中南大学过程控制流量控制课程设计报告

中南大学《过程控制系统》课程设计报告设计题目流量控制系统设计指导老师凌玉华吴同茂设计者专业班级设计日期2015年1月目录第一章过程控制系统设计的目的意义11.1设计目的11.2课程在教学计划中的地位和作用1第二章控制系统实验控制设计与调试12.1流量控制系统的工艺及控制要求22.2流量系统控制实验方案设计32.3系统调试与控制效果4第三章流量控制系统设计53.1流量控制系统总设计图63.2控制系统硬件设计9第四章收获、体会和建议10参考文献12第一章过程控制系统设计的目的意义1.1设计目的本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。其主要是设计工业生产过程经常遇到的压力、流量、液位及温度控制系统，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。1.2课程在教学计划中的地位和作用课程设计对过程控制课程有重要的实践意义，可以加深学生对所学知识的理解与运用。主要的内容是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。基本要求如下:1.掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；2.掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；3.掌握PID调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。4．通过对一个典型工业生产过程进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、液位）设计其控制系统。以上的课程设计要求充分地结合了教材理论知识，将理论上的常用工程设计过程运用到了课程设计之中。从整个系统的角度讲，课程将过程控制硬件系统，软件系统同书本中的理论知识有机地结合起来了，使学生要选定一个具体的工艺过程控制，从底层基本的器件选型到顶层高级的目标控制一步步实现，使我们体会到一个系统的具体构建过程，体验了过程控制系统的基本设计思路，提高了系统设计能力。可见，课程设计对我们学习这门课有着启发性与重大的指导性意义。第二章流量控制系统实验控制设计与调试2.1流量控制系统的工艺及控制要求工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。其中不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制效果。流量控制系统不包含影响调节过程快速性的大滞后效应和大惯性特性，所以系统响应快，通频带宽；系统中普遍存在外扰，如负载流量的波动和泵的脉动造成的压力脉动等。因此应综合考虑系统的快速性、稳定性、稳态误差、抗干扰能力等进行综合设计。流量控制系统的被控变量可以选择内容器或外容器的流量，操作变量则可以选择进内容器调节阀或外容器调节阀控制容器进水流量。要求通过比较反馈，再经PID调节器运算，最后调节电子阀的阀门开度，改变流入水箱的水流量以达到控制的目的。流量控制系统不包含影响调节过程快速性的大滞后效应和大惯性特性，所以系统响应快，通频带宽；系统中普遍存在外扰，如负载流量的波动和泵的脉动造成的压力脉动等。因此控制要求系统的快速性、稳定性、稳态误差、抗干扰能力等都能达到预期的目的。2.2流量系统控制实验方案设计该装置由嵌套的两个容器、流体输送装置及相关的检测、变送、执行仪表组成。配套的仪表屏上安装了控制、显示、记录等仪表和水泵的启动、停止按钮，并配有带连接信号插座孔的工艺模拟流程图。工艺过程模拟流程图如图1所示。图2.1带连接信号插座孔的流量装置工艺模拟流程图上图2.1中，标有字母的方块为各种仪表，O为各仪表输入、输出的单线插件的插孔（+,-插孔）。其中：C：控制器（调节器）。该装置配有4个单回路调节器，其中C1、C2和C3的控制输出信号为4~20mA，C4的控制输出信号为固态继电器控制信号，每个调节器设有三对插座孔（＋，－插孔）。其中:PV孔为测量值输入，SV孔为外设定输入或阀位反馈信号输入，O孔为调节器输出。R：记录仪为无纸4通道记录仪，输入信号4~20mA，其中R1为1号通道，R2为2号通道，R3为3号通道，R4为4号通道。到每个通道有两个插座孔，其中上孔（＋插孔）接变送器来的信号，下孔（－插孔）用来转接到其他仪表作为输入信号，不能接错。V1~2和I1~2：两路电压/电流转换器。其中V1为第1路电压输入信号端，I1为第1路电流输出信号端，V2为第2路电压输入信号端，I2为第2路电流输出信号端，O上孔（＋插孔）接电压/电流转换器来的正信号，下孔（－插孔）接电压/电流转换器来的负信号，不能接错。FT：流量变送器。流量变送器有二种，一种为LZ型金属管浮子流量计，输入0~50L/h，输出4~20mA信号，另一种为LWGY型涡轮流量计，输入0~400L/h，输出4~20mA信号，它们都需外部提供24V工作电源。接线方式为负载正端接FT（+）流量变送器正端，负载负端接FT（―）流量变送器负端。VL：电子式电动调节阀为电子小流量调节阀，电动调节阀输入4~20mA电流信号，对应阀门输出开度0~100%。X/Y：乘除器。信号X、Y、Z之间的关系为：Z＝X＊A或Z＝Y＊A。其中A=0~1.0，B=0，X、Y为输入信号，Z为输出信号，这三对插座孔均为4~20mA信号。整个装置有两个检测变量（内容器流量、外容器流量），可从中选择一至两个为被控变量。有三个控制变量（两个经调节阀的流量和固态继电器控制输出电压），可选为操作变量，或选为扰动输入。选定被控变量、操作变量、主要扰动和控制方案后，只要在模拟控制流程图上的插座孔进行不同的连接，就能方便、迅速地组成不同的控制系统。在带连接信号插座孔的流量装置工艺模拟流程图中所示，简单内给定闭环内容器流量控制回路的接线方式如下：首先把内容器流量FT1的电流信号串入无纸记录仪的1号通道R1，再串入到1号调节器的输入端PV，如：FT1(+)接R1(+)，R1（-）接C1(PV+)，C1(PV-)接FT1(-)，再把调节器的控制输出信号接到VL1上，如：C1的O(+)接VL1的（+），VL1的（-）接C1的O(-)连接即可完成。用同样的方法可构成串级控制回路、比值控制回路等复杂控制回路。2.3系统调试与控制效果接好线后，接下来便检查了计算机与控制系统的通讯效果，一开始一直无法达到实验指导书上的图片的效果。如图2.2图2.2后来自己有仔仔细细地按照步骤重新设置了一次，终于成功了。原来是自己把一个参数没有设置正确，粗心大意万万不可啊。图2.3然后后面又遇到了一个问题，设备通道的地址一直调不出来，数据类型要选择16..32..浮点型的，自己也不知道选择哪个好。幸亏有同学指教，才选择出来正确的数据类型。最终也完成了MCGS与智能仪器的通讯。如图2.3。由于学期初选择了自动化工程训练，所以对MCGS这款软件不是很陌生，所以用MCGS创建工程组态的时候没有遇到太大的问题。接下来就是调试，确定参数了。我用了三种控制方法，分别是增量式PID算法，积分分离式PID算法，还有就是带死区的PID算法。首先进行的是增量式PID算法，我将控制周期设计为2s，然后应用了PID整定口诀：参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢。微分时间应加长理想曲线两个波，前高后低4比1一看二调多分析，调节质量不会低PID控制规律：公式（2.1）变换成差分方程可得数字PID位置型控制算法：公式（2.2）可简记为：公式（2.3）先确定比例系数，通过秒表计时，通过调节参数P,将误差稳定在1%，时间为100s。开始从200开始尝试，发现不是很理想，系统无法达到预设值，随后向300增加，发现效果变得越来越好，当比例项调到400时，虽然能达到预设值，但是时间过于漫长，不利于控制。最终的P参数设定为312。然后再去确定I参数，I参数从6开始增加，用同样的方法最终在12的时候确定了最佳参数。由于控制效果很好所以没有加D微分参数。])()(1)([)(0dttdeTdtteTteKtudtipTkekeTieTTkeKkuDkiIP)1()()()()(0)1()()()()(0kekeKieKkeKkuDkiIP下面再进行分离阈值的PID控制方法，因为分离阈值适用于误差比较大控制方式，我们的系统流量最大值是50L/h，所以误差较小，分离阈值的方法不是很适用，最终将阈值设定为0.3。最后我尝试了带死区的PID调节，由于电磁阀的使用寿命有限，为了最大延长电磁阀的寿命，带死区的PID调节应该是最好的，最终我将死区确定在0.7。实验中最难调试的还是增量式PID，由于参数范围变化大，后来我尝试了二分法的方式进行尝试，效果还可以，节省了很多时间。最终的控制结果是PID控制方式最好的。0-20L/h控制时间位于大约94s左右。30L/h-35L/h是效果最好的区间，大约在40s左右就可以完成控制，达到预期效果。但是超过45L/h的时候就需要110秒左右的时间了。控制效果呈两边困难，中间容易的趋势。第三章流量系统设计3.1流量控制系统总设计图本课程设计流量控制系统从结构形式可以分为单闭环流量控制系统和双闭环流量比值控制系统。单回路控制系统包含一个测量变送器、一个调节器、一个执行器和对象，对对象的某一个被控制参数进行闭环负反馈控制。双回路流量比值控制系统有两个闭环回路组成，给定流量作为内容器的设定值，内流量的反馈和比值器相乘作为外容器的给定。两个闭环回路均采用位置PID进行设计。3.1.1流量单闭环控制系统流量单闭环控制系统以下四个部分组成:（1）被控对象——流量对象内容器；（2）电子阀；（3）流量变送器；（4）PID智能调节器。其带控制点的工艺流程图和方块图如图3.1和图3.2所示。图3.1调节器电子阀流量对象内容器+被控制量Q1给定量Qs入水量Q偏差Qi反馈Qf变化量u扰动fPID智能调节器-D/AA/D流量变送器图3.2图5被控对象为内容器，操作变量为内容器电子调节阀VL1的阀位开度输出，调节参数是流入水箱的水流量Q1，内容器流量由流量变送器检测得到，并作为反馈信号Qf,它和流量给定值Qs进行比较，得到偏差信号Qi,调节器对输入偏差Qi进行PID运算，输出变化量u控制信号，控制电子调节阀VL1的阀位，改变调节参数Q，使被调节参数Q1保持着设定值。其中f为系统扰动信号。3.1.2流量比值控制本装置中有两个可控制的水流量，一路进夹套，一路进内容器。一般可从中任意选择一路流量为主动量，另一路则为从动量，以此组成单闭环比值控制系统或双闭环比值控制系统。若以进内容器水流量Q1为主动量、进外容器水流量Q2为从动量可组成双闭环比值控制系统。其带控制点的工艺流程图和方块图如图3.3和3.4所示。图3.3双闭环流量比值控制系统工艺流程图调节器1调节器2调节阀VL1调节阀VL2内容器流量外容器流量比值器流量变送器FT1流量变送器FT2内流量给定+-内流量比值系数+-外流量图3.4双闭环流量比值控制系统结构框图给定流量作为内容器的设定值，内流量的反馈和比值器相乘作为外容器的给定。两个闭环回路均采用位置PID进行设计。3.2流量控制系统硬件设计1.智能调节器选型采用虹润的仪表公司的NH