过程控制课程设计-流量比值控制

佛山科技学院课程设计用纸1一．设计任务分析1.1设计任务的描述在了解、熟悉和掌握双闭环流量比值控制系统的工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础之上，根据生产过程对控制系统所提出的安全性、经济性和稳定性要求，应用控制理论对控制系统进行分析和综合，最后采用计算机控制技术予以实现。1.2设计的目的通过对一个完整的生产过程控制系统的课程设计，使我们进一步加深对《过程控制系统》课程中所学内容的理解和掌握，提高我们将《过程检测与控制仪表》、《自动控制原理》、《微机控制技术》和《过程工程基础》等课程中所学到知识综合应用的能力。锻炼学生的综合知识应用能力，让学生了解一般工程系统的设计方法、步骤，系统的集成和投运。从而培养学生分析问题和解决问题的能力。1.3设计的要求1.从组成、工作原理上对工业型流量传感器、执行机构有一深刻的了解和认识。2.分析控制系统各个环节的动态特性，从实验中获得各环节的特性曲线，建立被控对象的数学模型。3.根据其数学模型，选择被控规律和整定调节器参数。4.在Matlab上进行仿真，调节控制器参数，获得最佳控制效果。5.了解和掌握自动控制系统设计与实现方法，并在THJ-2型高级过程控制系统平台上完成本控制系统线路连接和参数调试，得到最佳控制效果。6.分析仿真结果与实际系统调试结果的差异，巩固所学的知识。1.4本次设计的具体要求1.控制电磁阀的开度实现流量的单闭环的PI调节。佛山科技学院课程设计用纸22.通过变频器控制电磁阀运行实现流量的单闭环的PI调节3.用比例控制系统使副回路的流量跟踪主回路的流量，满足一定的工艺生产要求二．总体设计方案2.1方案论证根据实际生产情况，比值控制系统可以选择不同的控制方案，比值控制系统的控制方案主要有开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统几种。方案一：单闭环控制系统原理设计的系统框图如图2.1所示。图2.1单闭环流量比值控制系统原理图单闭环流量比值控制系统与串级控制系统相似，但功能不同。可见，系统中没有主对象和主调节器，这是单闭环比值控制系统在结构上与串级控制不同的地方，串级控制中的副变量是调节变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，而在比值控制中，副流量不会影响主流量，这是两者本质上的区别。方案二：在单闭环控制系统基础上，增加一个主流量闭环控制系统，单闭环比值控制系统就成为双闭环比值控制系统，其方框图如图2.2所示。检测/变送器1控制器变频器泵检测/变送器2比值器-KCLH₂SO₄佛山科技学院课程设计用纸3图2.2双闭环流量比值控制系统原理图双闭环较之于单闭环而言更加复杂，选用的设备也更多，但对于实际生产，生产效率和质量十分重要，因此对系统的稳定性和精确度要求较高。双闭环比值控制系统能实现主动量的抗扰动、定植控制，使主、从动量均比较稳定，从而使总物料也比较平稳，这样，系统总负荷也将是稳定。经过分析，当系统处于稳态时，比值关系是比较精确的；在动态过程中，比值关系相对而言不够精确。另外，如果主流量处于不变的状态，副流量控制系统又相当于一个定值控制系统。方案二的双闭环流量比值控制系统，是在主流量也需要控制的情况下，增加一个主流量闭环控制系统构成的，由于增加了主流量闭环控制系统，主流量得以稳定，从而使得总流量能保持稳定。双闭环比值控制系统主要应用于总流量需要经常调整的场合。如果没有这个要求，两个单独的闭环控制系统也能使两个流量保持比例关系，仅仅在动态过程中，比例关系不能保证。KCLH₂SO₄-+-+主控制器螺旋输送机变频器螺旋输送机检测/变送器1比值器副控制器硫酸泵变频器硫酸泵检测/变送器2佛山科技学院课程设计用纸42.2方案选择通过方案的论证可知，单闭环流量比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料间的比值要求较精确的生产过程。而双闭环流量比值控制系统适用于主副流量扰动频繁，负荷变化较大，同时保证主、副物料总量恒定的生产过程。该设计针对控制对象，主流量选择为氯化钾液体，而副流量则选择是硫酸液体，实际生产中，由于这两种化学成分并不十分稳定，因而可能造成扰动频繁，并且属于负荷变化较大。经过分析，选择方案二的双闭环流量比值控制系统来设计该生产控制系统更为合适。2.3双闭环比值控制系统的结构在现代工业生产过程中，经常遇到生产工艺要求两种或多种物料流量成一定比例关系的问题，一旦比例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。如硝酸生产中的氨氧化炉，其进料是氨气和空气，两者的流量必须具有一个合适的比例，因为氨在空气中的含量，低温时在15～28％之间，高温时在14～30％之间都有可能产生爆炸的危险，严格控制其比例，使其不进入爆炸范围，对于安全生产来说十分重要。这种用来实现两个或两个以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统，均称为比值控制系统。本设计被控对象为电动阀支路的流量和变频器－磁力泵支路的流量，每个支路上分别装有流量传感器对支路的流量进行测量，电动阀支路的流量是系统的主动量Q1，变频器—磁力泵支路的流量是系统的从动量Q2。要求从动量Q2能跟随主动量Q1的变化而变化，而且两者间保持一个定值的比例关系，即Q2／Q1＝K，同时要求保证主动量与从动量保持总量恒定。双闭环比值控制系统的结构图，如图2.3佛山科技学院课程设计用纸5图2.3双闭环比值控制系统的结构图2.4双闭环比值控制系统的特点与分析双闭环比值控制系统能实现主动量的抗扰动、定值控制，使从动量均比较稳定，从而使总物料也比较平稳，这样，系统总负荷也将是稳定。双闭环比值控制系统另一优点是升降负荷比较方便，只需缓慢改变主动量控制的给定值，这样从动量自动跟踪升降，并保持原来比值不变。双闭环比值控制系统中的两个控制回路是通过比值器发生联系的，若除去比值器，则为两个独立的单回路系统。事实上，若采用两个独立的单回路系统同样能实现它们之间的比值关系，但只能保证静态比值关系。当需要实现动态壁纸关系时，比值器就不能省。双闭环比值控制所用设备较多、投资较高，而且运行投入比较麻烦，只有在工业特定要求（如严格控制两种物料比例）的情况下使用。三．实验装置说明及使用3.1系统简介“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置。该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实给定值扰动调节器1电动阀管道流量变送器1调节器2变频器磁力泵管道K流量变送器2扰动Q2（流量）Q1（流量）佛山科技学院课程设计用纸6现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈—反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。3.2系统组成本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三（380V交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。压力传感器、变送器：采用工业用的扩散硅压力变送器，含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mADC电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对电动调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10，流量范围：0～1.2m3/h，精度：1.0%。输出：4～20mA标准信号。本装置用了三套涡轮流量传感器、变送器。电动调节阀：采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、控制单元与电动执行机构一体化、操作方便等优点，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。变频器：本装置采用日本三菱变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，～220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。佛山科技学院课程设计用纸7水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。本装置采用两只磁力驱动泵。一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2；工作温度：－5～80℃。佛山科技学院课程设计用纸8图3.1装置总貌图佛山科技学院课程设计用纸93.3操作前准备实验前，要对被控对象及其控制系统所涉及的仪器仪表有清楚的认识。先将储水箱中贮足水量，电动调节阀可以通过阀F1-1、磁力泵、F1-2、F1-8流至下水箱。变频器—磁力泵支路可以通过阀F2-1、变频器控制的磁力泵、阀F2-5流至下水箱。两个支路的流量传感器分别为FT1与FT2。具体管道开关及器件位置如图所示：图3.2管道开关及器件位置图AI智能调节仪1设置参考：;Sn=33;CF=0;ADDR=1;SV=15；diH=100;dil=0;调节仪2：Sn=32;CF=8;ADDR=2;diH=100;dil=0;佛山科技学院课程设计用纸10电动调节阀使用：电动阀上电后切不可用手来旋转黑色手轮，断开控制信号后，阀位有保持功能，也不可旋转手轮，只有在断开AC220V后，才可使用手动，在一般情况下无须手动。3.4控制面板接线说明控制面板如图3.3所示图3.3控制面板图①强电部分：三相电源输出u、v、w接到380v磁力泵的输入u、v、w端；变频器输出端A、B、C接到220v磁力泵输入A、B、C端；单相Ⅰ的L、N并联接到调节仪1和调节仪2的L、N端；单相Ⅱ的L、N端接到电动调节阀电源的L、N端；单相Ⅲ的L、N端接到比值器电源的L、N端；②弱电部分：电动阀支路流量FT1信号并联接到调节仪1的1、2输入端和比值模块电压输入1的+、-端，比值模块的电压输出+、-端对应接到调节仪2的1、2端，FT2信号+、-端对应接到调节仪2的3、2输入端；调节仪1的输出7、5端对应接到电动调节阀控制信号+、-端，调节仪2的输出7、5佛山科技学院课程设计用纸11端对应接到变频器4～20mA控制信号输入+、-端，变频器STF端、SD端和RH端短接；24v电源输出+、-端接到流量计电源输入+、-端。变频器使用：开启变频器后，其指示灯会自动工作在“EXT”外部控制状态下，当我们设置好参数（P30=1，P53=1，P62=4）选择正转（将STF和SD短接）再将DC4~20mA控制信号给到变频器信号输入端子去，就可以自动控制了，其中0~5V电压输入不可用。手动控制频率时，可在控制信号线和正反转短接线都拔下的情况下，按下“PU/EXT”按钮，就可将变频器的工作状态从EXT切到PU状态下，将频率调到某一值，按下“SET”键，这时会有F和设定值交替闪烁3秒的状态，表示设定成功，按下“RUN”键，变频器会自动运行到设定频率，在运行状态下，可通过旋转频率设定器来调整当前运行频率。注意切不可在变频器带电机运行时，拔下任一根强电输入输出线，造成变频器在运行状态下突然断电或电机缺相，先将变频器停止（按下“STOP”）键，再在断开变频器输入电源的情况下接线。磁力驱动泵1为380V磁力驱动泵，磁力驱动泵2为220V磁力驱动泵。本实验采用变频器控制泵打水，所以用到的泵为220V磁力驱动泵，开启实验设备前谨记保证F2-1阀门处于打开的状态。AI智能调节仪部分设置参数解释：Sn（输入规格）Sn=32：0.2—1V（100mV-500mV）Sn=33：1-5V电压输入dip（小数点位）dil（输入下限显示值）di