課程設(shè)計(jì)第二個(gè)課題

1、單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和整定第一部分：目的任務(wù)1.1設(shè)計(jì)目的在化工、煉油及其它工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，工藝上常需要兩種或兩種以上物料保持一定的比例關(guān)系，比例一旦失調(diào)，將影響生產(chǎn)或造成事故。通常以保持兩種物料的流量為一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，成為流量比值控制系統(tǒng)。實(shí)踐中，單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)由于流量比值較為精確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)施較為方便，所以得到了廣泛的使用。對(duì)于進(jìn)入高年級(jí)自動(dòng)化類專業(yè)的學(xué)生，深刻理解、掌握和使用過(guò)程控制方法中典型的復(fù)雜控制方法就非常必要了。通過(guò)4周的集中設(shè)計(jì)，使大家牢固掌握過(guò)程控制中的重要理論和知識(shí)點(diǎn)，并培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)、使用能力，是本課程設(shè)計(jì)的最終目的和宗旨。具體到本課題，通過(guò)一個(gè)典

2、型的串級(jí)控制的工程實(shí)例的設(shè)計(jì)，要求大家在對(duì)比幾種不同的流量比值控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)單閉環(huán)流量比值控制這一實(shí)例的設(shè)計(jì)，對(duì)單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)的原理、使用范圍、優(yōu)點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法、工程整定方法等有更深的理解。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師：工作單位：題目：初始條件：給定用于設(shè)計(jì)的串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)備及各種儀表。給出儀表的詳細(xì)資料。給出串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和整定方法。要求完成的主要任務(wù)：一設(shè)計(jì)任務(wù)本設(shè)計(jì)要求完成如下設(shè)計(jì)任務(wù)：.以單容水箱液位為主變量，進(jìn)口流量為副變量，設(shè)計(jì)一個(gè)單容液位進(jìn)口流量的串級(jí)控制系統(tǒng)。要求寫出設(shè)計(jì)原理、畫出串級(jí)控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)原理方框圖、本設(shè)計(jì)實(shí)例的

3、串級(jí)控制系統(tǒng)管道儀表流程圖，單容液位一一進(jìn)口流量的串級(jí)控制系統(tǒng)的原理方框圖；對(duì)所使用的檢測(cè)儀表的型號(hào)進(jìn)行選擇，寫出其輸入輸出信號(hào)類型，并對(duì)檢測(cè)儀表的檢測(cè)原理進(jìn)行闡述。對(duì)主、畐壯制器的正反作用方式進(jìn)行選擇，并說(shuō)明理由。4設(shè)計(jì)主、副控制器的控制規(guī)律，并至少選擇一種串級(jí)控制系統(tǒng)整定方法對(duì)主、副控制器進(jìn)行參數(shù)整定。詳細(xì)寫出主副控制器的參數(shù)整定過(guò)程，給出整定過(guò)程中的整定用曲線（如用衰減振蕩法整定時(shí)，要給出出現(xiàn)4:1衰減振蕩時(shí)的曲線波形），記錄中間得到的比例度（或比例系數(shù)）和振蕩周期，并計(jì)算出最終的整定參數(shù)。將最終計(jì)算得到的整定參數(shù)置于控制器上，對(duì)液位給定值做階躍變化，記錄其響應(yīng)曲線。最終對(duì)主、副控制器參

4、數(shù)進(jìn)行微調(diào)后，如果控制質(zhì)量得到改善，要給出微調(diào)后的響應(yīng)曲線。對(duì)流量回路施加相同擾動(dòng)，并使液位給定值做相同階躍變化時(shí)，記錄串級(jí)控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線和單回路液位控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線。7.13周：完成理論設(shè)計(jì)，14-16周進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和整定。816周，答辯，完善并上交設(shè)計(jì)報(bào)告。第二部分：設(shè)計(jì)內(nèi)容2.1設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法概述比值控制系統(tǒng)的原理概述在許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，工藝上常常要求兩種或兩種以上的物料保持一定的比例關(guān)系。一旦比例失調(diào)，就會(huì)影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，造成產(chǎn)量下降、質(zhì)量降低、能源浪費(fèi)、環(huán)境污染、甚至?xí)斐砂踩鹿?。例如在造紙過(guò)程中，要求濃紙漿和水以一定的比例混合，才能保證符合要求的紙漿濃度；在工業(yè)爐窯

5、的燃燒控制中要保證燃料和空氣按一定比例混合才能達(dá)到最佳燃燒效率；在硝酸的生產(chǎn)過(guò)程中，氨氣和氧氣必須按照一定比例混合后進(jìn)入氧化爐進(jìn)行氧化反應(yīng)，如果兩種氣體流量比例進(jìn)入爆炸范圍，可能引發(fā)生產(chǎn)事故。為此，必須對(duì)類似的生產(chǎn)過(guò)程中的物料流量比例進(jìn)行控制。在需要保持比值關(guān)系的兩種物料中，必有一種物料處于主導(dǎo)地位，這種物料成為主物料，表中這種物料的參數(shù)（一般為流量）稱為主動(dòng)量。用F!表示，而另一種物料按主物料進(jìn)行配比，在控制過(guò)程中隨主物料而變化，因而稱為從物料，表征這種物料的參數(shù)稱為從動(dòng)量，用F2表示。比值控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)從動(dòng)量F2和主動(dòng)量F1成一定的比值關(guān)系，滿足如下關(guān)開環(huán)比值控制開環(huán)比值控制系統(tǒng)是最簡(jiǎn)

6、單的比值控制方案，它的控制原理圖及方框圖如下圖2.1所示：山）方塊圖圖2.1開環(huán)比值控制系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，隨著Fi的變化，F(xiàn)2將跟著變化，以滿足F2-KF1的要求。其實(shí)質(zhì)乃是滿足控制閥的閥門開度和Fi之間成一定的比例關(guān)系。因此,當(dāng)F2因管線兩端壓力波動(dòng)而發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)不起控制作用，此時(shí)難以保證F2和Fi間的比值關(guān)系。也就是說(shuō)這種比值控制方案對(duì)副流量F2本身無(wú)抗干擾能力，只能適用于副流量較平穩(wěn)且比值要求不高的場(chǎng)合。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，F(xiàn)2的干擾常常是不可避免的，因此生產(chǎn)上很少采用開環(huán)比值控制方案。單閉環(huán)比值控制單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服開環(huán)比值控制方案的不足，在開環(huán)比

7、值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)副流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。如下圖2.2所示：（a雋理田方塊圖圖22單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)從圖中可以看出，對(duì)于單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)，穩(wěn)定狀態(tài)下，從動(dòng)量（副流量）滿足工藝要求的比值:器送到比值計(jì)算裝置,F2片=K。當(dāng)主動(dòng)量（主流量）變化時(shí)，其流量信號(hào)Fi經(jīng)變送比值計(jì)算裝置則按預(yù)先設(shè)置好的比值使輸出成比例地變化，也就是成比例地改變副流量控制器的設(shè)定值，此時(shí)副流量閉環(huán)系統(tǒng)為一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，從而使F2跟隨Fi變化，在新的穩(wěn)定工況下，流量比值K保持不變。當(dāng)副流量由于干擾發(fā)生變化時(shí)，副流量閉環(huán)系統(tǒng)就相當(dāng)于一個(gè)定值控制系統(tǒng)，自行調(diào)節(jié)克服，使工藝要求的流量比仍保持不變。單閉環(huán)流量比值控

8、制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：它不但能實(shí)現(xiàn)副流量跟隨主流量的變化而變化，而且可以克服流量本身干擾對(duì)比值的影響，因此主副流量的比值較為精確。它的結(jié)構(gòu)形式比較簡(jiǎn)單，實(shí)施起來(lái)亦較為方便，所以得到廣泛使用，尤其適用于主物料在工藝上不允許進(jìn)行控制的場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)中的單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)管道儀表流程圖圖2.3單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)管道儀表流程圖兩種單閉環(huán)整定方法簡(jiǎn)介:1.臨界比例帶法這種整定方法是在閉環(huán)情況下進(jìn)行的。設(shè)Ti=：,Td=0,使控制器工作在純比例情況下，將比例帶由大逐漸變小（對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)Kc由小逐漸變大），使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)呈現(xiàn)等幅振蕩，如圖2.4所示，記錄此時(shí)的臨界比例度Ss。根據(jù)臨界比例帶Ss和振蕩周

9、期Ts（測(cè)取方法如圖2.4）,按表2-1所列的經(jīng)驗(yàn)算式，求取控制器的參考參數(shù)數(shù)值，這種整定方法是以得到4:1衰減為目標(biāo)。表2-1臨界比例帶法整定控制器參數(shù)控制器參數(shù)控制器名稱SsTi(S)Td（s）P2SsPi2.2SsTs/1.2PID1.6Ss0.5Ts0.125Ts臨界比例帶法的優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單方便，但此法有一定限制。從工藝上看，允許被控量能承受等幅振蕩的波動(dòng)，其次是被控對(duì)象應(yīng)是二階和二階以上或具有純滯后的一階以上環(huán)節(jié)，否則在比例控制下，系統(tǒng)是不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩的。2.衰減曲線法（阻尼振蕩法）在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把控制器設(shè)置為純比例作用，然后把比例帶由大逐漸減小，加階躍擾動(dòng)觀察輸出響應(yīng)的衰減過(guò)程

10、，直至出現(xiàn)圖2-5所示的4:1衰減過(guò)程為止。這時(shí)的比例帶稱為4:1衰減比例帶，用Ss表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為4:1衰減周期Ts。根據(jù)Ss和Ts,運(yùn)用表2-2所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出控制器預(yù)整定的參數(shù)值。圖2.54:1衰減曲線法圖形表2-2阻尼振蕩法計(jì)算公式控制器參數(shù)控制器名稱S(%Ti(min)TD(min)PSSPI1.2Ss0.5TsPID0.8Ss0.3TS0.1Ts3系統(tǒng)控制器的正反作用方式一般說(shuō)控制系統(tǒng)是由對(duì)象、檢測(cè)儀表、控制器、執(zhí)行器四部分構(gòu)成，而且是負(fù)反饋系統(tǒng)。一般有現(xiàn)場(chǎng)的各種檢測(cè)儀表它一般是正作用的，PID調(diào)節(jié)器是比例微分積分控制器，閥門定位器和閥門是在一起的，閥門屬于

11、執(zhí)行器。閥門由于是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)組成，它有四種組合。控制系統(tǒng)的正反作用方向主要由控制器、執(zhí)行器和對(duì)象決定。執(zhí)行器因?yàn)榘▓?zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)兩部分。正反作用反向?yàn)樗姆N組合。序號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥氣動(dòng)執(zhí)仃器a正正氣關(guān)（正）b正反氣開（反）c反正氣開（反）d反反氣關(guān)（正）執(zhí)行器（閥門的）氣開式一般式正作用方向，氣關(guān)式一般是反作用方向。對(duì)于被控對(duì)象當(dāng)操作變量增加時(shí)，被控變量增加為正作用，反之為反作用。控制器的作用方向：當(dāng)給定值不變，被控變量測(cè)量值增加時(shí)，控制器的輸出也增加，稱為“正方向”；或者當(dāng)測(cè)量值不變，給定值減小時(shí)。控制器的輸出增加稱為“正方向”。反之稱為“反方向”。在這里被控變量是我們需要保持

12、恒定的工藝參數(shù)，比如溫度、壓力、流量等。要構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，如果已經(jīng)確定了執(zhí)行器、控制器好對(duì)象的方向。就根據(jù)正正為正，正反為反的預(yù)兆怒責(zé)確定控制系統(tǒng)的作用方向。閥門正反裝是它的安裝要求，而和控制系統(tǒng)的正反作用方向無(wú)關(guān)。閥門的氣開氣關(guān)：閥門在斷氣的情況下處于全關(guān)的狀態(tài)叫氣開，閥門在斷氣的情況下處于全開的狀態(tài)叫氣關(guān)；PID調(diào)節(jié)器的正反作用：輸入值和反饋信號(hào)做減法為反作用；做加法為正作用；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反作用：氣源壓力由小變大時(shí)，閥門由關(guān)到開為正作用，反之為反作用；定位器的正反作用：輸入信號(hào)4mA時(shí)輸出氣壓最小，輸入信號(hào)是20mA時(shí)，輸出氣壓最大，這種情況為正作用；反之則為反作用；閥門的正裝反裝

13、：不知是指閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)向上向下，還是只介質(zhì)的流向和閥門的流向相同還是相反；正反作用閥門主要是針對(duì)閥門組的控制，同一個(gè)信號(hào)控制多個(gè)閥門，有的需要開有的需要關(guān)，只能選用不同作用的閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們討論閥門正反特性的時(shí)候，默認(rèn)閥門作為一個(gè)完整的功能來(lái)討論的，而一個(gè)完整的閥門正反特性由閥門定位器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥門正裝反裝這3個(gè)串行元件的特性共同組成。閥門定位器作為控制回路中的一個(gè)串行元件，它的正反作用對(duì)于回路的正反作用當(dāng)然有影響。我們所有的閥門在選型時(shí)都默認(rèn)為正作用。從理論上說(shuō)，智能電氣閥門定位器可以調(diào)校為正作用或者反作用，但是我們?cè)谧龌芈贩治鰰r(shí)，我們只是以閥門的特性為研究對(duì)象，即根據(jù)回路特性確定閥門為正作用或者反作用，如果閥門定位器選擇反作用，那么也就意味著閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門結(jié)構(gòu)正反作用要調(diào)整，也就是說(shuō)，閥門從結(jié)構(gòu)上做不到氣源故障安全位置。第六部分：參考文獻(xiàn)陳夕松，汪木蘭過(guò)程控制系統(tǒng)北京：科學(xué)出版社,20