diào)節(jié)是一種簡(jiǎn)單控制方式，其輸入與輸出偏差信號(hào)的積分成比例關(guān)系。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例環(huán)節(jié)就立即進(jìn)行反應(yīng)來減少偏差。比例調(diào)節(jié)的作用設(shè)置的

17、越大，調(diào)節(jié)的速度就越快。但比例作用過大時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，另外，只采用比例調(diào)節(jié)的系統(tǒng)輸出將存在穩(wěn)態(tài)誤差。I調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)用于消除系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)誤差，它的輸入與輸出偏差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。如果系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱為有差系統(tǒng)，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，就需要引入“積分”調(diào)節(jié)。但積分作用會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，若參數(shù)選擇的不當(dāng)會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。D調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)動(dòng)作是使調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被調(diào)量的變化速度來移動(dòng)調(diào)節(jié)閥，而不要等到被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大偏差后才開始動(dòng)作，它等于賦予調(diào)節(jié)器以某種程度的預(yù)見性，能夠顯著改善調(diào)節(jié)的效果。但微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用，它可以與其它調(diào)節(jié)動(dòng)作結(jié)合成PD和PID調(diào)節(jié)

18、動(dòng)作。單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器采用PID控制，利用給定信號(hào)與反饋信號(hào)作為偏差，偏差信號(hào)為PID調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)控制調(diào)節(jié)閥開度，以此來調(diào)節(jié)液位高度。比例控制作用可使系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定，但是不能消除系統(tǒng)余差，比例系數(shù)增大，余差會(huì)減小，但隨著比例系數(shù)的增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)逐漸下降。積分控制作用能消除系統(tǒng)余差，使系統(tǒng)成為無差系統(tǒng)，但降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并增加了調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用無法消除余差，但是提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此PID調(diào)節(jié)器是一種很理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)于大部分控制問題PID調(diào)節(jié)器都能解決，但是當(dāng)系統(tǒng)中的負(fù)荷或干擾

19、變化比較劇烈或比較頻繁，或調(diào)節(jié)質(zhì)量要求更高時(shí)，僅采用單回路反饋的PID調(diào)節(jié)方案就不太合適了。本系統(tǒng)中，如果在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后加入擾動(dòng)，必須在等到液面升高產(chǎn)生偏差后，系統(tǒng)才能作用，該過程如下：Y（）Z（）|e|（e<0）（）u（）F（）Y（）可見調(diào)節(jié)過程較長(zhǎng)，導(dǎo)致調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，必然出現(xiàn)較大超調(diào)量。前饋反饋控制就是在單回路反饋控制的基礎(chǔ)上，在擾動(dòng)量支路中加入檢測(cè)元件，并通過前饋補(bǔ)償器在擾動(dòng)產(chǎn)生影響前減小或消除擾動(dòng)。本系統(tǒng)中，假設(shè)原電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度為80%，流量為F1，如果加入擾動(dòng)，前饋檢測(cè)到擾動(dòng)通道流量為F2，那么通過前饋補(bǔ)償器直接調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥使流量減小|F1-F2|，假設(shè)使開度變?yōu)?0%。該過程如下：u2（）F（）Y（）可見調(diào)節(jié)過程很短，調(diào)節(jié)時(shí)間大大地縮短，超調(diào)量也會(huì)顯著減小，甚至如果前饋補(bǔ)償器設(shè)計(jì)的好可以不產(chǎn)生超調(diào)。六、 調(diào)試結(jié)果、 調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決方法6.1 調(diào)試結(jié)果參數(shù)記錄P = I