过程控制课程设计报告书

《过程控制课程设计报告书》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制课程设计报告书（16页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、-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 院专业班级： 自动化2021级3班小组成员： 叶荣荣1202100509戴忻蓓1202100504* 悦1202100535陈婷婷1202100511指导教师： 徐 辰 华 老 师日 期： 2021 年 7月 4日. z.-摘要日新月异的自动化技术为传统产业的改造、生产水平的提高和产品更新换代注入了强大活力。微电子技术和计算机、通信、网络技术的崛起，给自动化技术假期了腾飞的双翼，成为当代开展最快、影响最大、最引人注目的高技术之一，在百花争艳的信息化舞台上都灵风少。现在，自动化技术不仅渗透于国民经济各行各业，对社会、经

2、济、文化、军事、科技等各个领域都有着深刻的影响，而且正悄然地改变着人们的生产、工作、生活乃至思维方式。在现代工业生产过程中，随着生产规模的不断扩大、生产过程的强化、对产品质量的严格要求以及各公司之间的剧烈竞争，人工操作与控制已远远不能满足现代化生产的要求。过程控制系统以及成为工业生产过程必不可少的装备，为保证现代企业平安、优质、低消耗和高效益生产提供了有效的技术手段。在本次课程设计中，给出液体贮槽的构造图，要求液位贮槽内的液位需维持在*给定值上下，或在*一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。根据过程控制设计原则用最简单的系统实现过程控制。基于此，我们选用了单回路反响控制系统。关键字：自动化技术

3、 过程控制系统 液位控制 单回路Rapid automation technology for traditional industry reformation, the improvement of production and product upgrading injected strong vitality.Microelectronics technology and the rise of puter, munication and network technology to the automation technology vacation fly wings, bee the

4、 fastest growing, most affected, one of the most striking high technology in Turin, flowers bloom information stage of the wind.Now, automation technology not only penetrates into the national economy in all walks of life to society, economy, culture, military, science and technology and other field

5、s have a profound effect, and is quietly changing peoples production, work, life and even the way of thinking.In modern industrial production process, with the e*pansion of the scale of production, the production process, to strengthen the strict requirements of product quality and the fierce petiti

6、on between panies, manual operation and the control has far cannot satisfy the requirement of modern production.Process control system, and bee the indispensable equipment in industrial production process, to ensure the safety of the modern enterprise, high quality, low consumption and high benefit

7、production provides effective technical means.In the curriculum design of liquid storage tank structure, demand level in the storage tank to maintain in a given value of liquid level fluctuation, or change in a small scope, and to ensure that the material does not produce overflow.According to the p

8、rocess control design principle with the simplest system implementation, process control.Based on this, we choose the single loop feedback control system.目录第一章 设计任务书31.1设计目的31.2设计任务及要求31.3工艺工程及要求4第二章 前言5第三章 系统总体方案的选择及说明6第四章 系统构造框图与工作原理84.1 系统构造框图84.2 工作原理84.3 单容过程建模9第五章 各单元软硬件的选择125.1 控制对象125.2 控制器1

9、25.3 调节阀125.4 差压变送器12第六章 控制器的参数整定136.1 经历法136.2 控制器各校正环节的作用13第七章 控制系统仿真与调试147.1 labVIEW实验台仿真147.2 A3000过程控制系统仿真18第八章 分析总结22参考文献23. z.-第一章 设计任务书1.1设计目的过程控制课程设计是一项重要的实践性教学环节。在设计过程中，通过一个工程实际课题的设计练习，学生可以初步实践过程控制系统的设计过程、明确应完成的工作内容和采用的具体设计方法，到达稳固、充实和综合所学知识并解决实际问题的目的。通过课程设计，可以培养学生以下能力：1) 独立工作能力和创造力；2) 查阅图书

10、资料、产品手册和各种工具书的能力；3) 综合运用专业及根底知识，解决实际工程技术问题的能力；4) 编写技术资料的能力。1.2设计任务及要求课程设计应充分运用过程控制技术及相关专业课的知识，针对*生产工艺过程实施自动过程控制方案。因此，既要充分掌握生产工艺过程及控制工程的根本知识，又要熟悉控制及检测仪表的使用方法及型号、规格、价格等信息。设计任务主要包括以下方面：1.了解生产工况：研究过程控制单元的生产工艺及工作环境，在这一阶段还需要收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，针对可能出现的干扰因素分析控制目的及其应到达的控制效果。3.拟定控制方案：按照现场的特点、控制室

11、与现场的相对位置及系统的控制要求，确定合理的控制系统类型，定出各检测点、控制点的实际位置，初步分析控制系统的性能。4.制定控制流程图：根据工艺特点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.选取被控变量和操纵变量：根据控制要求及工艺合理性进展选取，尽量选取容易检测、无容量滞后或滞后小的变量。6.过程装置及仪表的选型：根据工艺提供的数据及仪表选型的原则根据工艺数据和有关计算方法对调节阀进展相应的计算，调研产品的性能、质量和价格，选定检测、变送、显示、控制等各类仪表的规格、型号。另外，对于仪表设备的辅助设备材料仪表设备在安装过程中，还需要选用一些有关的其它设备材料也需根据施工要求，进展数

12、量统计，编制仪表安装材料表等。7.设计总结：对整个设计过程做客观的评价，并阐述控制系统的优、缺点等。1.3工艺工程及要求n 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、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进展，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。n 工艺要求液位贮槽内的液位需维持在*给定值上下，或在*一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。 第二章 系统总体方案的选择及说明单回路反响控制系统简称单回路控制系统，它在所有反响控制系统中，单回路反响控制系统是最根本、构造最简单的一种，因此又称为简单控制系统。单回路控制系统虽然构造简单，却能解决生产过程中的大量控制问题，它是生产过程

13、控制中应用最广泛的一种控制系统，生产过程中70%以上的控制系统就是单回路控制系统。图2.1 液位贮槽控制系统图2.1是一个液位贮槽，一种物料从阀门1中不断流入贮槽中，而贮槽中的物料又通过阀门2流出，送至下一个工序进展加工或者包装。当流入量Q1或流出量Q2波动时会引起贮槽内液位的波动，假设波动严重会造成物料溢出或抽空。要解决这一问题最简单的方法就是以贮槽内液位为操作指标，改变出口阀门Q2的开度以控制液位的波动，具体方法是：当液位上升时，将出口阀门Q2开大，液位上升越大，阀门开度越大；反之，当液位下降时，关小出口阀门Q2，液位下降越多，阀门开度越小。在传统的人工控制中，必须时刻关注贮槽内液位的波动

14、变化，手动开大或关小出口阀门Q2，需要工作人员高度集中，不允许丝毫分心，否则将造成生产过程中的不必要的损失。这种传统的人工控制收到了人的主观影响的限制，因此控制速度和精度都无法满足大型现代化生产的需要。随着自动化技术的开展，为了提高控制精度并减轻劳动强度，采用一系列自动化装置可代替以上人工控制，形成自动控制。图2.2 单回路液位控制系统第三章 系统构造框图与工作原理4.1 系统构造框图贮槽液位单回路控制系统如图3.1控制器电磁阀水槽液位液位测量装置扰动+-图3.1 单回路控制系统框图4.2 工作原理液位贮槽和自动化装置在一起构成了一个自动控制系统。如图3.1，用液位变送器LT检测液位的上下并将

15、其转换为标准的电信号，如420mA直流信号。同时，采用液位控制器LC通过承受液位测量信号，并与其设定值进展比照。控制器根据偏差的正负、大小及变化情况发出标准的控制信号，如420mA直流信号。此外，采用控制阀门实施对出库流量的控制。控制阀根据控制信号的变化，来控制出口阀门的开度以调节出水流量，最终使液位测量值接近或等于给定值。由此，构成一个典型的液位自动控制系统。图3.2 液位自动控制系统4.3 单容过程建模单容水箱模型如图3.2系统的控制质量与组成系统的每个环节的特性都有密切关系，因此，在对过程控制系统进展分析、设计之前，必须先掌握构成系统的各个环节的特性，特别是被控过程的特性，即建立被控过程

16、的数学模型。被控过程的数学模型是描述被控过程在输入控制输入与扰动输入作用下，其状态和输出被控参数变化的数学表达式。建立被控过程数学模型的目的是用于过程控制系统的分析和设计，以及用于新型控制系统的开发和研究。建立控制系统中各组成环节和整个系统的数学模型，不仅是分析和设计控制系统方案的需要，也是过程控制系统投入运行、控制器参数整定的需要，它在操作优化、故障检测和诊断、操作方案的制定等方面也是非常重要的。调节贮槽液位控制系统，其自衡的振荡过程响应曲线如图3.3，该控制过程具有自衡能力，在阶跃作用下，输出响应呈现衰减振荡特性，最后过程会趋于新的稳态值，称为有自衡的振荡过程。图3.3 有自衡的振荡过程如

17、第二章中图2.1贮槽液位对象，其液位流入量为，通过改变控制阀门1的开度，可以改变的大小。液位流出量为可根据用户的需要，控制阀门2的开度改变。液位h代表贮槽中贮存液体的量，h的变化反映了由于液体流入量与流出量不等而引起贮槽中蓄水或出水的过程。先定义各变量的符号：液位对象的输入量：输入流量相对于稳态值的增量：液位对象的输出量：输出流量相对于稳态值的增量h：液位mh：稳态液位mA：贮槽的截面积图2.1 液位贮槽控制系统根据物料平衡的关系，液体流入量与流出量之差应等于贮槽中液体贮存量的变化率，即 (3-1)将式3-1表示为增量形式(3-2)设*一平衡状态下的流入量等于流出量，液位的平衡值为。是控制阀门

18、1的开度变化而引起的。液位的流出量随液位h变化，h越高，出口静压力越大，流出量也就越大。同时，还与控制阀的阻力有关，假设三者变化量之间的关系为(3-3)式中：为阀门2的阻力，称为液阻。液位在流动中总存在着阻力，图2.1中液阻可定义为 (3-4)其物理意义是产生单位流量变化所必须的液位变化量。流体在一般流动情况下，液位h和流量之间的关系是非线性的。因此液阻在不同流量时是不同的。将式3-3代入式3-2可得：或(3-5)将上式改写成一般形式(3-6)或写成拉氏变换式(3-7)式中，T为对象的时间常数，；K为对象的放大系数，液位对象的时间常数T是反响对象在扰动作用下被控参数变化的快慢程度，即表示对象惯

19、性大小的参数。第四章 各单元软硬件的选择5.1 控制对象 控制对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置，本设计中的被控对象为水箱5.2 控制器 控制器又称调节器，是构成控制系统的核心仪表，其作用是将参数测量值和规定的参数值给定值相比较后，得出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作，对过程进展自动控制。根据系统需要我们选择PID控制器，即比例、积分、微分控制。5.3 调节阀.5.4 差压变送器 控制对象差压变送器用于测量液体、气体和蒸汽的液位、密度和压力，然后将其转变成4- 20mA DC的电流信号输出。本设计中差压变送器用于测量水箱液体压力，通过测得液体压力通过变

20、换得知液体的液位，并实时以电流信号输出，并将其反响至输入系统中。以下为所选差压变送器产品参数：产 品：3351差压变送器型 号：BL-C3051差压变送器规 格：20-125品 牌：BL-C3051差压变送器使用对象：液体、气体和蒸汽测量范围：00.1kPa至040MPa输出信号：420mA DC供电电源：24V DC图5.4 BL-C3051差压变送器第五章 控制器的参数整定5.1经历法这是一种经历试凑法，是由工程技术人员在长期生产实践中总结出来的。它不需要事先进展实验和计算，而是根据运行经历，先确定一组控制器参数的经历数据，并将其投入系统运行，通过观察人为地参加干扰后的过渡过程曲线，根据各

21、种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的参数值，进展反复试验，直到获得满意的控制效果即可。经历法主要通过调整比例度的大小来满足品质指标，其途径有两种，选取其中一种如下： 先用单纯的比例作用，寻找适宜的比例度，将人为参加干扰后的过渡过程调整为4:1的衰减振荡过程。然后参加积分作用，一般先取积分时间为衰减振荡周期的一半左右。由于积分作用使振荡加剧，故在参加积分作用之前，要先减弱比例作用，通常将比例度增大10%20%。然后调节积分时间的大小，直到出现4:1的衰减振荡。5.2控制器各校正环节的作用5.2.1 比例环节 成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减

22、小偏差。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差Steady-state error。 P参数越小比例作用越强，动态响应越快，消除误差的能力越强。由于实际系统是有惯性的，比例作用不宜太强，比例作用太强会引起系统振荡不稳定。P参数的大小应在以上定量计算的根底上根据系统响应情况，现场调试决定，通常将P参数由大向小调，以能到达最快响应又无超调(或无大的超调)为最正确参数。 优点:调整系统的开环比例系数，提高系统的稳态精度，减低系统的惰性，加快响应速度。缺点:仅用P控制器,过大的开环比例系数不仅会使系统的超调量增大，而且会使系统稳定裕度变小。5.2.2积分环节 控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

23、主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T,T越大，积分作用越弱，反之则越强。 比例作用的输出与误差的大小成正比，误差越大，输出越大，误差越小，输出越小，误差为零，输出为零。比例作用是有差调节，是有静差的，加强比例作用只能减少静差，不能消除静差(静差：即静态误差，也称稳态误差)。 为了消除静差必须引入积分作用，积分作用可以消除静差，以使被控的y(t)值最后与给定值一致。如果积分作用太强，积分输出变化过快，就会引起积分过头的现象，产生积分超调和振荡。通常I参数也是由大往小调，即积分作用由小往大调，观察系统响应以能到达快速消除误差，到达给定值，又不引起振荡为准。 PI控

24、制器不但保持了积分控制器消除稳态误差的记忆功能，而且抑制了单独使用积分控制消除误差时反响不灵敏的缺点。 优点：消除稳态误差。 缺点：积分控制器的参加会影响系统的稳定性，使系统的稳定裕度减小。5.2.3.微分环节 反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分即误差的变化率成正比关系。微分作用是事前预防控制，即一发现y(t)有变大或变小的趋势，马上就输出一个阻止其变化的控制信号，以防止出现过冲或超调等。D越大，微分作用越强，D越小，微分作用越弱。系统调试时通常把D从小往大

25、调，具体参数由试验决定。优点：使系统的响应速度变快，超调减小，振荡减轻，对动态过程有预测作用。在低频段，主要是PI控制规律起作用，提高系统型别，消除或减少稳态误差；在中高频段主要是PD规律起作用，增大截止频率和相角裕度，提高响应速度。因此，控制器可以全面地提高系统的控制性能。第六章 控制系统仿真与调试7.1 labVIEW实验台仿真7.1.1 实验设备与软件软件：中文Windows2000*p，LabVIEW 8.2.1或以上版本，NI MA*7.4或以上版本。硬件：A3000高级过程控制系统、微型计算机、数据采集卡PCI-6221(68Pin)、连接器CB-68LP、电流-电压转换器。7.1

26、.2 实验工艺流程图图6.1 labVIEW实验流程图本次课程设计在labVIEW试验台上做单回路反响控制系统的仿真，实验流程图如6.1。7.1.3 仿真程序界面7.1.4 仿真结果1纯比例控制P=10P=202参加积分作用P=5, I=0.1P=5, I=0.0157.2 A3000过程控制系统仿真7.2.1 实验设备与软件1、A3000FS现场总线型过程控制现场系统2、A3000CS上位控制系统7.2.2 实验工艺流程图给定值LT103图3-1 单容下水箱液位定值(随动)控制系统实验QohQiLIC101FV101干扰7.2.3 仿真程序界面7.2.4 仿真结果表6.1用临界比例度k整定P

27、ID调节器的参数调节器参数调节器名称Ti(S)Td(S)P2kPI2.2kTk/1.2PID1.6k0.5Tk0.125Tk1) 纯比例环节记录曲线当=5，10，20，60图1 纯比例环节=5,=10图2 纯比例环节=20与=602) 比例积分环节记录曲线当=10时，=20，60图3 比例积分环节=10;=20图4 比例积分环节=10;=603) PID环节记录曲线当=10，=20时，=5，10图5 PID环节=10，=20，=5图6 PID环节=10，=20，=10第七章 分析总结参考文献1 王再英.过程控制系统与仪表M.: 机械工业, 20212 潘立登.过程控制技术原理与应用M.: 中国电力, 20073 苏成利.黄越洋.李书臣.过程控制系统M.: 清华大学, 20214 黄友锐.曲立国.PID控制器参数整定与实现M.: 科学, 20215 施仁. 自动化仪表与过程控制M. :电子工业, 2003.6 王树青. 工业过程控制过程M. :化学工业, 2005.7 黄德先, 王京春, 金以慧. 过程控制系统M. :清华大学, 2021.窗体底端. z.