过程控制液位控制系统(毕业设计)要点

1中南大学《过程控制仪表》课程设计报告设计题目锅炉液位控制系统指导老师王莉吴同茂设计者专业班级自动化0710设计日期2010年6月2目录第一章过程控制仪表课程设计的目的意义..........................11.1设计目的....................................................11.2课程在教学计划中的地位和作用....................................1第二章液位控制系统（实验部分）..................................22.1控制系统工艺流程............................................22.2控制系统的控制要求..........................................42.3系统的实验调试..............................................5第三章锅炉液位控制系统工艺流程及控制要求.....................73.1控制系统工艺流程.................................................73.2设计内容及要求...................................................8第四章总体设计方案..................................................94.1设计思想..........................................................94.2总体设计流程图.............................................10第五章硬件设计......................................................115.1硬件设计概要...............................................115.2硬件选型.........................................................125.3硬件电路设计系统原理图及其说明................................14第六章软件设计......................................................166.1软件设计流程图及其说明.........................................166.2源程序及其说明..................................................17第七章系统调试及使用说明.........................................23第八章收获、体会....................................................24参考文献.................................................................253第一章过程控制仪表课程设计的目的意义1.1设计目的本课程设计主要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（如煤气脱硫工艺过程）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。1.2课程设计的基本要求本课程设计是为《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。课程设计的主要任务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。课程设计主要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（如煤气脱硫工艺过程）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。4第二章液位控制系统2.1控制系统工艺流程在复杂的工业过程控制系统中，简单的单回路过程控制系统不能满足性能指标要求时，就要采用复杂的过程控制系统和智能控制策略。液位串级是复杂的过程控制系统，由主、副两个回路组成，每个回路中有各自的调节器和被控对象，即主回路中的调节器称主调节器，被控象为下水槽，作为系统的主被控对象，下水槽的液位为主控制量。副回路中的调节器称副调节器，被控对象为上水槽，为系统副被控对象，上水槽液位为副被控量。图2-1带连接信号插孔的液位装置工艺模拟流程图5串级控制系统的目的是使系统具有良好的动态性能和稳态性能，确保主被控量的控制质量，实现无差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主被控对象的时间常数大于副被控对象的时间常数，因而当主被控量未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对主被控量的影响。此外，如果扰动作用于主被控对象，由于副回路的存在，使副被控对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。图2-2液位串级过控系统方框图H2H12#水箱U1主给定Hs副调节器2液位压力变送其送器21#水箱智能调节器1控制器E111-YH2扰动1扰动2U2压力变送器1-YH1电子阀主回路副回路62.2控制系统的控制要求2.2.1双回路串级控制目的在试验中有主\副两个控制回路，主，副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值Hs，它的U1作为副调节器的给定值，副调节器的输出u控制执行器，以改变主参数H1。被控对象是两级串联水箱，被控量是水箱的液位Hs，调节参数是流入水箱量Q，水箱液位由液位变送器检测得到也未反馈信号Hf，它和液位设定信号Hs进行比较，得到偏差信号e1，进行PID计算，输出变化控制信号，控制电子阀门的阀位，改变进水量，是被调参数保持在在设定值。2.2.2试验中具体要求(1)掌握PID控制算法及P、I、D参数的含义及功能；(2)用工程的方法（看曲线，调参数）整定调节器控制规律及PID参数，并观察PID参数对系统动态、静态性能的影响。(3)测取液位串级过程控制系统的动态、静态特性；具体要求：超调量σ＜20%，调节时间Ts≤100s，余差＜5%2.3.3主回路PID参数整定由于主回路是一个恒值系统，我们要求其超调量，调整时间，稳态误差等参数都要求较高，用临界扩充响应曲线法并结合PID试凑法最终整定的参数是P=50，I=40，D=52.3.4副回路PI参数整定由于主回路是一个随动系统，我们主要要求其跟随速度快，减小副回路的滞后时间，超调量，稳态误差要求相对要低一些，用临界扩充响应曲线法并结合PID试凑法最终整定的参数是P=100，I=45，D=32.3.5主副回路联调在联调是，我们要求根据主回路修改目标值SV,系统都具有很好的响应速度快，超调小等动态特性和稳态误差小静态特性，而且调节时间尽可能小。72.3系统的实验调试2.3.1实验仪表装置简介C:控制器（调节器）。该调器配有三个单回路调节器C1C2和C3，控制输出信号为4~20mA，每个调节器设有三对插座孔。其中：PV孔为测量值输入，SV孔为外设定输入或反馈信号输入，O为调解器输出。R:记录仪为无纸3通道记录仪，输出信号4~20mA，其中R1孔为1号通道，R2孔2号通道，R3孔为3通道。HT：液位变送器。变送输出为4~20mA。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%V1~2和A1~2：两路电压/电流转换器。2.3.2具体调试过程(1)按设计好的线路图接线，确定无误后方可合上电源。(2)按照课本要求设置PID智能控制调节器控制参数（包括二级参数）。(3)先设定主、副调节器的控制规律、PID参数。智能调节器1主给定量SV设为100，智能调节器2设定为外给定。打开手动阀1，回水阀1打开50%，启动水泵1并运行系统。在上位监控系统观察液位串级过程控制系统的输出特性。该系统为复杂系统，用工程的方法反复调整PID参数，直到系统动态、静态特性满足要求为止。其中PID参数调节按照以下原则对于液位系统：P（%）20--80，I（分）1--5参数整定找最佳，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18一看二调多分析，调节质量不会低(4)记录各个参数2.3.3各个记录参数ToPIDKpKiKd主回路3s5040520.35/3副回路3s10045312/151/2最终调节达到的效果：调节时间90s；超调量0.16；余差0.02如下图所示给定量Hs为50，观察PID调节过程是否满足要求第三章锅炉液位控制系统工艺流程及控制要求3.1控制系统工艺流程目前我国的燃烧锅炉的数量众多,我国现有中、小型锅炉30多万台,每年耗媒量占我国原煤产量的四分之一,目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。锅炉微机控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物,工业锅炉采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有着明显优势。表2-1pid参数记录9单片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。单片机自问世以来,性能不断提高和完善,体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。一般,工业控制系统的工作环境差,干扰强,利用单片机控制就能克服这些缺点,因此单片机在控制领域得到广泛的应用,使用单片机控制锅炉是很好的选择。使用单片机实现锅炉液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点。采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器测量水位，可有效保证水位的自动控制，保证水质无污染，能更好地对锅炉进行自动化控制,测量温度时采取光电耦合器,实现光电隔离,避免了工作人员在现场进行检测操控,方便了人员对液位系统的控制,控制方便且系统稳定性能好；采用压力传感器对压力进行测控，采取压电陶瓷传感器,可大大简化设计方案，系统性能也更稳定；单片机不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现蒸汽与给水系统的自动控制与调节，将保证锅炉正常供