鍋爐液位控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　《自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)》</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(xué)院</p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化</p><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)

2、： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p><b>　　電控學(xué)院</b></p><p><b>　　2011年1月6日</b></p><p><b>　　1、設(shè)計(jì)目的：</b></p>&l

3、t;p>　　通過(guò)課程設(shè)計(jì)使學(xué)生掌握如何應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)結(jié)合自動(dòng)控制理論中的各種控制算法構(gòu)成一個(gè)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(gòu)成的工作原理和設(shè)計(jì)及其使用方法；掌握控制系統(tǒng)中典型算法的程序設(shè)計(jì)方法；掌握測(cè)控對(duì)象參數(shù)檢測(cè)方法、變送器的功能、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的功能、過(guò)程控制儀表的PID控制參數(shù)整定方法，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)課堂理論知識(shí)的理解與綜合應(yīng)用能力，進(jìn)而提高解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。</p>

4、;<p><b>　　2、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)單回路液位控制系統(tǒng)，合理選擇PID控制規(guī)律，掌握測(cè)控對(duì)象參數(shù)檢測(cè)方法、變送器的功能、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的功能、過(guò)程控制儀表的PID控制參數(shù)整定方法，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)課堂理論知識(shí)的理解與綜合應(yīng)用能力，進(jìn)而提高解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。</p><p><b>　　3、總體設(shè)計(jì)</

5、b></p><p>　　鍋爐液位控制系統(tǒng)是以液位測(cè)量信號(hào)作為唯一的控制信號(hào)，即水位測(cè)量信號(hào)經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)測(cè)量值與設(shè)定值的偏差去控制給水調(diào)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(nèi)。鍋爐液位控制系統(tǒng)是由鍋爐內(nèi)膽、變送器、調(diào)節(jié)器（控制器）、給水調(diào)節(jié)閥及相關(guān)電路組成，其工作原理如圖所示。</p><p><b>　　（一）、課題任

6、務(wù)</b></p><p>　?。?）確定總體方案：總體方案是只針對(duì)所設(shè)計(jì)的任務(wù)、要求和條件，根據(jù)已經(jīng)掌握的知識(shí)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(huà)出一個(gè)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(chǔ)上，發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，設(shè)想幾種系統(tǒng)方案，從設(shè)計(jì)的合理性、技術(shù)的先進(jìn)性、運(yùn)行的可靠性和制作的經(jīng)濟(jì)性等方面，分別進(jìn)行技術(shù)論證和經(jīng)濟(jì)效益的比較，最后確定總體方案。

7、</p><p>　　（2）選擇元器件：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一是選擇合適的元器件并組合成系統(tǒng)。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)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?cè)诳刂葡到y(tǒng)中的作用。</p><p>　　選擇元器件，必須根據(jù)三個(gè)要素：</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求和具體方案，選擇滿足技術(shù)性能指標(biāo)的元器件。</p><p>　　根

8、據(jù)市場(chǎng)貨源情況的性能價(jià)格比，選擇元器件。</p><p>　　在保證系統(tǒng)達(dá)到功能指標(biāo)要求的前提下，應(yīng)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(chǔ)上確定控制器相應(yīng)的參數(shù)，包括比例系數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)等。</p><p>　?。?）對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性：對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行MATL

9、AB仿真。若相關(guān)參數(shù)的設(shè)置不理想，可根據(jù)所得結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。</p><p>　　（二）、被控參數(shù)的選擇</p><p>　　按照控制內(nèi)容的要求，選擇鍋爐內(nèi)膽的液位高度為被控參數(shù)。</p><p>　?。ㄈ?、被控變量的選擇</p><p>　　影響鍋爐內(nèi)膽液位的變量有進(jìn)水流量和出水流量，可以通過(guò)控制進(jìn)出水閥的開(kāi)度進(jìn)行控制液位。此次控制過(guò)

10、程采用保持出水量一定，把進(jìn)水量作為控制對(duì)象進(jìn)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(fù)反饋控制：</p><p>　　反饋系統(tǒng)是按偏差進(jìn)行

11、控制來(lái)消除偏差的。沒(méi)有偏差出現(xiàn)時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)不變。無(wú)論出現(xiàn)什么擾動(dòng)、在什么位置出現(xiàn)、什么時(shí)候出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器總要等到擾動(dòng)引起被控參數(shù)出現(xiàn)偏差以后才進(jìn)行控制。液位控制時(shí)，一旦液位發(fā)生變化即產(chǎn)生偏差量，反饋系統(tǒng)可以迅速作用。同時(shí)，只要干擾位于反饋環(huán)之內(nèi)，反饋控制系統(tǒng)總能消除其對(duì)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(nèi)各種擾動(dòng)的影響。因此反饋系統(tǒng)可以用于液位控制。</p><p>　?。ㄋ模?、設(shè)備元件選型<

12、;/p><p>　　整個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)由控制器，執(zhí)行器，測(cè)量變送，被控對(duì)象組成，在本次控制系統(tǒng)中控制器為計(jì)算機(jī)，采用算法為PID控制規(guī)律，執(zhí)行器為電磁閥，測(cè)量變送器為HB,FT兩個(gè)組成，被控對(duì)象為流量PV。</p><p><b>　　1、液位傳感器</b></p><p>　　液位傳感器用來(lái)對(duì)上水箱的壓力進(jìn)行檢測(cè)，采用工業(yè)的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送

13、器，本變送器按標(biāo)準(zhǔn)的二線制傳輸，喜愛(ài)用高品質(zhì)低耗精密器件，穩(wěn)定性，可靠性大大提高?？煞奖愕呐c其他DDZ-3X型儀表互換配置，并能直接替換進(jìn)口同類(lèi)儀表，校驗(yàn)的方式是通電預(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)整電位器，使輸出電流為4mA，在滿量程壓力下調(diào)整兩成電位器，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)需要串24V直流電源。壓力傳感器用來(lái)對(duì)上水位水箱中水位水箱的壓力進(jìn)行檢測(cè)，采用

14、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。</p><p>　　2、電磁流量傳送器</p><p>　?。?）、流量傳感器用來(lái)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)本實(shí)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(chēng)直徑10mm，流量0~0.3m3/h，壓力1.6Mpmax，4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，可與顯示，記錄儀表，

15、計(jì)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)的致命缺點(diǎn)，確保試驗(yàn)效果能達(dá)到教學(xué)要求。主要優(yōu)點(diǎn)： </p><p>　　采用整體焊接結(jié)構(gòu)，密封性好；</p><p>　　結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，內(nèi)部無(wú)法活動(dòng)部件，幾乎無(wú)壓力損失；</p><p>　　采用低頻矩形波勵(lì)磁，抗干擾性能好，零點(diǎn)穩(wěn)定；</p><p>　　儀表反映靈敏，輸出信號(hào)與流量呈現(xiàn)象關(guān)

16、系，量程比寬</p><p>　?。?）、流量轉(zhuǎn)換器采用LDZ-4型電磁流量傳感器配套使用，輸入信號(hào)：0~0.4mV輸出信號(hào)；4~20mA DC，負(fù)載電阻為0~750Ω，基本誤差：輸出信號(hào)量程的0.5%。</p><p><b>　　3、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥</b></p><p>　　電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)控制回路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用德國(guó)PSL202型智能電動(dòng)調(diào)節(jié)

17、閥，無(wú)需陪伺服放大器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機(jī)，運(yùn)行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高，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及單項(xiàng)電源，即可控制與轉(zhuǎn)時(shí)限對(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，泄漏量小的優(yōu)點(diǎn)。采用PS電子式執(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

18、和快開(kāi)特性，閥門(mén)采用彈簧連接，可預(yù)置閥門(mén)關(guān)斷力，保證閥門(mén)的可靠關(guān)斷，防止泄露，性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　　4、PID模塊選擇</b></p><p>　　當(dāng)需要構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，過(guò)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(yuǎn)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(chǎng)環(huán)境，先進(jìn)性與實(shí)用性并舉，有效的拉近

19、了實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(hào)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(zhuǎn)換模塊，485/232轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換速度極高（300-115KHZ），232口可長(zhǎng)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>　　（1）把調(diào)節(jié)器設(shè)成比例作用（Ti=∞，Td=0），置于較大比例度，投入自動(dòng)運(yùn)行。</p><p>　?。?）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(diào)節(jié)過(guò)程曲線。</p><p>　　（3）適當(dāng)改變比例度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，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(shí)的比例度Ps及周期Ts。</p><p>　　n=10:1時(shí)，記Ps及Ts</p><p>　　（4）按下表（n=4:1）或（n=10:1）求得各種調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)的整定參數(shù)。</p><p>　　圖5 衰減曲線法整定參數(shù)計(jì)算表</p><p>　　2、MATLAB仿真整

23、定過(guò)程</p><p>　　已知被控對(duì)象鍋爐內(nèi)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(dāng)出現(xiàn)理想的衰減波形時(shí)，即衰減比n為4：1時(shí)，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(shí)的系統(tǒng)衰減曲線</p><p>　　按衰減比4：1時(shí)由整定表格求得整定后P=30，I=10，D=0.0355。</p><p>　　當(dāng)無(wú)干擾時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示：</p><p>　　比較單回路控制系統(tǒng)無(wú)干擾階躍響應(yīng)可知，串級(jí)控制降低了最大偏差，減小了振蕩頻率

25、，大大縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。</p><p>　　圖8 （無(wú)噪聲時(shí)）系統(tǒng)的階躍響應(yīng)</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(dòng)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(dòng)后，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，系統(tǒng)沒(méi)有較大波動(dòng)，最終確定P,I,D的設(shè)定值分

26、別為30，10, 0.0355。</p><p>　　圖10 加入擾動(dòng)后系統(tǒng)衰減曲線</p><p><b>　　4、設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　通過(guò)此次設(shè)計(jì)，我掌握了液位單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成，知道它最基本的部分有控制器、調(diào)節(jié)器、被控對(duì)象和測(cè)量變送組成。并且學(xué)會(huì)了如何去設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)，掌握了基本的設(shè)計(jì)步驟，認(rèn)知被控對(duì)象、設(shè)計(jì)控

27、制方案、選擇控制規(guī)律、選擇過(guò)程儀表、選擇過(guò)程模塊、參數(shù)整定、設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖，掌握MATLAB仿真?？傮w來(lái)說(shuō)，這次設(shè)計(jì)收獲很大。</p><p><b>　　5、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 機(jī)械工業(yè)出版社 王再英</p><p>　　[2]自動(dòng)控制原理 科學(xué)出版社