水泵流量控制系统课程设计课程设计 精品Word格式文档下载.docx

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要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1.课程设计时间：

1.5周；

2.课程设计内容：

根据指导老师给定的题目，按规定选择其中1套完成；

本课程设计统一技术要求：

研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目所涉及的生产工艺和控制原理进行介绍，针对具体设计选择相应的控制参数、被控参数以及过程检测控制仪表，并画出控制流程图及控制系统方框图。

3.课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括：

1目录；

2摘要；

3生产工艺和控制原理介绍；

4控制参数和被控参数选择；

5控制仪表及技术参数；

6控制流程图及控制系统方框图；

7总结与展望；

（设计过程的总结，还有没有改进和完善的地方）；

8课程设计的心得体会（至少500字）；

9参考文献（不少于5篇）；

10其它必要内容等。

时间安排：

具体时间

设计内容

1月2日

指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍。

学生确定选题，明确设计要求

1月3日

开始查阅资料，了解系统生产工艺和控制原理。

1月4日

确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数

1月7日—1月8日

确定控制流程图及控制系统方框图

1月9日—1月10日

撰写课程设计说明书

1月11日

答辩并上交课程设计说明书

指导教师签名：

2012年12月27日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

目录

摘要5

1设计目的与要求6

1.1设计目的6

1.2设计的意义6

1.3要求完成的主要任务7

2自来水厂生产工艺7

2.1生产工艺7

2.2生产工艺流程图8

3系统结构设计9

3.1控制方案9

3.2系统结构9

4被控变量与控制变量选择10

4.1被控变量选择原则10

4.2控制变量选择原则10

4.3本系统被控变量与控制变量的选择11

5检测环节设计11

5.1检测环节设计原则11

5.2本系统检测环节设计12

6执行器设计13

6.1执行器设计原则13

6.2本系统执行器设计14

7调节器设计14

7.1调节器正反作用选取14

7.2调节器规律的选择14

7.3调节器参数整定17

总结与展望19

课程设计心得体会21

参考文献22

摘要

随着科学技术的迅猛发展，自动化技术在工业，农业，科技及人们日常生活中发挥着重要的作用。

过程控制通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分之一。

其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医疗、水利、电力、冶金、轻工、纺织、建材、核能、环境等许多领域，在国民经济中占有极其重要事务地位。

过程控制的主要任务是对生产过程的有关的参数进行控制。

使其保持恒定或按一定规律变化，在保证总质量和生产的前提下，使连续型生产过程自动地进行下去。

连续生产过程中，流量是一个很重要的参数。

在连续生产过程中，有各种物料在工艺设备间传送。

为了有效地进行生产操作和工艺控制，经常需要测量介质（液体、气体和蒸汽等）的流量。

同时，为了进行经济核算，也需要知道在一段时间内流过的介质总量。

所以，流量监测是控制生产和进行经济核算所必需的一个重要手段。

按照控制任务要求，流量控制系统一般是定值的，根据较快较准较稳得性能要求，采用单闭环控制系统，控制规律是PID控制规律。

闭环相比开环可以减小误差，满足需要。

流量控制系统一般有四部分组成，控制器、执行器、被控对象以及流量检测传感变送器。

控制器的输入由给定与反馈的偏差决定，控制器的输出控制调节阀，从而控制被控对象。

传感变送器将被控变量检测并变送到输入端与给定进行比较，得到的偏差作为控制器的输入，闭环控制系统是按偏差控制的，因而性能比较优越。

我本次进行的课程设计是仪表与过程控制系统的设计，题目是水泵流量控制系统设计，设计一个闭环流量控制系统，使流量能满足要求，从而保证总质量和生产的前提下，使连续型生产过程自动地进行下去。

关键词：

过程控制流量控制闭环控制系统

水泵流量控制系统的设计

1设计目的与要求

1.1设计目的

本次课程设计的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，使学生加深对仪表控制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。

如图1所示，这是一个流量控制系统原理图，按照生产的要求，一般设计成定值控制系统，要求流量稳定在某个值，根据较快较稳较准和抗干扰的性能要求下，采用单闭环控制结构和PID控制规律，闭环控制系统相比开环系统，性能更加优越。

对自来水厂用泵将水打入水槽（泵1和泵2同时用），以备下一道工艺生产需要，进行设计将流量控制在500±

3立方米/小时，以满足生产要求。

1.2设计的意义

本次课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对以前学的《传感与检测技术》、《自动控制原理》、《仪表与过程控制系统》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用，使学生加深对过去已修课程知识的理解，运用本课程所学的基本理论和方法，同时综合计算机控制技术，传感与检测技术，解决生产过程控制领域的实际问题，为学生今后从事过程控制领域的工和学习作打下坚实的基础。

，它能使我们更可能早的接触到生产过程领域的知识，因此本次此课程在教学计划中具有重要的地位和作用。

1.3要求完成的主要任务

（1）、了解被控对象及自来水厂的生产工艺

（2）、绘制水泵流量控制系统方案图

（3）、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数

（4）、撰写系统调节原理及调节过程说明书

2自来水厂生产工艺

2.1生产工艺

众所周知，由于自然因素和人为因素，原水里含有各种各样的杂质。

从给水处理角度考虑，这些杂质可分为悬浮物、胶体、溶解物三大类。

城市水厂净水处理的目的就是去除原水中这些会给人类健康和工业生产带来危害的悬浮物质、胶体物质、细菌及其他有害成分，使净化后的水能满足生活饮用及工业生产的需要。

市自来水总公司水厂采用常规水处理工艺，它包括混合、反应、沉淀、过滤及消毒几个过程。

（1）混凝反应处理

原水经取水泵房提升后，首先经过混凝工艺处理，即：

原水+水处理剂→混合→反应→矾花水

自药剂与水均匀混合起直到大颗粒絮凝体形成为止，整个称混凝过程。

常用的水处理剂有聚合氯化铝、硫酸铝、三氯化铁等。

汕头市使用的是碱式氯化铝。

根据铝元素的化学性质可知，投入药剂后水中存在电离出来的铝离子，它与水分子存在以下的可逆反应：

Al3++3H2O←→Al（OH）3+3H+

氢氧化铝具有吸附作用，可把水中不易沉淀的胶粒及微小悬浮物脱稳、相互聚结，再被吸附架桥，从而形成较大的絮粒，以利于从水中分离、沉降下来。

混合过程要求在加药后迅速完成。

混合的目的是通过水力、机械的剧烈搅拌，使药剂迅速均匀地散于水中。

经混凝反应处理过的水通过道管流入沉淀池，进入净水第二阶段。

（2）沉淀处理

混凝阶段形成的絮状体依靠重力作用从水中分离出来的过程称为沉淀，这个过程在沉淀池中进行。

水流入沉淀区后，沿水区整个截面进行分配，进入沉淀区，然后缓慢地流向出口区。

水中的颗粒沉于池底，污泥不断堆积并浓缩，定期排出池外。

（3）过滤处理

过滤一般是指以石英砂等有空隙的粒状滤料层通过黏附作用截留水中悬浮颗粒，从而进一步除去水中细小悬浮杂质、有机物、细菌、病毒等，使水澄清的过程。

（4）滤后消毒处理

水经过滤后，浊度进一步降低，同时亦使残留细菌、病毒等失去浑浊物保护或依附，为滤后消毒创造良好条件。

消毒并非把微生物全部消灭，只要求消灭致病微生物。

虽然水经混凝、沉淀和过滤，可以除去大多数细菌和病毒，但消毒则起了保证饮用达到饮用水细菌学指标的作用，同时它使城市水管末梢保持一定余氯量，以控制细菌繁殖且预防污染。

消毒的加氯量（液氯）在1.0-2.5g/m3之间。

主要是通过氯与水反应生成的次氯酸在细菌内部起氧化作用，破坏细菌的酶系统而使细菌死亡。

消毒后的水由清水池经送水泵房提升达到一定的水压，在通过输、配水管网送给千家万户。

2.2生产工艺流程图

首先从泵房将水打到水池，经初滤，再加水沉淀剂聚合、过滤得到清水，加氯气消毒（小水厂加二氧化氯），将水储入清水池备用，再经高压泵压出供水。

流程图如图2-1所示。

进水泵-蓄水池-澄清池-过滤池-加药池-过滤池-澄清池-出水泵

图2-1自来水厂生产工艺流程图

3系统结构设计

3.1控制方案

整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象四部分组成。

在本次过程控制系统中控制器为计算机，采用的算法为PID控制规律，调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。

结构组成如下图3-1所示。

当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道将水送到水箱，由HB返回信号，判断是加大调节阀流量还是减小调节阀流量。

若需要加大（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而保证流量控制在500±

3立方米/小时；

若不需要，则通过电磁阀使流量保持或减小。

3.2系统结构

过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。

本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图3-1。

图3-1流量单回路控制系统框图

4被控变量与控制变量选择

4.1被控变量选择原则

根据被控参数的选择与生产工艺密切相关，被控参数的选择通常有两种方法。

一种是选择能直接反映生产过程中产量和质量，又易于测量的参数作为被控参数，称为直接参数法。

如果生产过程是按质量指标进行控制，按理应以直接反映产品质量的变量作为被控参数，但有时由于缺乏检测直接反映产品质量参数的有效手段，无法对产品质量参数进行直接检测；

虽能检测，但检测信号很微弱或滞后很大，直接参数检测不能及时、正确地反映生产过程的实际情况。

这时可以选择与质量指标有单值对应关系、易于测量的变量作为被控参数，简介反映产品质量、生产过程的实际情况。

在选择被控参数时，还要求所选参数有足够的灵敏度。

选取被控参数的基本原则是首先考虑选择对产品产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用、可直接测量的工艺参数为被控参数；

当直接参数不易测量，或其测量之后很大时，应选择一个易于测量，与直接参数有单值关系的简接参数作为被控参数；

同时兼顾工艺上的合理性和所用仪表的性能及经济性。

4.2控制变量选择原则

设计单回路控制系统时，选择控制变量的原则可归纳为以下几条：

1）控制变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。

2）控制变量一般应比其他干扰对被控参数的影响灵敏。

为此，应通过合理选择控制变量，使控制通道的放大系数

大、时间常数

小、纯滞后时间

越小越好。

3）为使干扰对被控参数的影响小，应使干扰通道的放大系数

尽可能小、时间常数

尽可能大。

扰动引入系统（控制通道）的位置要远离被控参数，尽可能靠近调节阀（控制器）。

4）被控过程存在多个时间常数，在选择设备及控制参数时，应尽量使时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大很多，同时注意减小其他时间常数。

这一原则同样适用于控制器、调节阀和测量变送器时间常数的选择。

控制器、调节阀和测量变送器（三者均为系统控制通道中的环节）的时间常数应远小于被控过程中最大的时间常数（这个时间常数一般难以改变）。

5）在选择控制变量时，除了从提高控制品质的角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产效率及生产过程的经济性。

一般不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量或者用户的需求，不允许控制。

另外，从经济性考虑，应尽可能地降低物料与能量的消耗。

4.3本系统被控变量与控制变量的选择

由设计任务和以上分析可知，本系统要求维持出口水流量恒定，并且出口流量也是易于检测的，所以选择出口水流量作为该系统的被控变量。

在选择控制变量时，要从所有允许控制的变量中尽可能地选择一个对被控参数影响显著、控制性能好的输入变量作为控制变量。

水的流量是较易于控制的，通过调节阀就可以控制住，所以选择水的流量作为本系统的控制变量。

5检测环节设计

5.1检测环节设计原则

过程控制系统中的检测元件指的是用于参数检测的传感器、变送器。

传感器、变送器完成对被控参数以及其他一些参数、变量的检测，并将测量信号传送至控制器。

测量信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数迅速、准确地测量是实现高性能控制的重要条件。

下面介绍传感器、变送器选择的一些原则及使用中应注意的一些事项。

（1）传感器、变送器测量范围与精度等级的选择

在控制系统设计时，对要检测的参数和变量都有明确的测量精度要求，参数与变量可能的变化范围一般都是已知的。

因此，在传感器与变送器的选择时，应按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范围与精度等级。

（2）尽可能选择时间常数小的传感器、变送器

传感器、变送器都有一定的响应时间，特别是测温元件。

这些时间和纯滞后必然造成测量滞后；

对于气动仪表，由于现场传感器与控制室仪表间的信号通过管道传递，还存在一定的传送滞后。

因此，控制系统中测量环节的常数不能太大，最好选用惰性小的快速测量元件。

必要时，可以在测量元件之后引入微分环节，利用它的超前作用来补偿测量元件引起的动态误差。

对于传送滞后较大的气动信号，一般气压信号管路不能超过300m，直径不能小于6mm，或者用阀门定位器、气动放大器增大输出功率，以减小传送滞后。

在可能的情况下，现场与控制室之间的信号尽量采用电信号传递，必要时可用气-电转换器将气信号转换为电信号，以减小传送滞后。

（3）合理选择检测点，减小测量纯滞后

要合理地选择测量信号的检测点，避免由于传感器安装位置不合适引起的纯滞后。

纯滞后使测量信号不能及时反映被控变量的变化，从而使控制品质降低，所以在选定测量传感器的安装位置时，一定要注意尽量减小纯滞后。

另外，检测位置的选择还要使检测参数能够真实反映生产过程的状态，因此，尽量将传感器安装在能够直接代表生产过程状态的位置。

（4）测量信号的处理

1）测量信号校正与补偿。

测量某些参数时，测量值要受到其他参数的影响，为了保证测量精度，需要进行校正与补偿处理。

2）测量噪声的抑制。

在测量某些过程参数时，由于其本身特点和环境干扰的存在，测量信号中含有干扰噪声，如不采用措施，将会影响系统控制等质量。

3）测量信号的线性化处理。

一些检测传感器的非线性，使传感器的检测信号与被测参数间呈非线性关系。

在系统设计时，应根据具体情况确定是否进行线性化处理。

5.2本系统检测环节设计

流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。

根据本试验装置的特点，采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量0~.03m3/h,压力1.6Mpmax,4-20mA标准信号输出。

可与显示，记录仪表，积算器或调节器配套。

避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点，确保实验效果能达到教学要求。

主要优点：

（1）采用整体焊接结构，密封性好；

（2）结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损失；

（3）采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定；

（4）仪表反映灵敏，输出信号与流量呈线性关系,量程比宽；

（5）流量转换器采用LDZ-4型电磁流量传感器配套使用，输入信号：

0~0.4mV输出信号：

4~20mADC,许负载电阻为0~750欧姆，基本误差：

输出信号量程的0.5%。

6执行器设计

6.1执行器设计原则

过程控制使用最多的是由执行机构和调节阀组成的执行器。

从提高系统控制品质、增强生产系统及设备安全性的角度，对控制系统设计中有关执行器选型需要关注的问题进行简单的说明。

（1）调节阀工作区间的选择。

在过程控制过程中，确定控制阀的口径尺寸是选择控制阀的重要内容之一，在正常工况下要求调节阀的开度在15%~85%之间。

如果调节阀口径选得过小，当系统受到较大的扰动时，调节阀工作在全开或全关的饱和状态，使系统暂时处于失控工况，这对扰动偏差的消除不利；

同样，调节阀口径选得过大，阀门长时间处于小开度工作状态，阀门的不平衡力较大，阀门调节灵敏度低，工作特性差，甚至会产生振荡或调节失灵的情况。

因此，调节阀口径选择一定要合适。

（2）调节阀的流量特性选择。

调节阀的流量特性选择一般分两步进行。

首先要根据生产过程的工艺参数和对控制系统的工艺要求，确定工作流量特性，然后根据工作流量特性相对于理想流量特性的畸变关系，求出对应的理想流量特性，确定阀门的选型。

（3）调节阀的气开、气关作用方式选择。

调节阀开、关作用方式的选择主要以不同生产工艺条件下，人员安全、生产安全、系统及设备安全的需要为首要依据。

6.2本系统执行器设计

电动调节阀对控制回路流量进行调节。

采用德国PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。

控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。

有输入控制信号4-20mA及单相电源即可控制与转实现对压力流量温度压力等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。

采用PS电子式直行程执行机构，4-20mA阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。

性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。

7调节器设计

7.1调节器正反作用选取

调节器的输出决定于被控参数的测量值与设定值之差，被控参数的测量值与设定值变化，对输出的作用方向是相反的。

当设定值不变时，随着测量值的增加，调节器的输出也增加，则称为“正作用”方式；

同样，当测量值不变，设定值减小时，调节器输出增加，称为“反作用”方式。

反之，如果测量值增加或设定值减小时，调节器输出减小，则称为“反作用”方式。

调节器正、反作用方式的选择是在调节阀气开、气关方式确定之后进行的，其确定原则是使整个单回路构成负反馈系统。

在传感器、被控过程、执行器（调节阀）的符号已确定的条件下，为了保证单回路控制系统构成负反馈系统，调节器的符号（“正”、“反”作用）选择应满足单回路各环节符号的乘积必须为“-”。

在一般情况下，过程控制系统中变送器的符号都认为是“+”，简化后，即调节器符号为被控过程的符号与执行器（调节阀）符号乘积的相反值。

由此可知，当控制阀与被控过程符号相同时，控制器应选择“反作用”方式；

反之，则选择“正作用”方式。

7.2调节器规律的选择

采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定

在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。

它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。

如：

金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水池水位控制；

油泵房中间油罐油位控制等。

比例（P）控制器:

（7-1）

积分调节的特点是没有静差。

它的动态偏差最大、调节时间长，只能用于有自衡特性的简单对象，很少单独使用。

比例积分调节既能消除静差，又能产生较积分调节快得多的动态响应。

对于一些调节通道容量滞后较小、负荷变化不大的调节系统，比例积分调节可以取得很好的效果。

比例积分调节是使用最多的调节器。

比例积分控制器:

（7-2）

在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。

积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。

在主线窑头重油换向室中F1401到F1419号枪的重油流量控制系统；

油泵房供油管流量控制系统；

退火窑各区温度调节系统等微分作用提高了系统的稳定性，使系统比例系数增大，加快调节过程，减小动态偏差和静差。

在有高频干扰的场合，由于系统对高频干扰特别敏感，

不能太大，否则会影响系统正常工作。

在高频干扰频繁或存在周期性干扰的场合，不能使用微分调节。

PID调节器是常规调节中性能最好的一种调节器，它综合了各种调节规律的优点，既能改善系统的稳定性，又可以消除静差。

对于符合变化大、容易滞后大、控制品质要求高的控制对象均能适应。

但对于对象滞后很大，负荷变化剧烈、频繁的被控过程，采用PID调节还达不到工艺要求的控制品质时，则应选用串级控制、前馈控制等复杂控制系统。

比例积分微分控制器:

（7-3）

PID参数对于调节过程的影响

比例控制系数Kp对控制性能的影响：

（1）对动态性能的影响：

比例控制Kp加大，使系统的动作灵敏速度加快，Kp偏大，振荡次数增多，调节时间加长。

当Kp太大时，系统会趋于不稳定。

若Kp太小，又会使系统的动作缓慢。

（2）对稳态特性的影响：

加大比例控制Kp，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差ess，提高控制精度，但是加大Kp只是减小ess，却不能完全消除稳态误差。

积分控制Ti对控制性能的影响：

积分控制通常与比例控制或者微分控制联合作用，构成PI控制或PID控制。

（1）对动态特性的影响

积分控制Ti通常使系统的稳定性下降。

Ti太小系统将不稳定。

Ti偏小，振荡次数较多。

Ti太大，对系统性能的影响减小。

当Ti合适时，过渡特性会比较理想。

积分控制Ti能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。

但是若Ti太大时，积分作用太弱，以至不能减小稳态误差。

微分控制Td对控制性能的影响：

微分控制经常与比例控制或积分控制联合作用，构成PID控制或PD控制。

微分控制可以改善动态性能，如超调量减小，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。

当Td偏大时，超调量较大，调节时间较长。

当Td偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。

只有合适时才能得到比较满意的过渡过程。

总之，控制规律的选用要根据过程特性和工艺要求来选取，决不是说PID控制规律在任何情况下都具有较好的控制性能，不分场合都采用是不明智的。

如果这样做，只会给其它工作增加复杂性，并给参数整定带来困难。

当采用PID控制器还达不到工艺要求，则需要考虑其它的控制方案。

如串级控制、前馈控制、大滞后控制等。

图7-1PID算法流程图

另外，如果广义对象的传递函数可用下式近似时：

（7-4）

则可根据

来选择调节器的调节规律：

时，选择比例（P）或者比例积分（PI）调节规律；

时，选择比例微分（PD）或比例积分微（PID）调节规律；

时