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1、精选优质文档-倾情为你奉上课程设计任务书20122013学年第一学期专业： * 学号： 姓名： 课程设计名称： *课程设计 设计题目： * 完成期限：自 20* 年 * 月 * 日至 20* 年 * 月 * 日共 * 周一、设计依据 高性能铝合金是制造飞机、潜艇、火箭、导弹、鱼雷、坦克的重要部件的原材料，被称为国民的战略物资。其中氧化铝的生产是铝加工过程中一个非常重要的环节。生产氧化铝方法中都要用到的一个重要环节是高压溶出，这一环节的控制是否最佳直接影响到整个铝工业的生产过程。本次课程设计是一个综合实践环节，是对现代检测技术、自动控制原理、过程控制等前期学习内容的综合应用。本课程设计通过对典型
2、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，将理论与实践有机地结合起来，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，其目的在于培养学生综合应用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生能够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，从而从今学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。 二、要求及主要内容 通过了解氧化铝高压溶出工艺生产过程，了解过程控制的实践应用中的地位，进一步了解过程控制系统在自动化生产中的应用，通过查找课题相关资料，了解现今氧
3、化铝生产过程以及高压溶出生产工序和相关设备要求，并针对氧化铝高压溶出工序中的2#自蒸发器设计相关的压力控制系统，使其压力控制在工艺要求的出口压力1.61.8Mpa，精度控制在0.1Mpa。具体任务包括总体方案设计，硬件设计，控制算法和相关软件设计，可以进一步进行系统仿真实验，模拟实验控制系统。 三、途径和方法 1、了解氧化铝高压溶出工艺生产过程 2、了解高压溶出对相关设备的要求 3、对2#自蒸发器压力控制系统的设计方案进行论证。 4、根据设计方案给出硬件设计电路图 5、根据设计的软件流程图进行编程 6、给出课程设计说明书 四、时间安排 1课题讲解：2小时。 2阅读资料：10小时。 3撰写设计说
4、明书：12小时。 4修订设计说明书：6小时。 五、主要参考资料 1联合法生产氧化铝编写组，联合法生产氧化铝，北京：冶金工业出版社。19752黄正慧。过程控制系统工程设计。北京：科学出版社。1995 3向婉成。控制仪表与装置。北京：机械工业出版社。2007. 4王再英。过程控制系统与仪表。北京：机械工业出版社。2006. 5杨为民。过程控制系统及工程。西安：西安电子科技大学出版社。2008 6俞金寿.过程控制系统。北京：机械工业出版社。2008 7胡寿松。自动控制原理。北京：科学出版社。2006 8 于海生。微型计算机控制技术。北京：清华大学出版社。1999 指导教师（签字）： 教研室主任（签字
5、）： 批准日期： 年 月 日专心-专注-专业2#自蒸发器压力控制系统设计摘 要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。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。关键字:2#自蒸发器，高压溶出器，蒸发缓冲器目 录1 绪论1.1课题意义氧化铝主要用于电解生产铝，它占氧化铝总产量的90%以上。此外还
6、供硅酸盐、耐火材料、机械、无线电、冶金、化工、制药等工业部门使用。铝和铝合金是国民经济、国防军工和民用制品的基础原材料。铝工业是国家的基础工业之一。高性能铝合金是制造飞机、潜艇、火箭、导弹、鱼雷、坦克的重要部件的原材料，被称为国家的战略物资。铝工业从上游到下游可分成三段：氧化铝是电解铝企业的原料，电解铝(铝锭)是铝加工企业的原料。目前每生产1吨铝需要2吨氧化铝。综合控制理论，过程控制，微机控制，可编程控制器，软件程序设计等课程的相关理论知识，设计一个完整的2#自蒸发器压力控制系统，全面学习和掌握典型控制系统的设计方法，控制方法和调试技巧。1.2 设计目的通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参
7、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，亲身设计，体验整个设计过程, 将理论与实践有机地结合起来，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，其目的在于培养我们综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使我们能够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，从而促进对仪表及其理论与设计的进一步认识。1.3具体任务通过了解氧化铝高压溶出工艺生产过程，了解过程控制的实践应用中的地位，进一步了解过程控制系统在自动化生产中的应用，通过查找课题相关资料，了解现今氧化铝生产过程
8、以及高压溶出生产工序和相关设备要求，并针对氧化铝高压溶出工序中的2#自蒸发器设计相关的压力控制系统，使其压力控制在工艺要求的出口压力1.61.8Mpa，精度控制在0.1Mpa。具体任务包括总体方案设计，硬件设计，控制算法和相关软件设计，可以进一步进行系统仿真实验，模拟实验控制系统。2 氧化铝高压溶出工序介绍2.1本章概述原矿浆硅渣炭分蒸发母液赤泥赤泥大贮槽粗液精液融入稀释分离叶虑去分解赤泥洗涤去配料高压溶出工序是高压溶出车间生产流程中的一道工序。高压溶出车间的生产流程如图2-1所示：从铝土矿中溶出氧化铝制成精液送去分解，同时将洗涤后的赤泥过滤，得出含水率合格的赤泥浆送烧结法配料。图2-1高压溶
9、出车间生产流程2.2氧化铝高压溶出工序介绍高压溶出工序属于拜耳法中的一个环节，其目的就是用苛性钠溶液把铝土矿中的氧化钠溶出来。混联法高压溶出设备流程如下：磨制好的原矿浆在原矿浆槽（B）中贮存4个小时进行预脱硅以后用油压泥浆泵（E）打入三个串联的双程预热器（F）进行预热（140150oC），再进入加热溶出器（1和2），其中通以高压新蒸汽（33公斤/平方厘米）直接加热泥浆至溶出温度（241oC）。加热后的泥浆逐个流过8个反应溶出器（310），在其中完成溶出反应。溶出后的泥浆从10#溶出器顺序进入5个自蒸发器（H1H5）进行冷却，前四个自蒸发器排出的乏汽进入双程预热器预热原矿浆。第五自蒸发器排出的乏
10、汽则送去加热赤泥洗水。从第五个自蒸发器卸出的溶出矿浆温度为128132oC。为了回收矿浆在温度降至沸点时所放出的热量，使之在缓冲器（I）内与稀释的赤泥洗液（J）混合，将洗液从95oC加热到稀释矿浆的温度（100105oC），稀释后的矿浆自流入稀释槽1。高压溶出生产流程如图2-2所示。图2-2高压溶出生产流程2.3氧化铝高压溶出化学反应介绍高压溶出的生产条件为：2.02.2Mpa的高压；245oC的高温。高压溶出的化学反应可以分为两大类：、氧化铝水合物的溶出反应，这是主反应；、各种杂质在溶出过程中的化学反应，这是副反应。为了使高压溶出生产过程得到良好的效果，必须掌握主副反应的规律。（1）溶出化学
11、反应 在常压下低碱浓度溶液中溶出三水铝石型铝土矿时，其中Al(OH)3与NaOH发生反应为：Al2O33H2O+2NaOH=2NaAl(OH)4+水。用高碱浓度或用稀碱溶液在较高温度下溶出一水铝石型铝土矿时，反应为：Al2O3H2O+2NaOH=2NaAl(OH)2+水。不管按上式哪个反应式溶出，反应产物NaAl(OH)4和NaAl(OH)2都叫铝酸钠，在一定条件（一定的苛性钠浓度和温度）下都溶于水溶液中，形成铝酸钠溶液。（2）溶出速度 铝土矿溶出属于多相反应，即液体和固体之间的反应，其特征是反应过程发生于两相（矿粒与碱液）的界面上。两相接触界面的OH-,由于不断反应而逐渐消耗，在靠近矿粒表面
12、层的溶液中的OH-浓度显著降低。同时，在这一层中的反应产物Al(OH)4-或Al(OH)2-的浓度则接近饱和，于是形成扩散层。OH-通过扩散层不断地向固相（矿粒）表面移动与氧化铝水合物反应，而反应产物Al(OH)4-或Al(OH)2-则不断地通过扩散层向外移动（离开矿粒），使反应能继续进行。因此，铝土矿的溶出过程可分下列几步：（1）循环母液湿润矿粒表面；（2）OH-与氧化铝水合物反应；（3）形成NaAl(OH)4或NaAl(OH)2扩散层；（4）Al(OH)4-或AlO(OH)2-从扩散层扩散出来，OH-则从溶液中扩散到固液接触面上。铝土矿的溶出过程，在低温低碱浓度下的溶出速度随温度变化很快，
13、因而在这种情况下的溶出速度是决定于化学反应。在高温高碱浓度下，化学反应速度极快，此时溶出速度随温度变化而变化的幅度较小，因而这时溶出速度决定于扩散。溶出速度可以用下式表示： Vt=PS（C饱-C溶）式中，Vt某一瞬间的溶出速度； P常数； T绝对温度； 粘度； 扩散层厚度； S两相接触表面的大小； C饱氧化铝在碱溶液中的饱和浓度； C溶此瞬间溶液的氧化氯浓度。由溶出速度的表达式可得下式：Ct(t)+KCt(t)=PSC饱当矿石一定时，其粘度一定，且P、S均为常数，则从上式中可以看出通过控制温度T，可以控制反应速度。并且，通过提高温度来提高溶出反应的速度也是可行的2。3高压溶出工序的生产设备及仪
14、器选型3.1本章概述高压溶出工序的生产设备主要包含四个部分：双程预热器、高压溶出器、自蒸发器和蒸汽缓冲器，它们全部是不同结构的高压罐。3.2设备及仪器的选型3.2.1双程预热器双程预热器有四组双程预热罐，如图3-1所示。图3-1双程预热罐采用高压蒸汽间接加热。其内部是蒸汽管。矿浆在蒸汽管外，包围着蒸汽管，由60oC被加热到195oC左右，称为预热。这时，因为矿浆温度低（反应温度为245oC），所以还不能用于生产。双程预热器需要监测的量有以下一些：(1) 矿浆入口温度T11；(2) 矿浆出口温度T12；(3) 各级之间入口温度和各级之间出口温度T101-T106。之所以要分上层预热器和下层预热器
15、是因为氧化铝生产为流程工业，反应过程不能间断，需要一套备用。3.2.2高压溶出器图3-2是高压溶出器示意图。高压溶出器由九个高压罐串联构成，1#罐和2#罐用高压蒸汽直接加热使矿浆达到溶出温度（245oC左右）。溶出器内加热为直接加热，其效率较高，但是加热过程中由蒸汽带来的水分，使得矿浆溶液的浓度降低。溶出器的温度是溶出温度，对氧化铝的溶出率影响很大，保持溶出温度稳定，是提高溶出率的关键之一。图3-2 高压溶出器在溶出稳度低到一定值（240oC），则控制变频调速装置，降低电机转速，减少进入高压溶出器的矿浆流量（每降低1oC，则减少矿浆流量0.5%）；若溶出温度高到一定值（250oC），则控制变频
16、调速装置，提高电机速度，增加进入高压溶出器的矿浆流量（每提高1oC，则增加矿浆流量0.5%），以保证溶出温度的稳定。矿浆经19溶出器后，形成一定的压差，为了保证正常生产，压差应尽量稳定在0.2MPa左右。溶出器需要监测的量有:1#9#溶出器的压力PT401PT409以及就地仪表显示的量PI401PI4093。3.2.3自蒸发器自蒸发器的作用主要是回收热量。它由五个高压罐组成，各级压力逐渐降低，由2.02.2Mpa下降到0.2Mpa。在压力下降的过程中，蒸汽会从矿浆中逸出。 其产生的蒸汽称为乏汽。图3-3是自蒸发器的示意图。不同压力的乏气被送至双程预热器用作加热矿浆，如下所示：1#自蒸发器4#双
17、程预热器 2#自蒸发器3#双程预热器 3#自蒸发器2#双程预热器 4#自蒸发器1#双程预热器图3-3自蒸发器为了既充分利用乏汽又保证自蒸发器正常工况，选择自蒸发器压力作为监测量。自蒸发器需要监测的量有：自蒸发器各级的压力PT501PT505；同时还有就地显示仪表PI501PI505，需要控制的压力PC ,不能过高亦不能过低。氧化铝高压溶出工序蒸发器压力控制系统分为#自蒸发器的分步控制，通过这五步的控制使压力由2.02.2Mpa降到0.2Mpa。矿浆由#自蒸发器进入，通过调节蒸汽流量来控制自蒸发器的压力。给定的矿浆流量值经过调节蒸汽来达到所要求的#自蒸发器的出口压力值。之后矿浆进入到#自蒸发器，
18、经调节最后由#自蒸发器流出，此时压力为所需要的值。压力的控制精度应为：+0.1Mpa。自蒸发器的压力控制可以通过控制蒸汽的流量来调节压力的变化，用压力变送器来检测压力并返回控制。3.2.4蒸发缓冲器蒸汽缓冲器用于存储高压蒸汽，给1#溶出器和2#溶出器提供加热蒸汽。其高压蒸汽一般为2.4Mpa。它有稳定加热蒸汽压力的作用。为了防止蒸汽缓冲器的矿浆倒流，其进口压力必须为3.3MPa,出口压力为3.15MPa，若蒸汽缓冲器的进出口压力降低了0.05MPa，则给出报警信号。蒸汽缓冲器需要监视的量有：TT301和PT301；就地显示的量有：TI301和PI301。 蒸汽缓冲器中的蒸汽来自锅炉房（热电厂）
19、。有新蒸汽Z2、Z3加入。此处需要监测蒸汽的流量FT101和FT102（此处监测蒸汽流量主要是为了与锅炉房输出的流量作比较，用作蒸汽费用凭证）。新蒸汽的压力是由电动阀门的开度来调节4。图3-4蒸汽缓冲器4 2#自蒸发器压力控制系统设计4.1方案论证对于2#自蒸发器，其进料为1#自蒸发器卸出的高温泥浆，泥浆中的水在2#自蒸发器内蒸发产生大量的蒸汽，使得2#自蒸发器内形成高压。通过控制蒸汽排出阀门的开度，从而控制蒸汽排出的流量，达到控制自蒸发器内压力的目的。为了维持罐内恒定的压力（1.7Mpa+0.1Mpa），就得根据罐内实时的压力来不断调节阀门开度，由此构成一个简单的单回路负反馈控制系统。然而，
20、进料泥浆的流量是随机变化的，罐内压力的变化会随着进料流量的变化而变化的，这样就使得进料流量成为一个较大的扰动，且该扰动可测不可控。为了克服这一干扰对系统的影响，我们引进前馈控制。Gff（s）Gd（s）Go(s)dcQ图4-1前馈控制系统方原理框图前馈控制系统的基本原理是测取进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值的变化），并按信号产生合适的控制作用去改变操纵量，使受控变量维持在设定值上。前馈控制系统的原理方框图如图4-1所示。 系统的传递函数可表示为=Gs(s)+Gff(s)Go(s)式中：Gd(s)、Go(s)分别表示对象干扰通道和控制通道的传递函数，Gff(s)为前馈控制器的传递函数。系统对干
21、扰Q实现全部偿的条件是：当Q(s)0时，(s)=0。于是有Gff(s)=-。满足上式的前馈补偿装置使受控变量不受Q变化的影响。图4-2表示了这种全补偿过程。(a)前馈阶跃干扰示意图 (b)调节与扰动示意图 图4-2 前馈控制系统全补偿过程示意图(a)和(b)在Q阶跃干扰下，调节作用o和干扰作用d的响应曲线方向相反，幅值相同，所以它们的合成结果可使达到理想的控制，且维持在恒定的设定值上。前馈控制是开环控制，测量的是干扰量，只能克服所测量的干扰量，所以单纯的前馈控制是不可行的。反馈控制测量的是被控变量，是闭环控制，能克服所有干扰。因此可以将前馈控制和反馈控制结合起来，构成前馈-反馈控制系统，这样既
22、发挥了前馈校正作用的及时性，又保持了反馈控制能克服多种扰动及对受控变量最终校验的长处，是一种可行的控制方案。4.1.1总体设计方案根据前馈-反馈控制系统的设计原则，再结合控制目标（2#自蒸发器罐内的压力）的特点，选择进料泥浆的流量为前馈控制的测量对象，自蒸发器内的压力为受控变量，排出乏汽的流量（阀门开度）为操纵量。2#自蒸发器的压力前馈-反馈控制系统总体设计方案如图4-3所示。图4-3 2#自蒸发器的压力前馈-反馈控制系统设计方案4.1.2原理方框图根据图4-3所示的总体设计方案，得到2#自蒸发器的压力前馈-反馈控制系统的原理方框图如图4-4所示：Gc(s)Go(s)Gff(s)Gd(s)YR
23、图4-4 2#自蒸发器的压力前馈-反馈控制系统原理方框图在图4-4中， Gd(s)、Gc(s)、Gff(s)、Go(s)分别为干扰通道、反馈控制器、前馈控制器和控制通道的传递函数。F为扰动，即进料流量扰动，Y为被控变量，即2#自蒸发器罐内压力，R为设定值。4.2硬件设计在2#自蒸发器的压力前馈-反馈控制系统中，用到的硬件有变送器（压力测量变送器PT、流量测量变送器FT）、控制器（反馈控制器PC、前馈控制器FFFC）和控制阀（蒸汽阀门）。4.2.1变送器1. 压力测量变送器PT 高温泥浆经由1#自蒸发器进入2# 自蒸发器，泥浆中的水蒸发产生的水蒸汽使得2# 自蒸发器罐内产生压力。1#自蒸发器已经
24、将压力控制到2.02.2Mpa，因此2# 自蒸发器罐内的最大压力不会超过此值。再根据控制目标（2# 自蒸发器罐内压力维持在1.7Mpa0.1Mpa），可以得出选择压力变送器PT的原则： （1）测量介质为水蒸气，使用的环境为高温且有较强的腐蚀性； （2）测量精度要求一般； （3）测量范围为低压力（小于4Mpa），即1.0Mpa2.5Mpa。 据此，选择电容式差压变送器。电容式差压变送器是先将差压（压力）转换为电容量的变化，再将电容量的变化转换为标准电流输出。其结构紧凑、电路独特，在工业中得到了广泛的应用。差动电容与被测差压之间的关系为：设测量膜片在差压P的作用下变形，其衷心移动距离为P，由于位移
25、很小，可近似认为两者呈线性比例关系，即d=K1p=K1(p1-p2)两个电容C1和C2可分别写成C1=,C2=式中，K2是由电容器极板面积和介质电系数决定的。于是有 = = =K3p式中，K3=K1/d0为综合常数。由上式可知，测量电路将电容变化装换位电压或电流。压力测量变送器PT选型见表4-1所示。表4-1 压力测量变送器PT选型序号名称型号及规格生产厂家数量1智能电磁流量计MK-LED-D400 T2 K2江苏金湖万科公司12差压变送器WK-E110A江苏金湖万科公司13电动单座调节阀ZCA-2上海巨良电磁阀公司12. 流量测量变送器FT 流量测量变送器FT测量的介质是高温矿浆，矿浆的电导
26、率大于100/cm且具有较强的腐蚀性，应选用电磁流量计。电磁流量计利用导电液体通过磁场时在两个固定电极上感应出电动势测量流速。其测量流量的公式为Qv=E=kE 其中E=BDv。式中，B为管道内磁感应强度；D为管道内径；E为与液体接触的两电极间产生的感应电动势；v为管内流体的平均流速；K称为仪表系数。可见流量与感应电动势的大小成正比。电磁流量计的优点是在管道内不设任何节流元件，因此，可以测量各种高粘度的导电液体，特别适合测量还有纤维和固体颗粒的流体。精度可达0.5级5。4.2.2 控制器由于控制方案是前馈-反馈控制，所以反馈控制器PC和前馈控制器应选择FFFC选择计算机控制，这样更容易实现前馈控
27、制器的控制规律。4.2.3控制阀控制对象为高温（250oC）高压（2.02.2Mpa）水蒸气，控制阀选择体积小，流通能力大，技术先进的直通单座阀，且上阀盖选择散热型。对于执行机构，由于电动执行器适用于没有气源或气源比较困难的场合及需要大推力、动作灵敏、信号传输迅速和远距离传送的场合，所以应选择电动执行器。从保证生产质量的角度出发，开关选择电开式。工艺工程主要变化量的变化小，S0.75，流量特性选择直线特性。控制阀的附件较多，常用的是阀门定位器和继动器，继动器用于快速过程需要提高阀门响应速度的场合，所以附件应选择继动器6。4.3控制算法4.3.1前馈控制器 控制算法（1）前馈控制算法前馈控制算法
28、对大多数实际工业过程可用时滞加一阶滞后的结构形式，前馈控制器的传递函数为Gff(S)= =e-(td-ta)s=Kffe-ts式中，Kff=-是增益项，为一比例环节，T1T2时具有超前特性，T1=T2 时正好是比例环节，T1T2 时具有滞后特性。 在有些过程控制中，不需要输出信号中的直流分量（即稳态分量），此时可采用传递函数为前馈控制器。（2）前馈补偿装置的控制算法实践证明，相当数量的工业对象具有非周期性和过阻尼的特性，因此经常可用一个一阶或二阶容量滞后，必要时再串联一个纯滞后环节来近似它。设e ls ; e-ls则Gff(s)=kde-L1+L2超前滞后环节（如图4-5所示）： 图4-5 超
29、前滞后环节的等效图纯滞后补偿：=。当1时，Tf 1时，Tf TP ，为滞后补偿。相应于1的时间特性曲线分别如图4-6和4-7所示。 图4-6超前不长曲线1由图4-6及图4-7可见，当1时，即Tf 1时，即Tf TP 时，前馈补偿带有超前特性，适用于控制通道滞后大于干扰通道滞后的情况。（3）前馈控制器偏置的选择 图4-8前馈反馈控制中偏置值的设置在正常工况下，扰动变量有输出，因此，前馈控制器也有输出。当组成前馈反馈控制系统时，反馈信号与正常工况下前馈信号相结合，其数据可能超出仪表量程范围，因此采用常规仪表时，应在前馈控制器输出添加偏置信号B，其数据应等于正常工况下扰动变量经前馈控制器后的输出，其
30、符号应抵消正常工况的输出。前馈反馈控制中偏置值的设置（偏置信号加入点）如图4-8所示。偏置信号为B=KmKdF，式中，Km是前馈信号检测变送环节的增益，Kd是稳态前馈增益，F是正常工况下扰动变量的数值。添加偏置后，正常工况下，扰动引入的前馈信号与偏置信号抵消，因此，送到执行器的信号是反馈控制信号。当扰动变量变化时，扰动变量引入的前馈信号减去偏置值后作为实际的扰动前馈信号，与反馈信号相加，实现了前馈-反馈控制功能7。（4）前馈控制器的投运和参数整定 偏置值的整定在正常工况下，扰动变量经检测变送和前馈控制器后输出信号的负值作为偏置值。 前馈控制系统的投运 前馈控制系统的投运通常与反馈控制系统的投运
31、相结合。方法一是先投运反馈控制系统，然后投运前馈控制系统。方法二是反馈控制系统和前馈控制系统各自投运，整定好参数后再把两者结合。4.3.2反馈控制器PC控制算法反馈控制器要实现快速、无差、稳定的调节应选择PID控制规律。比例控制（P）是基本的控制方式，自始至终起着与偏差相对应的控制作用；添入积分控制后，可以消除纯比例控制无法消除的余差；而添入微分控制，则可以在系统受到快速变化干扰的瞬间，及时加以抑制，增加系统的稳定程度。在2#自蒸发器控制系统中，控制介质为气体，时间常数中等，用PI就足够了。（1）比例积分（PI）控制算法PI调节规律为：u=Kpe+So；u=式中比例带；TI积分时间。和TI是P
32、I调节器的两个重要参数。 比例积分调节器的阶跃响应如图4-9所示： 图4-9 PI调节器的阶跃响应)=；u=在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为e/的阶跃，然后以固定速度e/T1变化。当t=T1时，调节器的总输出为2e/。输出的积分部分正好等于比例部分。T1可以衡量积分部分在总输出中所占的比重：T1愈小，积分部分所占的比重愈大。比例积分调节过程如下图4-10：图4-10 PI调节器对过程负荷变化的响应a）负荷变化前（tt0）被控系统稳定，控制偏差为零，调节器输出保持某恒定值；b）t=t0时刻，系统负荷发生阶跃变化，P调节立即响应偏差变化，产生正的跃21变，I调节则从零开始累计偏差。此
33、后，此时在PI的共同作用下，调节的总输出持续增加；c）在t=t1时刻，系统开始响应，控制偏差开始减小，P调节紧跟着减小，I调节因偏差仍存在且方向不变，所以继续增加。PI调节的综合结果u也仍持续增大使控制偏差进一步减小；d）t=t2时刻，偏差减小至零，P调节作用彻底消失，I调节也停止增长。如果积分时间足够小，调节器的输出将大于所要求的值，致使系统产生反向偏差，也即超调；e）t2t3阶段，偏差反向，P调节作用反向，I调节作用也由增加变为减小，PI调节的整体作用表现为减小，直至从超调位置下降到系统要求的作用点，即图中的t=t3点处，此时偏差从超调处回落到零，系统达到新的平衡8。由上分析，PI调节引入
34、积分动作消除了系统余差，却降低了原有系统的稳定性。调节过程中的超调趋势随比例增益的增大和积分时间的减小而增大，因此PI调节的比例增益要设置得比纯P调节小，对积分时间的设置也应有一定的限制。PI调节在比例带不变的情况下，减小积分时间TI，将使控制系统稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。（2） PID控制器参数的整定 稳定边界法（临界比例度法）选择纯比例控制，给定值R做阶跃扰动，从较大的比例带开始，逐渐减小，直到被控变量出现临界振荡为止，记下临界周期Tu和临界比例带u，然后按表4-3-7所示的经验公式计算、Ti及Td。表4-2稳定边界法PID参数整定控制规律TiTdP2uPI2.2u
35、0.85TuPID1.66u1.50Tu0.13Tu动态特性法（响应曲线法） 在系统处于开环的情况下，首先做被控对象的阶跃曲线，如图4-11所示，从该曲线上求得对象的纯滞后时间t、时间常数Tu和放大系数K，然后再按表4-3中的经验公式计算、Ti及Td。图4-11响应曲线法参数整定示意图表4-3 响应曲线法参数整定表控制规律T0.20.2T1.5TiTdTiTdPk/T2.6kPI1.1k/T3.3T2.6k0.8TPID0.85k/T2T0.5T2.6k0.81T+0.9T0.25T经验法若将控制系统按液位、流量、温度、压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象特性往往比较相近，所以无论是
36、控制器形式还是参数整定，均可相互参考。表4-4给出了经验法整定参数。表4-4经验法PID参数整定系统参数/（%）Ti/minTd/min温度20-603-100.5-3流量40-1000.1-1压力30-700.4-3液面20-80压力控制对象时间常数有的很大，有的则很小。在2#自蒸发器控制系统中，直接控制离开塔顶的蒸汽量，过程非常迅速。它的性质接近流量系统，所以可以仿照典型的流量调节系统来选择控制器的形式和参数9。总 结课程设计是教学的至关重要的一个环节。是对三年学习成绩的一个很好的检验，经过两个星期的设计，拓宽了我的知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高。对我今后学习、工作有很大的帮助。
37、课程设计是对学生掌握专业课程度的综合检验，是他们在具备一定专业知识、生产技能、实践技能的基础上完成的一种总结性实践教学环节。通过课程设计能使我懂得了综合应用所学的各种理论知识和技能,进行全面系统严格的技术及基本能力的训练。通过各种方式，解决一些实际性的问题，在设计过程中，我将所学的理论知识运用到实践中，不仅能加深对专业知识的理解，而且能丰富和发展书本上的理论知识，使之转化成更高层次的经验、技能和技巧。本课程设计（2#自蒸发器压力控制系统设计）的知识涵盖了自控原理、计算机控制、过控仪表以及过程控制系统工程中的内容，涉及到的氧化铝生产过程、高压溶出工序、前馈控制与反馈控制相结合的控制系统、PID控
38、制算法、PID参数整定、前馈控制的计算机实现、控制程序的设计以及仪表的选型等知识，对这些知识的学习，在此之前只是停留在理论层面，没有很好的掌握，但通过此次设计，亲自查阅资料、整理思路、提出方案、反复比较和严密设计，让我对以前学过的这些东西有了更深的理解与体会，理解了前馈-反馈控制的适合对象、控制特点及如何实现控制，掌握了经典算法PID控制。致 谢通过两周的认真思考与分析，我最终完了2#自蒸发器压力控制系统的课程设计。在这两星期的时间里老师和同学认真指导我，每当我有疑点和难点时，我都会去请教他们，他们给我仔细分析与讲解。在这个过程中我学到了很多东西。首先我要感谢我的指导老师，他们在我完成设计的过
39、程中，给予了我很大的帮助。在设计开始的初期，我对于设计的结构以及文献选取等方面都有很多问题，整体构思不是很明确，段落层次也不是很清晰，老师详细给我分析论文的写作过程，从设计的题目、设计的内容，设计的脉络，都给我详细的指导。在我设计的进展过程中，老师也及时给我解决疑惑，并且监督我设计的进展过程，对此我非常感谢！我认为这段时间所经历的过程不仅仅是一个完成一篇课程设计的过程，而且是一个端正态度的过程，是总结大学三年的一个过程，是在踏入社会前的历练过程，这个过程将使我受益匪。参考文献1 黄正慧、刘朝英、齐树兴编著，过程控制系统工程设计，北京，科学出版社，1995 2 王树青等编著，工业过程控制工程，北京，化学工业出版社，2003 3 向婉成主编，控制仪表与装置，北京，机械工业出版社，2007 4 王再英、刘淮霞、程毅静编著，过程控制系统与仪表，北京，机械工业出版社，2006 5 杨为民、邬齐斌编著，过程控制系统及工程，西安，西安电子科技大学出版社，2008 6 俞金寿、孙自强主编，过程控制系统，北京，机械工业出版社，2008 7 胡寿松主编，自动控制原理（第四版），北京，科学出版社，2006 8 于海生主编，微型计算机控制技术，北京，清华大学出版社，1999 9 联合法生产氧化铝编写组编，联合法生产氧化铝，北京，冶金工业出版社，1975