1、过程控制液位控制系统第一章 过程控制仪表课程设计的目的意义1.1 设计目的 本课程设计主要是通过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，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。基本要求如下: 1. 掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；2. 掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；3. 掌握PID调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统的总体设计，并画出控制
2、系统的原理图和系统主要程序框图。4 通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、液位）设计其控制系统。1.2课程设计的基本要求本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，是对现代检测技术、自动控制理论、过程控制仪表、计算机控制技术等前期课堂学习内容的综合应用。其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，促进学生对仪表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
3、，有效的巩固与提高理论教学效果。课程设计主要是通过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，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。基本要求如下: 1. 掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；2. 掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；3. 掌握PID调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。4 通过对一个
4、典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、液位）设计其控制系统。第二章 液位控制系统2.1液位控制系统2.1.1 液位控制系统装置该装置由三个相同大小的容器、液位检测变送仪表及执行机构组成，配套的仪表屏上安装了配有带连接信号插座孔的整个工艺过程模拟流程图、调节控制仪表、手操器、显示仪表等。工艺过程模拟流程图如图4.1所示 。图2.1 带连接信号插座孔的液位装置工艺模拟流程图上图4.1中，标有字母的方块为各种仪表，为各仪表输入、输出信号的单线接插件的插座孔（，插孔）。其中: C：控制器（调节器）。该装置配有三个单回路调节器C1、C2和C3，控制输出信
5、号为420mA，每个调节器设有三对插座孔（，插孔）。其中:PV孔为测量值输入，SV孔为外设定输入或阀位反馈信号输入，O孔为调节器输出。R：记录仪为无纸3通道记录仪，输入信号420mA，其中R1孔为1号通道，R2孔为2号通道，R3孔为3号通道。每个通道有两个插座孔，其中上孔（）接变送器来的信号，下孔（）用来转接到其他仪表作为输入信号，注意不能接错。HT：液位变送器。液位变送器为LSRY或LSRT，1# 3#输入量程均为0100mmH2O，变送输出为420mA。VL：电子式电动调节阀为电子小流量调节阀，电动调节阀输入420 mA电流信号，对应阀门输出开度0100%。V12和I12 ：两路电压/电流
6、转换器。其中V1为第1路电压输入信号端，I1 为第1路电流输出信号端，V2为第2路电压输入信号端，I2 为第2路电流输出信号端，O上孔（）插孔接电压/电流转换器来的正信号，下孔（）插孔接电压/电流转换器来的负信号，不能接错。三级串联水箱如图4.2所示，它由三个水箱组成，稳压水由两路经过电动调节阀VL1和VL2以及手动阀V1V6，分别流入三个水箱。调节阀VL1和VL2可以一个作为控制回路的执行机构，另一个用于产生扰动信号。若以进入水箱的水流量作为输入量，水位作为其输出量，则每一个水箱可以看成是一阶惯性环节的被控对象。当VL1作为控制回路执行机构，通过手动阀V1、V3和V5的打开关闭不同组合使水箱
7、构成不同阶次的被控对象。选择第3个水箱的液位H3作为被调变量，关闭手动阀V1和V3，只打开V5，则构成一阶被控对象；关闭手动阀V1和V5，只打开V3，使两个水箱串联，则两个惯性环节串联构成二阶被控对象；关闭手动阀V3和V5，只打开手动阀V1，使三个水箱串联，则三个惯性环节串联构成三阶被控对象。当然，第一个水箱的液位H1和第二个水箱的液位H2也可以作为被调变量，构成二阶或一阶被控对象。图2.2 液位控制系统实验装置原理图该装置中有三个被控变量（1水箱、2水箱、3水箱的液位）， 可从中选择一至二个为被控变量。有二个操作变量（二个调节阀的开度）。一般，支路 1（VL1）流量作为操作变量通路，支路（V
8、L2）则为扰动输入通路。 在确定被控变量、操作变量、主要扰动和控制方案后， 只要在模拟控制流程图上的插座孔进行不同的连接，就能方便、迅速地组成不同的控制回路。如图4.1所示简单的内给定闭环单回路1号水箱液位控制的接线方式如下：首先把1#水箱的液位信号HT1的电流信号串入无笔记录仪的1号通道R1，再串入到号调节器(既C1)的输入端PV，如：HT1(+)接R1(+)，R1（-）接C1(PV+)，C1(PV-)接HT1(-)，再把调节器的输出电流信号接到支路1电子调节阀VL1上，如：C1(O+)接VL1（+）， VL1（-）接C1(O-)连接即可完成。用同样的方法可构成串级控制回路等复杂控制回路。2
9、.1.2 液位控制系统1. 单回路液位控制系统单回路液位控制系统是由下列4部分组成的：（1）被控对象水箱；（2）电子阀；（3）液位变送器；（4）PID智能调节器等组成。它们连接成控制系统的方框图如图4.3所示。图2.3 单回路液位控制系统方框图图2.3中被控对象是三级串联的水箱，被控制量是水箱的液位Hs，调节参数是流入水箱的水流量Q，水箱液位由液位变送器检测得到液位反馈信号Hf，它和液位设定信号Hs进行比较，得到偏差信号Hi，调节器对输入偏差Hi进行PID运算，输出变化量u控制信号，控制电子调节阀门的阀位，改变调节参数Q，使被调参数H保持在设定值。其中f为系统扰动信号。2. 双回路串级控制图2
10、.4是水箱液位串级控制系统的方框图。有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值Hs，它的输出U1作为副调节器的给定值，副调节器的输出u2控制执行器，以改变主参数H1。 图2.4 串级液位控制系统方框图其中，Hs是主参数的给定值，H1是被控的主参数，H2是副参数，f1是作用在主对象上的扰动，f2是作用在副对象上的扰动。2.2 控制系统的控制要求2.2.1双回路串级控制目的在试验中有主副两个控制回路，主，副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值Hs，它的 U1作为副调节器的给定值，副调节器的输出u控制执行器，以改变主参数H1。被控对象是两级串联水箱，被控
11、量是水箱的液位Hs，调节参数是流入水箱量Q，水箱液位由液位变送器检测得到也未反馈信号Hf，它和液位设定信号Hs进行比较，得到偏差信号e1，进行PID计算，输出变化控制信号，控制电子阀门的阀位，改变进水量，是被调参数保持在在设定值。2.2.2 试验中具体要求(1) 掌握PID控制算法及P、I、D参数的含义及功能；(2) 用工程的方法（看曲线，调参数）整定调节器控制规律及PID参数，并观察PID参数对系统动态、静态性能的影响。(3) 测取液位串级过程控制系统的动态、静态特性；具体要求：超调量20%，调节时间Ts100s，余差5%2.2.3主回路PID参数整定由于主回路是一个恒值系统，我们要求其超调
12、量，调整时间，稳态误差等参数都要求较高，用临界扩充响应曲线法并结合PID试凑法最终整定的参数是P=100，I=18，D=02.2.4副回路PI参数整定由于主回路是一个随动系统，我们主要要求其跟随速度快，减小副回路的滞后时间，超调量，稳态误差要求相对要低一些，用临界扩充响应曲线法并结合PID试凑法最终整定的参数是P=100，I=18，D=02.2.5主副回路联调在联调是，我们要求根据主回路修改目标值SV,系统都具有很好的响应速度快，超调小等动态特性和稳态误差小静态特性，而且调节时间尽可能小。 2.3 系统的实验调试2.3.1实验仪表装置简介 C:控制器（调节器）。该调器配有三个单回路调节器C1
13、C2和C3，控制输出信号为420mA，每个调节器设有三对插座孔。其中：PV孔为测量值输入，SV孔为外设定输入或反馈信号输入，O为调解器输出。R:记录仪为无纸3通道记录仪，输出信号420mA，其中R1孔为1号通道，R2孔2号通道，R3孔为3通道。HT：液位变送器。变送输出为420mA。VL：电子式电动调节阀为电子小流量调节阀，电动调节阀输入420mA电流信号，对应阀门输出开度0100%V12和A12：两路电压/电流转换器。2.3.2具体调试过程 (1)按设计好的线路图接线，确定无误后方可合上电源。 (2)按照课本要求设置PID智能控制调节器控制参数（包括二级参数）。 (3)先设定主、副调节器的控
14、制规律、PID参数。智能调节器1主给定量SV设为100，智能调节器2设定为外给定。打开手动阀1，回水阀1打开50%，启动水泵1并运行系统。在上位监控系统观察液位串级过程控制系统的输出特性。该系统为复杂系统，用工程的方法反复调整PID参数，直到系统动态、静态特性满足要求为止。(4)记录各个参数2.4实验中遇到的问题 本次实验是要我们在一天的时间内完成单回路串级控制和双回路串级控制两个实验，其中单回路看起来似乎比较简单，因为单回路实验的线路比较简单，操作也比较容易，而且有时候就算你的PID参数调的不是十分准确，但实验的效果还是比较好不过这却给我双回路串级控制带来了很大的麻烦，因为双回路串级回路是以
15、单回路串级回路为基础，把单回路串级回路作为主回路，在这基础上再加一个副回路构成双回路，这就相当于主回路起到一个粗调的作用，一旦单回路的PID调节的不是很好，无论你副回路怎么调也调不好，这也是这个实验要解决的主要问题，可以说我们大部分时间都是花在这上面了。 虽然说本次实验要我们调节PID参数，其实由于液位控制实验本来超调量就比较小，而且稳定性也还足以达到设计要求了，所以我就直接把D设为0，而事实也证明我的这个选择是完全正确的。所以我们只需要调节P和I就行了，开始我把P调的比较大调了200，但是由于Kp=1/P,所以发现PID控制曲线变化的十分缓慢，所以我就只好慢慢挑小P，可能是由于我这个人比较保守吧（这是吴老师说的），直到老师来检查时，吴老师还说虽然我们的实验达到了要求但是如果P再小一点可能会更好，因为我的调节时间只能刚刚好符合要求，并不是很完美。第三章 锅炉液位控制系统工艺流程及控制要求3.1 控制系统工艺流程目前我国的燃烧锅炉的数量众多,我国现有中、小型锅炉30多万台,每年耗媒量占我国原煤产量的四分之一,目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。锅炉微机控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物,工业锅炉采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有着明显优
