過程控制課程設(shè)計報告-貯槽液位控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　過程控制課程設(shè)計</b></p><p>　　設(shè)計題目：貯槽液位控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　學院：電氣工程學院</b></p><p><b>　　專業(yè)：自動化</b></p><p><b>　　班級：091班</b

2、></p><p><b>　　2012年6月4日</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　設(shè)計目的···············

3、3;·····························4</p><p>　　設(shè)計任務(wù)及要求··&

4、#183;····································

5、;4</p><p>　　工藝過程及要求·······························&#

6、183;·······5</p><p>　　系統(tǒng)總體方案的選擇及說明·······················

7、······6</p><p>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理·························

8、;······7</p><p>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖·························

9、83;·················7</p><p>　　2.工作原理··············&

10、#183;································8</p><p>　

11、　3.水箱建模···································

12、83;···········8</p><p>　　六、各單元軟硬件····················

13、;·····················10</p><p>　　1.控制對象··········&#

14、183;····································

15、10</p><p>　　2.控制器·······························

16、3;·················10</p><p>　　3.調(diào)節(jié)閥··············&#

17、183;··································11</p>

18、<p>　　4.差壓變送器·································&#

19、183;···········12</p><p>　　七、參數(shù)的整定及仿真結(jié)果···················

20、;··············13</p><p>　　1.經(jīng)驗法（現(xiàn)場實驗整定法）················

21、················13</p><p>　　2.常見被控量的PID參數(shù)選擇范圍·············

22、3;·············13</p><p>　　3.控制器各校正環(huán)節(jié)的作用·················

23、················13</p><p>　　4.仿真結(jié)果···············

24、83;·······························14</p><p>　　八、分析總結(jié)

25、····································

26、3;········16</p><p>　　設(shè)備清單·······················

27、83;·························17</p><p>　　參考文獻······&#

28、183;····································

29、······18</p><p><b>　　一、設(shè)計目的</b></p><p>　　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、明確應完成的工作內(nèi)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。

30、</p><p>　　通過課程設(shè)計，可以培養(yǎng)學生以下能力：</p><p>　　獨立工作能力和創(chuàng)造力；</p><p>　　查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊和各種工具書的能力；</p><p>　　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；</p><p>　　編寫技術(shù)資料的能力。</p><p&g

31、t;<b>　　二、設(shè)計任務(wù)及要求</b></p><p>　　課程設(shè)計應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。</p><p>　　設(shè)計任務(wù)主要包括以下方面：</p><p>　　1.了解生產(chǎn)

32、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)。</p><p>　　2.明確控制要求：找出被控對象，針對可能出現(xiàn)的干擾因素分析控制目的及其應達到的控制效果。</p><p>　　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。</

33、p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　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)閥進行相應的計算），調(diào)研產(chǎn)品的

34、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。</p><p>　　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。</p><p><b>　　三、工藝過程及要求</b></

35、p><p>　　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。</p><p>　　工藝要求液位貯槽內(nèi)的液位需維持在某給定值上下，或在某一小范圍內(nèi)變化，并保證物料不產(chǎn)生溢出。 </p><p>　　四、系統(tǒng)總體方案的選擇及說明</p><p>　　隨著

36、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)。</p><p>　　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

37、間緩沖容器、水箱等應用十分普遍，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，因此工藝要求貯槽內(nèi)的液位需維持在某個給定值上下，或在某一小范圍內(nèi)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)。</p><p>　　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

38、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。</p><p>　　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

39、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：</p><p>　　WC(S)——控制器的傳遞函數(shù) WV(S)——調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)</p><p>　　WO(S)——被控過程的傳遞函數(shù) Wm(S)——測量變送器的傳遞函數(shù)</p><p>　　五、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理<

40、;/p><p><b>　　1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：</b></p><p>　　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

41、饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律進行運算（如PID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。</p><p><b>　　2.工作原理</b></p><p>　　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）

42、來保持參數(shù)恒定（或在很小范圍變化），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)量要求不太高的場合。</p><p>　　單回路過程控制系統(tǒng)雖然簡單，但它的分析、設(shè)計方

43、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。</p><p><b>　　3.水箱建模</b></p><p>　　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測試

44、法進行建模。</p><p>　　如圖2-1，設(shè)水箱的進水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。若Q1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Q1 之間的數(shù)學表達式。</p><p>　　根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有</p><p><b>　　（2-1）</b></p>

45、<p>　　將式（2-1）表示為增量形式</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中，、、——分別為偏離某一平衡狀態(tài)、、的增量； C——水箱底面積。</p><p>　　在靜態(tài)時，=；=0；當發(fā)生變化時，液位h隨之變化，閥處的靜壓也隨之變化，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

46、間為非線性關(guān)系。但為簡化起見，經(jīng)線性化處理，則可近似認為與成正比，而與閥的阻力成反比，即</p><p>　　或 （2-3）</p><p>　　式中，為閥的阻力，稱為液阻。</p><p>　　將式（2-3）代入式（2-2）可得</p><p><b>　?。?-4）</b>

47、</p><p>　　在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得：</p><p><b>　　（2-5）</b></p><p>　　式中，T=R2C為水箱的時間常數(shù)（注意：閥V2的開度大小會影響到水箱的時間常數(shù)），K=R2為過程的放大倍數(shù)。令輸入流量=，為常量，則輸出液位的高度為：</p><p><b>　　(

48、2-6)</b></p><p>　　即 （2-7）</p><p><b>　　當t時， 因而有</b></p><p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　　當t=T時，則有</b>

49、;</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　式（2-7）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應曲線是一單調(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曲線作切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值的交點所對應的時間就是時間常數(shù)T。

50、 </p><p>　　圖2-2 階躍響應曲線</p><p><b>　　六、各單元軟硬件</b></p><p><b>　　1.控制對象</b></p><p>　　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

51、箱裝有液位傳感器，并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)。</p><p><b>　　2.控制器</b></p><p>　　模擬式控制器DDZ-Ⅲ型</p><p>　　DDZ-Ⅲ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，

52、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：</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　有軟、硬兩種手動操作方式

53、，軟手動和自動之間相互切換具有雙向無平衡無擾動特性，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。</p><p>　　采用國際標準信號制，現(xiàn)場傳輸信號為4～20mA直流電流，控制室聯(lián)絡(luò)信號為1～5V直流電壓，信號電流和電壓的轉(zhuǎn)換電阻為250Ω。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

54、式，即進出控制室的傳輸信號為直流電流信號（4～20mA），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。</p><p>　　DDZ-Ⅲ型控制器傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　3.調(diào)節(jié)閥</b></p><p>　　氣動調(diào)節(jié)閥：結(jié)構(gòu)簡單，可靠，維護方便，防火防爆。</p><p>　　薄膜式：

55、因為不需要大口徑、高壓降，一般情況選用薄膜式。</p><p>　　直通單座閥：因為這是小口徑、低壓差的場合。</p><p>　　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。</p><p>　　選用ZJHP系列ZHB-22型氣動氣開式薄膜直通單座調(diào)節(jié)閥</p>&

56、lt;p>　　此調(diào)節(jié)閥是上海好施閥門有限公司生產(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)保持在給定值。是符合IEC標準的新一代通用調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品。</p><

57、;p><b>　　結(jié)構(gòu)特點:</b></p><p>　　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</p>

58、<p>　　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

59、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。</p><p><b>　　傳遞函數(shù)：</b></p><p><b>　　4.差壓變送器</b></p><p>　　選用羅斯蒙特3051C差壓變送器，其主要參數(shù)如下:</p><p>　　總體性能：±0.15%<

60、;/p><p>　　精度：±0.075%</p><p>　　差壓：校驗量程從0.5inH2O至2000psi</p><p>　　表壓：校驗量程從2.5inH2O至2000psi</p><p>　　絕對壓力：校驗量程從0.167psia至4000psia</p><p>　　過程隔離膜片：不銹鋼，哈氏合金C，

61、蒙乃爾，鉭（僅限CD，CG）及鍍金蒙乃爾</p><p>　　設(shè)計小巧、堅固而質(zhì)輕，易于安裝</p><p>　　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。</p><p>　　七、 參數(shù)的整定及仿真結(jié)果</p>&l

62、t;p>　　1.經(jīng)驗法（現(xiàn)場實驗整定法）</p><p>　　按照先比例、后積分、再微分 的順序進行整定</p><p>　　TI=∞，TD=0，δ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。</p><p>　　若靜差不能滿足要求，則需要加積分環(huán)節(jié)。比例度δ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

63、小或者消除誤差。</p><p>　　若動態(tài)特性不能滿足要求，由大到小調(diào)節(jié)TD，同時適當調(diào)節(jié)TI、δ。</p><p>　?。M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）</p><p>　　2.常見被控量的PID參數(shù)選擇范圍：</p><p>　　3.控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：</p><p&g

64、t;　?、俦壤h(huán)節(jié)：用于加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應速度越快，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。取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。</p><p>　　②積分環(huán)節(jié)：主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過小，在響應過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應過程的較大超調(diào)。若過大，將使系統(tǒng)靜

65、態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。</p><p>　?、畚⒎汁h(huán)節(jié)：能改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應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。</p><p><b>　　4.仿真結(jié)果</b></p><p>　　輸入（給定）信號曲線（單位階躍）

66、：</p><p><b>　　只采用比例P控制</b></p><p>　　K=30，TI=∞，TD=0</p><p>　　Simulink仿真曲線：</p><p>　　Simulink仿真曲線（加入擾動）：</p><p>　　采用比例積分PI控制</p><p>

67、　　K=30，TI=5，TD=0</p><p>　　Simulink仿真曲線：</p><p>　　Simulink仿真曲線（加入擾動）：</p><p><b>　　八、 分析總結(jié)</b></p><p>　　在這次課程設(shè)計中，我們組的設(shè)計題目是：貯槽液位控制系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，我們通過組員的分工合作，設(shè)計

68、出了貯槽液位自動過程控制方案。這套方案有以下的優(yōu)點：不管任何擾動引起被控變量偏離設(shè)定值，都會產(chǎn)生控制作用去克服被控變量與設(shè)定值的偏差。此控制系統(tǒng)有較高的控制精度和較好的適應能力，并且結(jié)構(gòu)簡單，投資少，易于調(diào)整，操作維護比較方便，又能滿足多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)的控制要求，其應用范圍非常廣泛。這套方案的缺點是：該控制系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才產(chǎn)生，當系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時，控制作用對擾動的克服不及時，從而使其控制質(zhì)量大大降低。通過這次的課

69、程設(shè)計，我們對課本上的知識有了更深刻的了解，特別是培養(yǎng)了我們的設(shè)計思維，增強了我們的實際操作能力，更使我們認識到團隊合作的重要性。</p><p><b>　　設(shè)備清單</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　【1】王再英．劉淮霞．陳毅靜．過程控制系統(tǒng)與儀表．北京：機械工業(yè)出版社，2005