過程控制課程設(shè)計匯本報告~貯槽液位控制系統(tǒng)設(shè)計

1、過程控制課程設(shè)計設(shè)計題目：貯槽液位控制系統(tǒng)設(shè)計學院：電氣工程學院專業(yè)：自動化班級：091班2012年6月4日小組成員:序號學號160902100138航程170902100140韋壽德180902100141印190902100142鄧世杰200902100147奉志210902100148鐘昌帥220902100149曉明230902100202凱強240902100203農(nóng)志興250902100204袁劍波260902100206季270902100208黃靈浩280902100209譚雷290902100213吳高陽300902100216敏設(shè)計分工總方案的確定及原理、控制參數(shù)的整定、

2、simulink 仿真測量變送器的選型、控制參數(shù)的整定、查閱 資料測量變送器的選型、控制參數(shù)的整定調(diào)節(jié)閥的選型、水箱的建模總方案的確定及原理、控制參數(shù)的整定、 simulink 仿真simulink仿真、調(diào)節(jié)閥的選型控制器的選型、控制參數(shù)的整定、設(shè)計總結(jié)、 整理報告simulink仿真、水箱的建模、查閱資料調(diào)節(jié)閥的選型、水箱的建?？刂破鞯倪x型、查閱資料調(diào)節(jié)閥的選型、控制器的選型測量變送器的選型、水箱的建模、查閱資料調(diào)節(jié)閥的選型、水箱的建?？刂茀?shù)的整定、水箱的建模、查閱資料調(diào)節(jié)閥的選型、測量變送器的選型目錄一、設(shè)計目的4二、設(shè)計任務(wù)及要求4三、工藝過程及要求5四、系統(tǒng)總體方案的選擇及說明6五、

3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理71. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖72. 工作原理83. 水箱建模8六、各單元軟硬件101. 控制對象102. 控制器103. 調(diào)節(jié)閥114. 差壓變送器12七、參數(shù)的整定及仿真結(jié)果131. 經(jīng)驗法（現(xiàn)場實驗整定法）132. 常見被控量的PID參數(shù)選擇圍133. 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用134. 仿真結(jié)果14八、分析總結(jié)16設(shè)備清單17參考文獻18一、設(shè)計目的過程控制課程設(shè)計是一項重要的實踐性教學環(huán)節(jié)。在設(shè)計過程 中，通過一個工程實際課題的設(shè)計練習， 學生可以初步實踐過程控制 系統(tǒng)的設(shè)計過程、明確應(yīng)完成的工作容和采用的具體設(shè)計方法，達到鞏固、充實和綜合所學知識并解決實際問題的目的。通過課

4、程設(shè)計，可以培養(yǎng)學生以下能力：(1) 獨立工作能力和創(chuàng)造力；(2) 查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊和各種工具書的能力；(3) 綜合運用專業(yè)及基礎(chǔ)知識，解決實際工程技術(shù)問題的能力；(4) 編寫技術(shù)資料的能力。二、設(shè)計任務(wù)及要求課程設(shè)計應(yīng)充分運用過程控制技術(shù)及相關(guān)專業(yè)課的知識，針對某 生產(chǎn)工藝過程實施自動過程控制方案。 因此，既要充分掌握生產(chǎn)工藝 過程及控制工程的基本知識，又要熟悉控制及檢測儀表的使用方法及 型號、規(guī)格、價格等信息。設(shè)計任務(wù)主要包括以下方面：1. 了解生產(chǎn)工況：研究過程控制單元的生產(chǎn)工藝及工作環(huán)境，在這一階段還需要收集工藝中有關(guān)的物性參數(shù)和重要數(shù)據(jù)。2. 明確控制要求：找出被控對象，針對可

5、能出現(xiàn)的干擾因素分析 控制目的及其應(yīng)達到的控制效果。3. 擬定控制方案：按照現(xiàn)場的特點、控制室與現(xiàn)場的相對位置及 系統(tǒng)的控制要求，確定合理的控制系統(tǒng)類型，定出各檢測點、控制點 的實際位置，初步分析控制系統(tǒng)的性能。4. 制定控制流程圖：根據(jù)工藝特點以及控制方案畫出系統(tǒng)的控制 工藝流程圖及控制方框圖。5. 選取被控變量和操縱變量：根據(jù)控制要求及工藝合理性進行選 取，盡量選取容易檢測、無容量滯后或滯后小的變量。6. 過程裝置及儀表的選型：根據(jù)工藝提供的數(shù)據(jù)及儀表選型的原則（根據(jù)工藝數(shù)據(jù)和有關(guān)計算方法對調(diào)節(jié)閥進行相應(yīng)的計算），調(diào)研產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和價格，選定檢測、變送、顯示、控制等各類儀表 的規(guī)格、型

6、號。另外，對于儀表設(shè)備的輔助設(shè)備材料（儀表設(shè)備在安 裝過程中，還需要選用一些有關(guān)的其它設(shè)備材料）也需根據(jù)施工要求， 進行數(shù)量統(tǒng)計，編制儀表安裝材料表等。7. 設(shè)計總結(jié)：對整個設(shè)計過程做客觀的評價，并闡述控制系統(tǒng)的 優(yōu)、缺點等。三、工藝過程及要求在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液體貯槽如進料罐、成品罐、中間緩沖容 器、水箱等設(shè)備應(yīng)用十分普遍，為了保證生產(chǎn)正常進行，物料 進出需均衡，以保證過程的物料平衡。工藝要求液位貯槽的液位需維持在某給定值上下，或在某一小 圍變化，并保證物料不產(chǎn)生溢出。四、系統(tǒng)總體方案的選擇及說明隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，工藝條件越來越復雜。對過程控制的要求越來越 高。過程控制系統(tǒng)的設(shè)計是以被

7、控過程的特性為依據(jù)的。由于工業(yè)過程的復雜、 多變，因此其特性多半屬多變量、分布參數(shù)、大慣性、大滯后和非線性等。為了 滿足上述特點與工藝要求，過程控制中的控制方法是十分豐富的。 通常有單變量 控制系統(tǒng)，也有多變量控制系統(tǒng)，有復雜控制系統(tǒng)，也有滿足特定要求控制系統(tǒng)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液體貯槽設(shè)備如進料罐、成品罐、中間緩沖容器、水箱 等應(yīng)用十分普遍，為保證生產(chǎn)正常進行，物料進出需均衡，以保證過程的物料平 衡，因此工藝要求貯槽的液位需維持在某個給定值上下，或在某一小圍變化，并保證物料不產(chǎn)生溢出，要求設(shè)計一個液位控制系統(tǒng)。對分析設(shè)計的要求，生產(chǎn)工藝比較簡單要求并不高，所以采用單回路控制系 統(tǒng)進行設(shè)計。單

8、回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控系統(tǒng)、一個檢 測元件及變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng) 是最簡單、最基本、最成熟的一種控制方式。單回路控制系統(tǒng)根據(jù)被控量的系統(tǒng)、 液位單回路控制系統(tǒng)等。單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，所需的自動化裝置數(shù)量少，操作維護也比 較方便，因此在化工自動化中使用很普遍， 這類系統(tǒng)占控制回路的絕大多數(shù)。 單 回路控制系統(tǒng)雖然簡單，但它的分析、設(shè)計方法是其它各種復雜過程控制系統(tǒng)分 析、設(shè)計的基礎(chǔ)。對單回路控制系統(tǒng)進行分析，設(shè)計，調(diào)試處理的方法，理解單 回路控制系統(tǒng)對各個環(huán)節(jié)的影響，就可以分析處理好更復雜的設(shè)計問題。 這里選 擇的是液位單

9、回路控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)方框圖的一般形式如下：WC(S)控制器的傳遞函數(shù)WO(S)被控過程的傳遞函數(shù)WS)調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù) wm(s)測量變送器的傳遞函數(shù)五、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：執(zhí)行閥設(shè)定值液位控制器液位檢測變送器過程控制系統(tǒng)，簡單的說，就是采用計算機來實現(xiàn)的過程工業(yè)控制 （含管理） 系統(tǒng)。從控制系統(tǒng)引入計算機，可以充分利用計算機的運算、邏輯判斷和記憶等 功能完成多種控制任務(wù)實現(xiàn)復雜東芝規(guī)律。由于計算機只能處理數(shù)字信號，因此 給定值和反饋要先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入計算機。但計算 機接受了給定量和反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律進行運算（如PID

10、運算），計算結(jié)果（數(shù)字信號）在經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號 輸出到執(zhí)行機構(gòu)，從而完成對系統(tǒng)的控制作用。2. 工作原理單回路過程控制系統(tǒng)亦稱單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一般是指正對一個被控過程（調(diào) 節(jié)對象），采用一個檢測變松器檢測被測過程，采用一個控制（調(diào)節(jié)器）來保持 參數(shù)恒定（或在很小圍變化），其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）。從系統(tǒng) 的款圖看，只有一個閉環(huán)回路。單回路過程控制系統(tǒng)是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的基 本單元、其結(jié)構(gòu)簡單、投資少、易于調(diào)整和投運，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過程的控 制要求、因此在工業(yè)生產(chǎn)小應(yīng)用十分廣泛，尤其適用于被控過程的純滯后和慣性 小、負荷和擾動變化比較平緩，或者控制質(zhì)量

11、要求不太高的場合。單回路過程控制系統(tǒng)雖然簡單，但它的分析、設(shè)計方法是其它各種復雜過程 控制系統(tǒng)分析、設(shè)計的基礎(chǔ)。因此，學習和掌握單回路系統(tǒng)的工程設(shè)計方法是非 常重要的。3. 水箱建模這里研究的被控對象只有一個，那就是單容水箱（圖 2-1 ）。要對該對象進 行較好的計算機控制，有必要建立被控對象的數(shù)學模型。 正如前面提到的，單容 水箱是一個自衡系統(tǒng)。根據(jù)它的這一特性，我們可以用階躍響應(yīng)測試法進行建模。如圖2-1，設(shè)水箱的進水量為Q,出水量為Q,水箱的液面高度為h,出水 閥V2固定于某一開度值。若Q作為被控對象的輸入變量，h為其輸出變量，則該 被控對象的數(shù)學模型就是h與Q之間的數(shù)學表達式。根據(jù)動態(tài)

12、物料平衡關(guān)系有I（ 2-1）將式（2-1 ）表示為增量形式I *丄（2-2）式中， 、I、一一分別為偏離某一平衡狀態(tài)、I、的增量；C 水箱底面積。在靜態(tài)時，兇彳日； ® =0；當列發(fā)生變化時，液位h隨之變化，閥勺處 的靜壓也隨之變化，|卜.也必然發(fā)生變化。由流體力學可知，流體在紊流情況下， 液位h與流量之間為非線性關(guān)系。但為簡化起見，經(jīng)線性化處理，則可近似認為.成正比，而與閥 的阻力成反比，即式中,為閥的阻力，稱為液阻。(2-3)將式（2-3）代入式（2-2）可得(2-4)在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得:(2-5)式中，T=RC為水箱的時間常數(shù)（注意：閥 V2的開度大小會影響到

13、水箱的時間常數(shù)），K=R為過程的放大倍數(shù)。令輸入流量n =I，兇為常量，則輸出液位的高度為:(2-6)當t=T時，則有因而有(2-8)(2-9)(2-7)式（2-7）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2所示。由式（2-9）可知該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。該時間常數(shù)T也可以通過坐標原點對響應(yīng)曲線作切線，此切線與 穩(wěn)態(tài)值的交點所對應(yīng)的時間就是時間常數(shù) Tt圖2-2階躍響應(yīng)曲線六、各單元軟硬件1. 控制對象控制對象為一個水箱，水箱液位高度決定于入水量、出水量、水箱形狀等因 素。實驗選用PI算法將水箱液位控制在指定位置。水箱裝有液位傳感器，并

14、選 用水箱中的液位高度為控制變量。管路任一個手動閥都可以作為干擾源，用以產(chǎn) 生干擾信號，整個被控對象組成了一個控制系統(tǒng)。2. 控制器模擬式控制器DDZ-IH型DDZ-m型電動單元控制器是一種常用的模擬式控制器，以來自變送器的標準1-5V直流信號作輸入，與1-5V直流設(shè)定值比較得到偏差，進行 PID運算后輸出1-5V或4-20mA信號。其特點如下： 采用高增益、高阻抗線性集成電路組件，提高了儀表的精度、穩(wěn)定性和可靠 性，降低了功耗。 整套儀表可以構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)，且增加了安全單元-安全柵，實現(xiàn)控 制室與危險場所之間的能量限制和隔離。 有軟、硬兩種手動操作方式，軟手動和自動之間相互切換具有雙向

15、無平衡無 擾動特性，提高了控制器的操作性能。因為在自動與軟手動之間有保持狀態(tài)， 此時控制器輸出可保持長期不變，即使有偏差存在，也能實現(xiàn)無擾切換。 采用國際標準信號制，現(xiàn)場傳輸信號為 420mA直流電流，控制室聯(lián)絡(luò)信號 為15V直流電壓，信號電流和電壓的轉(zhuǎn)換電阻為 250Q。由于電氣零點不 是從零開始，因此容易識別斷電、斷線等故障。信號傳輸采用電流傳送-電壓 接受的并聯(lián)方式，即進出控制室的傳輸信號為直流電流信號（420mA，將此電流信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號后，以并聯(lián)形式傳輸給控制室各儀表。DDZ-IH型控制器傳遞函數(shù)為：3. 調(diào)節(jié)閥氣動調(diào)節(jié)閥：結(jié)構(gòu)簡單，可靠，維護方便，防火防爆。薄膜式：因為不需要

16、大口徑、高壓降，一般情況選用薄膜式。直通單座閥：因為這是小口徑、低壓差的場合。氣開式：無壓力信號時閥全閉，隨著信號增大，閥門逐漸開大稱的為氣開式，因 為考慮到控制信號中斷后，為防止水滿溢出水箱，所以選擇氣開式。選用ZJHP系列ZHB-22型氣動氣開式薄膜直通單座調(diào)節(jié)閥此調(diào)節(jié)閥是好施閥門生產(chǎn)的，由多彈簧氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)和頂導向式直通低流阻 單座閥組成。具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、動作靈敏、流體通道呈S流線型、壓降損失小、閥容量大、流量特性精確，配用電-氣閥門定位或氣動閥門定位器，可實 現(xiàn)對工藝管路流體介質(zhì)的自動調(diào)節(jié)控制，廣泛應(yīng)用于精確控氣體、液體、蒸汽等介質(zhì)的工藝參數(shù)如壓力、流量、溫度、液位等參數(shù)保持

17、在給定值。是符合IEC標準的新一代通用調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品。結(jié)構(gòu)特點：1. ZJHP型氣動單座調(diào)節(jié)閥是自動化控制系統(tǒng)中儀表的執(zhí)行單元，采用電 -氣閥 門定位器，以電信號和壓縮空氣為動力，接受控制系統(tǒng)輸入的0-10mA DC或4-20mA DC電流信號，由調(diào)節(jié)器將壓縮空氣，轉(zhuǎn)換成氣源壓力信號輸入輸出，可 實現(xiàn)分程控制（段幅信號），從而改變閥門開度位移，達到對流體介質(zhì)的工藝參 數(shù)精確調(diào)節(jié)控制2.直通低流阻單座為無底蓋頂導向結(jié)構(gòu)，它只有一個閥座和一個柱塞形閥芯具 有密閉性能好、泄漏量小、動作靈敏、流體通道呈 S流線型、壓降損失小、閥容 量大、流量特性精確、可調(diào)比大，閥芯導向部分的導向面積大，具有抗振性能強 等

18、特點，適用于對介質(zhì)泄漏量及調(diào)節(jié)精度有嚴格要求的場合， 但由于閥結(jié)構(gòu)上的 原因，閥桿上的不平衡力較大，尤其在公稱通徑大的工況下更為明顯， 因而該閥 只適合于工作壓差較小的場合。3通過改變閥芯形狀的設(shè)計，不同的閥芯形狀會得到不同流量特性：等百分比（對數(shù)）性、直線性、快開特性。傳遞函數(shù):4. 差壓變送器選用羅斯蒙特3051C差壓變送器，其主要參數(shù)如下 總體性能：土 0.15%精度：土 0.075%差壓：校驗量程從0.5inH2O至2000psi 表壓：校驗量程從2.5inH2O至2000psi 絕對壓力：校驗量程從 0.167psia至4000psia過程隔離膜片：不銹鋼，哈氏合金 C,蒙乃爾，鉭（

19、僅限CD CG及鍍金蒙乃爾 設(shè)計小巧、堅固而質(zhì)輕，易于安裝 特點：羅斯蒙特3051壓力變送器具有無可比擬的操作性能、靈活的 CoPlanarTM 平臺，而且可以升級。新型羅斯蒙特3051C壓力變送器的性能指標保證了在不同 工況下的精度和穩(wěn)定性。七、參數(shù)的整定及仿真結(jié)果1. 經(jīng)驗法（現(xiàn)場實驗整定法）按照先比例、后積分、再微分 的順序進行整定 Ti=x, Td=O,S由大到小調(diào)節(jié)，使過渡過程達到 4:1，且靜差較小，若能滿 足要求，則用比例控制。 若靜差不能滿足要求，則需要加積分環(huán)節(jié)。比例度S增加10-20%,由大到小調(diào)節(jié)積分時間TI，在保持動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，減小或者消除誤差。 若動態(tài)特性不能滿足

20、要求，由大到小調(diào)節(jié) Td,同時適當調(diào)節(jié)TI、3。（滿足要求的參數(shù)不是唯一的，某個參數(shù)的減小可以用其它參數(shù)的增大來補償）2. 常見被控量的PID參數(shù)選擇圍：系統(tǒng)參數(shù)S (%)Ti(mi n)TD(mi n)溫度20 603100.5 3流量40 1000.1 1壓力30 700.4 3液位20 803. 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： 比例環(huán)節(jié)：用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。兇取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系 統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。 積分環(huán)節(jié)：主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差

21、。兇越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快, 但|匕過小，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象， 從而引起響應(yīng)過程的較大超 調(diào)。若回過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 微分環(huán)節(jié)：能改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報。但過大，會使響應(yīng)過程提前制動,從而延長調(diào)節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。4. 仿真結(jié)果輸入（給定）信號曲線（單位階躍）：3i.e1 G1.d11 1ipif1111.2:Ia1:-0.S0.GOd:>fad 1._-.- b J a k d a - s a _j - i a . - u - » i - s a >- !1.1- a-_ _ J _ b _ a - L d -k -&>> <s & » :- a i. - . J0.2