鍋爐液位控制系統(tǒng)課程設計

1、<p>　　《自動控制原理課程設計》</p><p>　　課題： 鍋爐液位控制系統(tǒng)</p><p>　　系 別： 電氣與控制工程學院</p><p>　　專 業(yè)： 自動化</p><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學 號

2、： </b></p><p><b>　　指導教師： </b></p><p><b>　　電控學院</b></p><p><b>　　2011年1月6日</b></p><p><b>　　1、設計目的：</b></p>&l

3、t;p>　　通過課程設計使學生掌握如何應用微型計算機結合自動控制理論中的各種控制算法構成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理和方法；掌握工業(yè)控制中典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件部分的構成的工作原理和設計及其使用方法；掌握控制系統(tǒng)中典型算法的程序設計方法；掌握測控對象參數(shù)檢測方法、變送器的功能、執(zhí)行器和調節(jié)閥的功能、過程控制儀表的PID控制參數(shù)整定方法，進一步加強對課堂理論知識的理解與綜合應用能力，進而提高解決實際工程問題的能力。</p>

4、;<p><b>　　2、設計要求</b></p><p>　　設計一個單回路液位控制系統(tǒng)，合理選擇PID控制規(guī)律，掌握測控對象參數(shù)檢測方法、變送器的功能、執(zhí)行器和調節(jié)閥的功能、過程控制儀表的PID控制參數(shù)整定方法，進一步加強對課堂理論知識的理解與綜合應用能力，進而提高解決實際工程問題的能力。</p><p><b>　　3、總體設計</

5、b></p><p>　　鍋爐液位控制系統(tǒng)是以液位測量信號作為唯一的控制信號，即水位測量信號經變送器送到水位調節(jié)器，調節(jié)器根據(jù)測量值與設定值的偏差去控制給水調節(jié)閥，從而改變給水量以保持水位保持在允許的±5%誤差范圍之內。鍋爐液位控制系統(tǒng)是由鍋爐內膽、變送器、調節(jié)器（控制器）、給水調節(jié)閥及相關電路組成，其工作原理如圖所示。</p><p><b>　?。ㄒ唬?、課題任

6、務</b></p><p>　　（1）確定總體方案：總體方案是只針對所設計的任務、要求和條件，根據(jù)已經掌握的知識和資料從全局著眼，將總體功能要求合理地發(fā)、分配給若干單元電路，并畫出一個能夠表示各單元功能和總體工作原理的框圖。在分析比較各種資料的基礎上，發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，設想幾種系統(tǒng)方案，從設計的合理性、技術的先進性、運行的可靠性和制作的經濟性等方面，分別進行技術論證和經濟效益的比較，最后確定總體方案。

7、</p><p>　?。?）選擇元器件：控制系統(tǒng)設計的關鍵之一是選擇合適的元器件并組合成系統(tǒng)。因此，在設計過程中，不但要考慮傳感變送器的選擇，也要考慮執(zhí)行期的選擇，以及他們在控制系統(tǒng)中的作用。</p><p>　　選擇元器件，必須根據(jù)三個要素：</p><p>　　根據(jù)設計要求和具體方案，選擇滿足技術性能指標的元器件。</p><p>　　根

8、據(jù)市場貨源情況的性能價格比，選擇元器件。</p><p>　　在保證系統(tǒng)達到功能指標要求的前提下，應盡量減少元器件的品種、間隔、體積等。</p><p>　?。?）確定控制器的參數(shù)：在確定控制算法的基礎上確定控制器相應的參數(shù)，包括比例系數(shù)、微分時間常數(shù)、積分時間常數(shù)等。</p><p>　?。?）對所設計的系統(tǒng)進行仿真，以驗證設計的準確性：對所設計的系統(tǒng)進行MATL

9、AB仿真。若相關參數(shù)的設置不理想，可根據(jù)所得結果進行相應的調整。</p><p>　?。ǘ?、被控參數(shù)的選擇</p><p>　　按照控制內容的要求，選擇鍋爐內膽的液位高度為被控參數(shù)。</p><p>　?。ㄈ⒈豢刈兞康倪x擇</p><p>　　影響鍋爐內膽液位的變量有進水流量和出水流量，可以通過控制進出水閥的開度進行控制液位。此次控制過

10、程采用保持出水量一定，把進水量作為控制對象進行控制。</p><p><b>　　控制方案的選擇</b></p><p><b>　　干擾f</b></p><p>　　圖3 反饋控制原理圖</p><p>　　采用單回路負反饋控制：</p><p>　　反饋系統(tǒng)是按偏差進行

11、控制來消除偏差的。沒有偏差出現(xiàn)時，調節(jié)器輸出信號不變。無論出現(xiàn)什么擾動、在什么位置出現(xiàn)、什么時候出現(xiàn)，調節(jié)器總要等到擾動引起被控參數(shù)出現(xiàn)偏差以后才進行控制。液位控制時，一旦液位發(fā)生變化即產生偏差量，反饋系統(tǒng)可以迅速作用。同時，只要干擾位于反饋環(huán)之內，反饋控制系統(tǒng)總能消除其對被控參數(shù)的影響，即反饋控制系統(tǒng)可以消除反饋環(huán)之內各種擾動的影響。因此反饋系統(tǒng)可以用于液位控制。</p><p>　?。ㄋ模?、設備元件選型<

12、;/p><p>　　整個過程控制系統(tǒng)由控制器，執(zhí)行器，測量變送，被控對象組成，在本次控制系統(tǒng)中控制器為計算機，采用算法為PID控制規(guī)律，執(zhí)行器為電磁閥，測量變送器為HB,FT兩個組成，被控對象為流量PV。</p><p><b>　　1、液位傳感器</b></p><p>　　液位傳感器用來對上水箱的壓力進行檢測，采用工業(yè)的DBYG擴散硅壓力變送

13、器，本變送器按標準的二線制傳輸，喜愛用高品質低耗精密器件，穩(wěn)定性，可靠性大大提高。可方便的與其他DDZ-3X型儀表互換配置，并能直接替換進口同類儀表，校驗的方式是通電預熱15分鐘后，分別在零壓力和滿程壓力下檢查輸出電流值，在零壓力下調整電位器，使輸出電流為4mA，在滿量程壓力下調整兩成電位器，使輸出電流為20mA，本傳感器精度為0.5級，因為為二線制，故工作時需要串24V直流電源。壓力傳感器用來對上水位水箱中水位水箱的壓力進行檢測，采用

14、工業(yè)用的DBYG擴散硅壓力變送器，0.5級精度，二線制4~20mA標志信號輸出。</p><p>　　2、電磁流量傳送器</p><p>　?。?）、流量傳感器用來對電動調節(jié)閥的主流量和干擾回路的干擾流量進行檢測。根據(jù)本實驗裝置的特點，采用工業(yè)用的LDS-10s型電磁流量傳感器，公稱直徑10mm，流量0~0.3m3/h，壓力1.6Mpmax，4~20mA標準信號輸出，可與顯示，記錄儀表，

15、計算器或調節(jié)器配套，避免了渦輪流量計非線性與死區(qū)的致命缺點，確保試驗效果能達到教學要求。主要優(yōu)點： </p><p>　　采用整體焊接結構，密封性好；</p><p>　　結構簡單可靠，內部無法活動部件，幾乎無壓力損失；</p><p>　　采用低頻矩形波勵磁，抗干擾性能好，零點穩(wěn)定；</p><p>　　儀表反映靈敏，輸出信號與流量呈現(xiàn)象關

16、系，量程比寬</p><p>　　（2）、流量轉換器采用LDZ-4型電磁流量傳感器配套使用，輸入信號：0~0.4mV輸出信號；4~20mA DC，負載電阻為0~750Ω，基本誤差：輸出信號量程的0.5%。</p><p><b>　　3、電動調節(jié)閥</b></p><p>　　電動調節(jié)閥對控制回路流量進行調節(jié)。采用德國PSL202型智能電動調節(jié)

17、閥，無需陪伺服放大器，驅動電機采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機，運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉，控制精度高，控制單元與電動執(zhí)行機構一體化，可靠性高，操作方便，并可與計算機配套使用，組成最佳調節(jié)回路，有輸入控制信號4-20mA及單項電源，即可控制與轉時限對壓力流量溫度壓力等參數(shù)的調節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量小的優(yōu)點。采用PS電子式執(zhí)行機構，4-20mA閥位反饋信號輸出雙導向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性

18、和快開特性，閥門采用彈簧連接，可預置閥門關斷力，保證閥門的可靠關斷，防止泄露，性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點。</p><p><b>　　4、PID模塊選擇</b></p><p>　　當需要構成計算機控制系統(tǒng)時，過程控制裝置的數(shù)據(jù)采集和控制采用目前最新的牛頓7000系列遠程數(shù)據(jù)采集模塊和組態(tài)軟件組成，完全模擬工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，先進性與實用性并舉，有效的拉近

19、了實驗室與工業(yè)現(xiàn)場的距離，他體積小，安裝方便可靠性極高。</p><p>　　D/A模塊：采用牛頓7024模塊，4路模擬輸出，電流（4-20mA）電壓（1-5V）信號均可。</p><p>　　A/D模塊：采用牛頓7017模塊，8路模擬電壓（1-5V）輸入。</p><p>　　DO模塊：采用牛頓7043模塊。</p><p>　　通訊模塊：

20、采用牛頓7520轉換模塊，485/232轉換模塊，轉換速度極高（300-115KHZ），232口可長距離。</p><p>　?。ㄎ澹?、MATLAB仿真及參數(shù)整定</p><p><b>　　1、參數(shù)整定方法</b></p><p>　　本次MATLAB仿真參數(shù)整定方法采用衰減曲線法，衰減曲線法屬于閉環(huán)整定方法，但不需要尋找等幅振蕩狀態(tài)，只需尋

21、找最佳衰減振蕩狀態(tài)即可。具體方法如下：</p><p>　?。?）把調節(jié)器設成比例作用（Ti=∞，Td=0），置于較大比例度，投入自動運行。</p><p>　　（2）在穩(wěn)定狀態(tài)下，階躍改變給定值（通常以5%左右為宜），觀察調節(jié)過程曲線。</p><p>　?。?）適當改變比例度，重復上述實驗，到出現(xiàn)滿意的衰減曲線為止。</p><p>　　

22、圖4 系統(tǒng)衰減震蕩曲線</p><p>　　記下此時的比例度Ps及周期Ts。</p><p>　　n=10:1時，記Ps及Ts</p><p>　?。?）按下表（n=4:1）或（n=10:1）求得各種調節(jié)規(guī)律時的整定參數(shù)。</p><p>　　圖5 衰減曲線法整定參數(shù)計算表</p><p>　　2、MATLAB仿真整

23、定過程</p><p>　　已知被控對象鍋爐內膽控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為，在MATLAB下搭建的仿真系統(tǒng)模型如下：</p><p>　　圖6 系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖</p><p>　　取Ti=1000，Td=0.001，比例度P置于較大位置，按衰減曲線法逐步整定P值，當出現(xiàn)理想的衰減波形時，即衰減比n為4：1時，P=24，理想衰減波形如下所示，由波形求得P’s=

24、1/24及Ts=0.355s。</p><p>　　圖7 衰減比為4：1時的系統(tǒng)衰減曲線</p><p>　　按衰減比4：1時由整定表格求得整定后P=30，I=10，D=0.0355。</p><p>　　當無干擾時，系統(tǒng)的階躍響應如下圖所示：</p><p>　　比較單回路控制系統(tǒng)無干擾階躍響應可知，串級控制降低了最大偏差，減小了振蕩頻率

25、，大大縮短了調節(jié)時間。</p><p>　　圖8 （無噪聲時）系統(tǒng)的階躍響應</p><p>　　現(xiàn)向系統(tǒng)中加入干擾，系統(tǒng)的MATLAB仿真圖如下：</p><p>　　圖9 加入擾動后的MATLAB仿真系統(tǒng)框圖</p><p>　　由示波器觀察所得的階躍衰減曲線可知，在加入擾動后，系統(tǒng)相對穩(wěn)定，系統(tǒng)沒有較大波動，最終確定P,I,D的設定值分

26、別為30，10, 0.0355。</p><p>　　圖10 加入擾動后系統(tǒng)衰減曲線</p><p><b>　　4、設計總結</b></p><p>　　通過此次設計，我掌握了液位單回路控制系統(tǒng)的構成，知道它最基本的部分有控制器、調節(jié)器、被控對象和測量變送組成。并且學會了如何去設計一個過程控制系統(tǒng)，掌握了基本的設計步驟，認知被控對象、設計控

27、制方案、選擇控制規(guī)律、選擇過程儀表、選擇過程模塊、參數(shù)整定、設計系統(tǒng)流程圖，掌握MATLAB仿真?？傮w來說，這次設計收獲很大。</p><p><b>　　5、參考文獻</b></p><p>　　[1]過程控制系統(tǒng)與儀表 機械工業(yè)出版社 王再英</p><p>　　[2]自動控制原理 科學出版社