过程控制课程设计报告贮槽液位控制系统设计.docx
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过程控制课程设计报告贮槽液位控制系统设计
过程控制课程设计
设计题目:
贮槽液位控制系统设计
学院:
电气工程学院
专业:
自动化
班级:
091班
2012年6月4日
小构成员:
序号学号姓名
160902100138姚航程
170902100140韦寿德
180902100141张印
190902100142邓世杰
200902100147杨奉志
210902100148钟昌帅
220902100149李晓明
230902100202张凯强
240902100203农志兴
250902100204袁剑波
260902100206李季
270902100208黄灵浩
280902100209谭雷
290902100213吴高阳
300902100216潘敏
设计分工
总方案确实定及原理、控制参数的整定、simulink仿真
丈量变送器的选型、控制参数的整定、查阅资料
丈量变送器的选型、控制参数的整定
调理阀的选型、水箱的建模
总方案确实定及原理、控制参数的整定、simulink仿真
simulink仿真、调理阀的选型
控制器的选型、控制参数的整定、设计总结、整理报告
simulink仿真、水箱的建模、查阅资料
调理阀的选型、水箱的建模
控制器的选型、查阅资料
调理阀的选型、控制器的选型
丈量变送器的选型、水箱的建模、查阅资料
调理阀的选型、水箱的建模
控制参数的整定、水箱的建模、查阅资料
调理阀的选型、丈量变送器的选型
2
一、设计目的·············································4二、设计任务及要求·······································4三、工艺过程及要求·······································5四、系统整体方案的选择及说明·····························6五、系统构造框图与工作原理·······························7
1.系统构造框图···········································7
2.工作原理···············································8
3.水箱建模···············································8
六、各单元软硬件·········································10
1.控制对象···············································10
2.控制器·················································10
3.调理阀·················································11
4.差压变送器·············································12
七、参数的整定及仿真结果·································13
1.经验法(现场实验整定法)································13
2.常有被控量的PID参数选择范围···························13
3.控制器各校订环节的作用·································13
4.仿真结果···············································14
八、剖析总结·············································16
设施清单·················································17
参照文件·················································18
3
一、设计目的
过程控制课程设计是一项重要的实践性教课环节。
在设计过程
中,经过一个工程实质课题的设计练习,学生能够初步实践过程控制
系统的设计过程、明确应达成的工作内容和采纳的详细设计方法,达
到稳固、充分和综合所学知识并解决实质问题的目的。
经过课程设计,能够培育学生以下能力:
(1)独立工作能力和创建力;
(2)查阅图书资料、产品手册和各样工具书的能力;
(3)综合运用专业及基础知识,解决实质工程技术问题的能力;
(4)编写技术资料的能力。
二、设计任务及要求
课程设计应充足运用过程控制技术及有关专业课的知识,针对某
生产工艺过程实行自动过程控制方案。
所以,既要充足掌握生产工艺
过程及控制工程的基本知识,又要熟习控制及检测仪表的使用方法及
型号、规格、价钱等信息。
设计任务主要包含以下方面:
1.认识生产工况:
研究过程控制单元的生产工艺及工作环境,在这一阶段还需要采集工艺中有关的物性参数和重要数据。
2.明确控制要求:
找出被控对象,针对可能出现的扰乱要素剖析控制目的及其应达到的控制成效。
3.制定控制方案:
依照现场的特色、控制室与现场的相对地点及系统的控制要求,确立合理的控制系统种类,定出各检测点、控制点
4
的实质地点,初步剖析控制系统的性能。
4.拟订控制流程图:
依据工艺特色以及控制方案画出系统的控制工艺流程图及控制方框图。
5.选用被控变量和操控变量:
依据控制要求及工艺合理性进行选用,尽量选用简单检测、无容量滞后或滞后小的变量。
6.过程装置及仪表的选型:
依据工艺供给的数据及仪表选型的原则(依据工艺数据和有关计算方法对换节阀进行相应的计算),调研产品的性能、质量和价钱,选定检测、变送、显示、控制等各种仪表的规格、型号。
此外,关于仪表设施的协助设施资料(仪表设施在安装过程中,还需要采纳一些有关的其余设施资料)也需依据施工要求,进行数目统计,编制仪表安装资料表等。
7.设计总结:
对整个设计过程做客观的评论,并论述控制系统的
优、弊端等。
三、工艺过程及要求
在工业生产过程中,液体贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲容
器、水箱等设施应用十分广泛,为了保证生产正常进行,物料
出入需均衡,以保证过程的物料均衡。
工艺要求液位贮槽内的液位需保持在某给定值上下,或在某一
小范围内变化,并保证物料不产生溢出。
5
四、系统整体方案的选择及说明
跟着工业生产的快速发展,工艺条件愈来愈复杂。
对过程控制的要求愈来愈
高。
过程控制系统的设计是以被控过程的特征为依照的。
因为工业过程的复杂、
多变,所以其特征多半属多变量、散布参数、大惯性、大滞后和非线性等。
为了
知足上述特色与工艺要求,过程控制中的控制方法是十分丰富的。
往常有单变量
控制系统,也有多变量控制系统,有复杂控制系统,也有知足特定要求控制系统。
在工业生产过程中,液体贮槽设施如进料罐、成品罐、中间缓冲容器、水箱等应用十分广泛,为保证生产正常进行,物料出入需均衡,以保证过程的物料均衡,所以工艺要求贮槽内的液位需保持在某个给定值上下,或在某一小范围内变化,并保证物料不产生溢出,要求设计一个液位控制系统。
对剖析设计的要求,生产工艺比较简单要求其实不高,所以采纳单回路控制系统进行设计。
单回路控制系统又称简单控制系统,是指由一个被控系统、一个检测元件及变送器、一个调理器和一个履行器所构成的闭合系统。
单回路控制系统是最简单、最基本、最成熟的一种控制方式。
单回路控制系统依据被控量的系统、液位单回路控制系统等。
单回路控制系统的构造比较简单,所需的自动化妆置数目少,操作保护也比较方便,所以在化工自动化中使用很广泛,这种系统占控制回路的绝大部分。
单回路控制系统固然简单,但它的剖析、设计方法是其余各样复杂过程控制系统剖析、设计的基础。
对单回路控制系统进行剖析,设计,调试办理的方法,理解单
回路控制系统对各个环节的影响,就能够剖析办理好更复杂的设计问题。
这里选择的是液位单回路控制系统。
单回路控制系统方框图的一般形式以下:
F(S)
X(S)
Y(S)
_
WC(S)
WV(S)
WO(S)
Z(S)
Wm(S)
WC(S)——控制器的传达函数WV(S)——调理阀的传达函数
WO(S)——被控过程的传达函数Wm(S)——丈量变送器的传达函数
6
五、系统构造框图与工作原理
1.系统构造框图:
f(t)
设定值
e
u履行阀
q1
实质液位
液位控制器
液位过程
检测变送器
履行阀
设定值
液位检测变送器液位控制器
过程控制系统,简单的说,就是采纳计算机来实现的过程工业控制(含管理)系统。
从控制系统引入计算机,能够充足利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能达成多种控制任求实现复杂东芝规律。
因为计算机只好办理数字信号,所以给定值和反应要先经过A/D变换器将其变换为数字量,才能输入计算机。
但计算
机接受了给定量和反应量后,依照偏差值,按某种控制规律进行运算(如PID运算),计算结果(数字信号)在经过D/A变换器,将数字信号变换成模拟信号输出到履行机构,进而达成对系统的控制作用。
7
2.工作原理
单回经过程控制系统亦称单回路调理系统,一般是指正对一个被控过程(调理对象),采纳一个检测变松器检测被测过程,采纳一个控制(调理器)来
保持参数恒定(或在很小范围变化),其输出也只控制一个履行机构(调理阀)。
从系统的款图看,只有一个闭环回路。
单回经过程控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其构造简单、投资少、易于调整和投运,能知足一般工业生产过
程的控制要求、所以在工业生产小应用十分宽泛,特别合用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较缓和,或许控制质量要求不太高的场合。
单回经过程控制系统固然简单,但它的剖析、设计方法是其余各样复杂过程控制系统剖析、设计的基础。
所以,学习和掌握单回路系统的工程设计方法是特别重要的。
3.水箱建模
这里研究的被控对象只有一个,那就是单容水箱(图2-1)。
要对该对象进行较好的计算机控制,有必需成立被控对象的数学模型。
正如前方提到的,单容水箱是一个自衡系统。
依据它的这一特征,我们能够用阶跃响应测试法进行建模。
如图2-1,设水箱的进水量为Q1,出水量为Q2,水箱的液面高度为h,出水
阀V2固定于某一开度值。
若Q1作为被控对象的输入变量,h为其输出变量,则该被控对象的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。
依据动向物料均衡关系有
Q1
Q2
Cdh
(2-1)
dt
将式(2-1)表示为增量形式
Q1
Q2
Cdh
(2-2)
dt
式中,
Q1、Q2、h——分别为偏离某一均衡状态
Q10、Q20、h0的增量;C
——水箱底面积。
在静态时,Q1=Q2;dhdt=0;当Q1发生变化时,液位h随之变化,阀V2处
的静压也随之变化,Q2也必定发生变化。
由流体力学可知,流体在紊流状况下,
液位h与流量之间为非线性关系。
但为简化起见,经线性化办理,则可近似以为
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Q1与h成正比,而与阀V2的阻力R2成反比,即
Q2
h
或
R2
h
(2-3)
R2
Q2
式中,R2为阀V2的阻力,称为液阻。
将式(2-3)代入式(2-2)可得
d
h
hR2Q1
(2-4)
R2C
dt
在零初始条件下,对上式求拉氏变换,得:
G0
H(s)
R2
K
(2-5)
(s)
R2Cs1
Ts
Q1(s)
1
式中,T=R2C为水箱的时间常数(注意:
阀
V2的开度大小会影响到水箱的时间常
数),K=R2为过程的放大倍数。
令输入流量
Q1(s)=R0/s,R0为常量,则输出液位
的高度为:
KR0
KR0
KR0
(2-6)
H(s)
1)
s
s
s(Ts
1/T
1t
即
h(t)
KR0(1
eT)
(2-7)
当t时,h()KR0因此有
h()
输出稳态值
)
K
(2-8
R0
阶跃输入
当t=T时,则有
h(T)KR0(1e1)0.632KR00.632h()
(2-9)
式(2-7)表示一阶惯性环节的响应曲线是一单一上涨的指数函数,如图2-2所示。
由式(2-9)可知该曲线上涨到稳态值的63.2%所对应的时间,就是水箱的时间常数T。
该时间常数T也能够经过坐标原点对响应曲线作切线,此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。
9
h2(t)
h2(00)
0.63h2(00)
0T
t
图2-2阶跃响应曲线
六、各单元软硬件
1.控制对象
控制对象为一个水箱,水箱液位高度决定于入水量、出水量、水箱形状等因
素。
实验采纳PI算法将水箱液位控制在指定地点。
水箱装有液位传感器,并选
用水箱中的液位高度为控制变量。
管路任一个手动阀都能够作为扰乱源,用以产
生扰乱信号,整个被控对象构成了一个控制系统。
2.控制器
模拟式控制器DDZ-Ⅲ型
DDZ-Ⅲ型电动单元控制器是一种常用的模拟式控制器,以来自变送器的标准
1-5V直流信号作输入,与1-5V直流设定值比较获得偏差,进行PID运算后输出
1-5V或4-20mA信号。
其特色以下:
①采纳高增益、高阻抗线性集成电路组件,提升了仪表的精度、稳固性和靠谱
性,降低了功耗。
②整套仪表能够构成安全火花防爆系统,且增添了安全单元-安全栅,实现控
制室与危险场所之间的能量限制和隔绝。
③有软、硬两种手动操作方式,软手动和自动之间互相切换拥有双向无均衡无
扰动特征,提升了控制器的操作性能。
因为在自动与软手动之间有保持状态,
此时控制器输出可保持长久不变,即便有偏差存在,也能实现无扰切换。
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④采纳国际标准信号制,现场传输信号为4~20mA直流电流,控制室联系信号
为1~5V直流电压,信号电流和电压的变换电阻为250Ω。
因为电气零点不
是从零开始,所以简单辨别断电、断线等故障。
信号传输采纳电流传递-电压
接受的并联方式,即出入控制室的传输信号为直流电流信号(4~20mA),将
此电流信号变换成直流电压信号后,以并联形式传输给控制室各仪表。
DDZ-Ⅲ型控制器传达函数为:
U(s)
1
TDs)
G(s)
KP(1
E(s)
TI
s
3.调理阀
气动调理阀:
构造简单,靠谱,保护方便,防火防爆。
薄膜式:
因为不需要大口径、高压降,一般状况采纳薄膜式。
直通单座阀:
因为这是小口径、低压差的场合。
气开式:
无压力信号时阀全闭,跟着信号增大,阀门渐渐开大称的为气开式,因为考虑到控制信号中止后,为防备水满溢出水箱,所以选择气开式。
采纳ZJHP系列ZHB-22型气动气开式薄膜直通单座调理阀
此调理阀是上海好施阀门有限企业生产的,由多弹簧气动薄膜履行机构和顶导向
式直通低流阻单座阀构成。
拥有构造紧凑、重量轻、动作敏捷、流体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特征精准,配用电-气阀门定位或气动阀门定位器,可实现对工艺管路流体介质的自动调理控制,宽泛应用于精准控气体、液体、蒸汽等介质的工艺参数如压力、流量、温度、液位等参数保持在给定值。
是切合IEC标准的新一代通用调理阀产品。
构造特色:
1.ZJHP型气动单座调理阀是自动化控制系统中仪表的履行单元,采纳电-气阀
门定位器,以电信号和压缩空气为动力,接受控制系统输入的0-10mADC或
4-20mADC电流信号,由调理器将压缩空气,变换成气源压力信号输入输出,可
实现分程控制(段幅信号),进而改变阀门开度位移,达到对流体介质的工艺参
数精准调理控制
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2.直通低流阻单座为无底盖顶导向构造,它只有一个阀座和一个柱塞形阀芯拥有密闭性能好、泄露量小、动作敏捷、流体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特征精准、可调比大,阀芯导向部分的导向面积大,拥有抗振性能强等特色,合用于对介质泄露量及调理精度有严格要求的场合,但因为阀构造上的原由,阀杆上的不均衡力较大,特别在公称通径大的工况下更加显然,因此该阀
只合适于工作压差较小的场合。
3.经过改变阀芯形状的设计,不一样的阀芯形状会获得不一样流量特征:
等百分比
(对数)性、直线性、快开特征。
传达函数:
调理阀:
Wc(s)Kc
4.差压变送器
采纳罗斯蒙特3051C差压变送器,其主要参数以下:
整体性能:
±0.15%
精度:
±0.075%
差压:
校验量程从0.5inH2O至2000psi
表压:
校验量程从2.5inH2O至2000psi
绝对压力:
校验量程从0.167psia至4000psia
过程隔绝膜片:
不锈钢,哈氏合金C,蒙乃尔,钽(仅限CD,CG)及镀金蒙乃尔设计小巧、牢固而质轻,易于安装
特色:
罗斯蒙特3051压力变送器拥有无可比较的操作性能、灵巧的CoPlanarTM平台,并且能够升级。
新式罗斯蒙特3051C压力变送器的性能指标保证了在不一样工况下的精度和稳固性。
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七、参数的整定及仿真结果
1.经验法(现场实验整定法)
依照先比率、后积分、再微分的次序进行整定
①TI=∞,TD=0,δ由大到小调理,使过渡过程达到4:
1,且静差较小,若能满
足要求,则用比率控制。
②若静差不可以知足要求,则需要加积分环节。
比率度δ增添10-20%,由大到小
调理积分时间TI,在保持动向特征的基础上,减小或许除去偏差。
③若动向特征不可以知足要求,由大到小调理TD,同时合适调理TI、δ。
(知足要求的参数不是独一的,某个参数的减小能够用其余参数的增大来赔偿)
2.常有被控量的PID参数选择范围:
系统
参数
δ(%)
I(min)
TD(min)
T
温度
20~60
3~10
0.5~3
流量
40~100
0.1~1
压力
30~70
0.4~3
液位
20~80
3.控制器各校订环节的作用以下:
①比率环节:
用于加速系统的响应速度,提升系统的调理精度。
KP越大,系统
的响应速度越快,系统的调理精度越高,但易产生超调,甚至会致使系统不稳固。
KP取值过小,则会降低调理精度,使响应速度迟缓,进而延伸调理时间,使系
统静态、动向特征变坏。
②积分环节:
主要用来除去系统的稳态偏差。
TI越小,系统的静态偏差除去越快,
但TI过小,在响应过程的早期会产生积分饱和现象,进而惹起响应过程的较大超
调。
若TI过大,将使系统静态偏差难以除去,影响系统的调理精度。
③微分环节:
能改良系统的动向特征,其作用主假如在响应过程中克制偏差向任
13
何方向的变化,对偏差变化进行提早预告。
但TD过大,会使响应过程提早制动,
进而延伸调理时间,并且会降低系统的抗扰乱性能。
4.仿真结果
输入(给定)信号曲线(单位阶跃):
①只采纳比率P控制
K=30,TI=∞,TD=0
Simulink仿真曲线:
14
Simulink仿真曲线(加入扰动):
②采纳比率积分PI控制
K=30,TI=5,TD=0
Simulink仿真曲线:
15
Simulink仿真曲线(加入扰动):
八、剖析总结
在此次课程设计中,我们组的设计题目是:
贮槽液位控制系统设计。
依据设计任务的要求,我们经过组员的分工合作,设计出了贮槽液位自动过程控制方案。
这套方案有以下的长处:
不论任何扰动惹起被控变量偏离设定值,都会产生控制作用去战胜被控变量与设定值的偏差。
此控制系统有较高的控制精度和较好的适应能力,并且构造简单,投资少,易于调整,操作保护比较方便,又能知足多半工业生产的控制要求,其应用范围特别宽泛。
这套方案的弊端是:
该控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生,当系统的惯性滞后和纯滞后较大时,控制作用对扰动的战胜不实时,进而使其控制质量大大降低。
经过此次的课程设计,我们对课本上的知识有了更深刻的认识,特别是培育了我们的设计思想,加强了我们的实质操作能力,更使我们认识到团队合作的重要性。
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设施清单
序号
设施名称
型号
数目
单位
1
控制器
DDZ-Ⅲ型
1
台
2
调理阀
ZHB-22型气
2
个
动气开式薄膜
直通单座调理
阀
3
差压变送器
罗斯蒙特
1
个
3051C差压变
送器
4水槽1个
17
参照文件
【1】王再英.刘淮霞.陈毅静.过程控制系统与仪表.北京:
机械工业第一版社,
2005
【2】卢子广.林靖宇.周永华.自动控制理论.北京:
机械工业第一版社,
2009
【3】海涛.李啸骢.韦善革.陈
苏.现代检测技术.重庆:
重庆大学第一版社,
2010
【4】王海英.袁丽英.吴
勃.控制系统的MATLAB仿真与设计.北京:
高等教育第一版社,
2009
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- 过程 控制 课程设计 报告 贮槽 控制系统 设计