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1、过程控制系统课程设计报告姓名：殷宏宇班级： 0891311 专业：自动化指导教师：张玉萍刘洋、李冰哈尔滨工业大学华德应用技术学院2010年6 月 30 日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 2 目录一、题目要求 二、系统器件选择 三、总体设计方案 四、硬件设计（包括电气接线）五、控制算法选择 六、控制参数整定 七、控制器程序设计 八、心得体会 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - -
2、 - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 3 一、题目要求：设计任务：1. 画出控制系统框图；2采用MATLAB对系统的阶跃响应进行仿真，根据仿真结果， 判断塔釜温度的最大偏差是否满足工艺要求？3. 在系统稳定运行大约900s 后，突加幅值为设定值40%的二次阶跃扰动信号，根据仿真曲线，分析系统调节时间。4.将蒸汽流量作为副变量，把蒸汽压力的干扰包括在副回路中，构成精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统。副控制器选择P 作用，主控制器选择PID作用，整定串级控制系统的参数为最佳值。5.在 40%
3、的蒸汽扰动下， 观察塔釜温度的响应曲线，最大偏差是否满足工艺要求？二、总体设计方案综合考虑到系统的安全性， 稳定性和经济性， 我们首先考虑了设计一个简单过程控制系统。1.根据要求先设计一个简单控制系统，框图如下：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 4 初步确定了上述方案后，经过对系统静态和动态仿真，发现系统稳态时偏差不满足设计要求，经过比较我们考虑设计一个以温度为主控参数，以蒸汽压力为被控参数的串级控制系统。2.简
4、单系统不满足精度要求，设计一个串级控制系统，框图如下：三、系统器件选择（包括器件参数）1.仪表校验实验室应具备的条件： 室内清洁、 光线充足、无对仪表及线路的电磁场干扰。室内温度保持在1035C。电源电压稳定。仪表安装使用前，应进行检查、校验、确认符合设计要求。1）对于流量检测仪表，对产品合格证和有效验定证明进行验证。2）差压变送器应进行输入输出特性校验，其准确度符合产品技术性能要求。3)控制阀和执行机构的校验： 阀体压力校验和阀座密封校验等项目，对事故切断阀进行阀座密封实验， 必须进行全行程校验， 执行机构在校验时调整到规定工作状态。2.流量检测转换元件本系统所使用的流量检测转换元件为差压式
5、流量计。差压流量计由节流装置、引压导管、差压变送器或差压计组成。主 调节器温 度对象蒸 汽流量执 行器蒸 汽 压力变送副调节器温 度变送名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 5 基本原理：它是根据节流原理的压力差来测量流量的。根据流体学可知，流体在管道中流动时， 具有动能和位能， 并在一定条件下可以互相转化，但其总能量是不变的。称为流量系数，体积流量2120ppgAqv式中 ，为流体重度， g 为重力加速度， (P1
6、-P2) 为紧靠孔板前后的管壁处来测取的压差。选择必须做到以下几点：1）差压变送器的压差和显示仪表的流量标尺应与节流装置孔径匹配。2）显示仪表刻度通常是线性的， 测量值要经过开放运算进行线性化处理后再送显示仪表。3)在测量蒸汽和气体时，常遇到工作条件下的密度与设计不同，必须对显示数值进行修正。安装要做到：1）节流装置应正确安装， 如节流装置前后应有一定长度的直管段；流向要正确安装在充满流体的管道内，而且流体必须是单相的等。2） 接至差压变送器的压差信号应该与节流装置前后压差一致就需要正确安装差压信号管路。 介质为液体时， 差压变送器应装在节流装置下面，取压点应以工艺管道的中心线以下， 导压管最
7、好垂直安装， 否则也应有一定斜度。 当差压变送器放在节流装置上时，要装置储气罐。该流量计为上海艾特自动化仪表公司型号MLF 参数指标：精度： 1 量程： 0.3 输出信号： 420mA 口径： 10mm 3.液位检测转换元件本 控制 系统 所 使 用液 位检 测 转 换元 件为差 压式 液位 计 。 上海 奇正PT330-G100K13 基本原理： 对于不可压缩的液体， 液位高度与液体的静压力成正比，所以测出液体的静压力，即可知道液体的高度。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -
8、 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 6 上图所示为用静压式液位计进行开口容器的液位测量。压力计与容器的底部相连，根据压力计指示的压力大小，即可知道液位的高度，其关系为PH式中， H 是液位的高度；是液体重度； P是容器内取压平面上的静压力。当液位有 0 变化到最高液位时， 相应的差压变送器的输出电流由4mA 变化到 20mA 。安装要求：差压变送器正压室接容器底部，感受底部静压力， 负压室接容器上部， 感受液面上方静压力，在介质密度确定后，即可得知容器中液面高度。1） 取压点应能如实反映被测压力的真实情况。2） 当被测介质易冷凝或冻结时，导压管必须保温。 3)安装压
9、力表时要避免高温与振动的影响。该差压式液位计为上海奇正信息电子科技公司型号PT330参数指标：量程： 0100KPa 输出信号： 420mA4.调节阀的结构、特点、流量特性确定方法1)直通单座阀：阀体只有一个阀芯和阀座。特点：结构简单，泄漏量小，易于保证关闭甚至完全切断。应用在小口径低压差场合2）直通双座阀：阀体内有两个阀芯和阀座，与同口径单座阀相比其流量系数增大 20%左右，不平衡小。 由于加工限制， 上下两个阀芯和阀座不易保证同时密闭， 因此泄漏量大。 适用于阀两端压差较大， 对泄漏量要求不高的场合。3）角型阀：两个接管呈直角形，其他结构与单座阀相似，它的流向一般底进侧出，此时稳定性好，在
10、高温场合容易发生震荡。特点：流路简单，阻力较小，不易堵塞。适用于高压差， 高黏度，含有悬浮物和颗粒物的流体控制。4）隔膜阀：采用耐腐蚀的阀体和耐腐蚀隔膜代替阀心阀座组件，由隔膜阀起控制作用。特点：结构简单，流路阻力较小，流量系数较同口径的其它阀大。适用于强酸强碱强腐蚀性介质的控制。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 7 5）三通阀：三个出入口与工艺管道相连，可以用来代替两个直通阀适用于配比控制与旁路控制。5.阀流量
11、特性的确定方法：1）根据过程特性来选择调节阀的流量特性，要求广义对象是线性的。其目的是使系统的开环放大系数为定值。若过程特性为线性时， 可选用线性流量特性的调节阀，若过程特性为非线性，应选用对数流量特性的调节阀。2）根据工艺配管情况，从所需的工作流量特性出发，推断出理想流量特性。当阻力比S 确定后，可以从所需流量特性出发，决定理想的流量特性。当S=10.6时，理想流量特性与工作流量特性几乎相同；当 S=0.30.6时，调节阀流量特性无论是线性的或对数的， 均应选择对数的理想流量特性； 当 S=0.3时，一般已不宜用于自动控制。6.控制制系统的执行元件本控制系统所使用执行机构是电磁驱动泵（交流异
12、步电动机）和MM440 变频器。当系统运行时，由调节器根据偏差产生相应电压输送给变频器，变频器将一定频率信号输送给电磁驱动泵，从而改变其转速，使流量发生变化。该电磁驱动泵为上海江郎流体机械公司型号CQ20-12参数指标：流量：50 公升/分 扬程：12m 功率：0.37KW 转速：2800 转/分电压：380V 介质温度： 1045度四、控制算法选择在串级控制系统中， 主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI 或 PID控制规律。副参数的设
13、置是为了保证主参数的控制质量， 允许在一定范围内变化， 允许有余差， 因此副调节器只要选P控制规律就可以了。 一般不引入积分控制规律。 因为副参数允许有余差， 而且副调节器的放大系数较大，控制作用强，余差小，若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。 一般也不引入微分控制规律， 因为副回路本身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利。综上所述，该串级控制系统主回路控制器采用PID控制规律，副回路控制器采用 P规律。五、控制参数整定名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -
14、- - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 8 一、参数整定方法：从整体上来看， 串级控制系统主回路是一个定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度， 但副回路是一个随动系统， 只要求副参数能快速而准确地跟随主调节器的输出变化即可。在工程实践中， 串级控制系统常用的整定方法有两部整定法等。所谓两步整定法，就是第一步整定副调节器的参数，第二步整定主调节器参数。两步整定法步骤为：1） 在工况稳定、主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用的条件下，主调节器的比例度置于100%，用单回路控制系统的衰减（ 4：1）曲线法整定，求取副调节器的比例度 2s 和操作周期 T2
15、s.2) 将副调节器的比例度置于所求得的数值2s 上，把副回路作为主回路的一个环节，用同样的方法整定主回路，求取主调节器的比例度1s 和操作周期 T1s. 3） 根据求得的 1s、T1s、2s、T2s 数值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度、积分时间 Ti 和微分时间 Td 的数值。4）按先副后主、先比例后积分的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为止。二、实际操作 1 、简单过程控制系统将题中比例参数0.45 、几分参数 0.0083 输入 PID调节器得波形如下：稳定后 900s加 40% 扰动得到波形：名师资
16、料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 9 稳态时温度在设定值左右，但是超出1.5 。2. 温度蒸汽压力串级控制系统按两步整定法得波形如下：加 40% 蒸汽扰动后波形：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 10 根据上述两部整定方法得出主副调节器参数如下表：六、心得体会通过这次过程控制课程设计， 让我对串级控制系统有了更深的理解。要设计一个串级控制系统， 需要从原理， 选择器件等各个方面来考虑， 这是一个复杂的过程，需要和自己的队友好好配合才能做好。主调节器参数副调节器参数16 20.07 Ti10.16 Ti20 Td10.01 Td20 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -