自來水消毒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2 過程控制系統(tǒng)與裝置 課程設(shè)計(jì)（論文）

1、 過程控制系統(tǒng)與裝置 課程設(shè)計(jì)（論文）題目：自來水消毒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 課程設(shè)計(jì)（論 文）題 目自來水消毒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)自來水廠將自來水供給用戶之前，必須進(jìn)行消毒處理，氯氣是常用的消毒劑。氯氣具有很強(qiáng)的殺菌能力，但如果用量太少，則達(dá)不到滅菌的作用，而用量太多，則會(huì)對(duì)人們飲用帶來副作用。為了使氯氣注入到自來水中的量合適，必須使氯氣注入量自來水量成一定的比值關(guān)系，試設(shè)計(jì)自來水消毒系統(tǒng)。消毒時(shí)氯濃度介于0.3mgl和0.5mgl之間，消毒后剩余氯濃度應(yīng)介于0.05mgl和0.5mgl之間。1.

2、精度要求:測(cè)量范圍：水流量01000t/h，液態(tài)氯流量同水流量成比例；控制精度：0.1級(jí)；2.說明書要求:確定控制方案并繪制原理結(jié)構(gòu)圖、方框圖；選擇傳感器、變送器、控制器、執(zhí)行器，給出具體型號(hào)；確定控制器的控制規(guī)律以及控制器正反作用方式；若設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)給出系統(tǒng)硬件電氣連接圖及程序流程圖；編寫設(shè)計(jì)說明書。指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī)平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯：成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日目錄第1章 概述1第2章 自來水消毒系統(tǒng)的方案論證1第3章 控制設(shè)備選型53.1 流量變送器的選擇53.2 主、副控制調(diào)節(jié)器的選型63.3 執(zhí)行器的選擇6第4章 系統(tǒng)性能分析74.1參數(shù)整定74.2

3、.控制算法的確定9第5章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)11參考文獻(xiàn)1112第1章 概述許多位于第三世界國(guó)家的地區(qū)，由于沒有清潔的飲用水，使得民眾的健康飽受威脅，而和飲用水有關(guān)的常見疾病，則包括傷寒、痢疾、霍亂等。十九世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)的 凈水技術(shù)并不如今天進(jìn)步，像是美國(guó)也曾有許多人因感染傷寒而死亡，在1900年高峰期時(shí)，每十萬人中的死亡人數(shù)曾高達(dá)25人。至1908年，美國(guó)開始使用氯來消毒自來水，才得以供應(yīng)衛(wèi)生、安全的自來水，而在自來水中以加氯的方式來消毒，也逐漸為各國(guó)采用。從此自來水的衛(wèi)生得以確保，使全球數(shù)以億計(jì)人口的健康得到保障。自從在自來水中加氯的消毒方式成為衛(wèi)生安全課題，科學(xué)家便不斷進(jìn)行研究。雖然加氯消毒有許

4、多好處，但科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)不少的問題和不完善的地方。首先水中的余氯會(huì)影響水的口感和氣味，特殊刺激的氣味使得水的品質(zhì)大打折扣。但若是水中的余氯不足，也不能保證自來水的衛(wèi)生。第2章 自來水消毒系統(tǒng)的方案論證方案一 開環(huán)比值控制系統(tǒng)開環(huán)比值控制系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的比值控制方案，圖2.1是其原理圖。圖中q1是主流量水的流量。q2是副流量氯氣的流量。當(dāng)q1變化時(shí)，通過流量變送器ft檢測(cè)主物料流量q1；由于控制器fc及安裝在從物料管道上的執(zhí)行期來控制副流量q2，使其滿足q2=kq1的要求。改系統(tǒng)副流量無抗干擾能力，當(dāng)副流量管線壓力等改變時(shí)，就不能保證所要求的比值。所以這種開環(huán)比值控制系統(tǒng)只適用于副流量管線壓力比較穩(wěn)

5、定、對(duì)比值精度要求不高的場(chǎng)合，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少。q1 ft fcq2圖2.1開環(huán)比值控制系統(tǒng)方案二 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制是為了克服開環(huán)比值控制方案的不足，在開環(huán)比值的基礎(chǔ)上，通過增加一個(gè)副流量閉環(huán)控制系統(tǒng)而組成的，如圖2.2。系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，主、副流量滿足比值要求，即q2=kq1。當(dāng)主流量q1變化時(shí)，副流量閉環(huán)系統(tǒng)為一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，使q2跟隨q1變化，流量比值k保持不變。當(dāng)主流量q1沒有變化而副流量q2由于自身干擾發(fā)生變化時(shí)，副流量壁畫系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)定制控制系統(tǒng)，通過控制回路克服干擾，時(shí)工藝要求的流量比值k仍保持不變。當(dāng)主、副流量同時(shí)受到擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器t2c在克服副流量擾

6、動(dòng)的同時(shí)，有根據(jù)新的設(shè)計(jì)定制改變調(diào)節(jié)閥的開度，使主、副流量的新流量數(shù)值仍保持其原設(shè)定的比值關(guān)系 f1t f1c f2c f2tq1q2圖2.2 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)管道調(diào)合是將各個(gè)組分和添加劑按比例同時(shí)送入總管道和管道調(diào)合器進(jìn)行均勻調(diào)合的方法。管道調(diào)合系統(tǒng)由輸油管線、油品性質(zhì)在線分析儀、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、調(diào)節(jié)閥、常規(guī)測(cè)量?jī)x表、靜態(tài)混合器等硬件部分及調(diào)合優(yōu)化控制軟件組成。典型的管道調(diào)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。q2(s)gm1(s)gc1(s)+-gc2(s)gv2(s)go2(s)gm2(s)q1(s)圖2.3 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)框圖 通過比較，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是他不但能實(shí)現(xiàn)副流量跟隨主

7、流量控制，而且可以克服副流量本省干擾對(duì)比值的影響，主.副流量的比值比較精確。這種方案的結(jié)構(gòu)形式較簡(jiǎn)單，通過比較，選用單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。方案三 雙閉環(huán)比值控制的系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主流量不受控制，產(chǎn)生負(fù)荷（與總物料量有關(guān)）在較大范圍內(nèi)波動(dòng)的不足而設(shè)計(jì)的。它是在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了主流量控制回路，當(dāng)主流量q1變化時(shí)，一方面通過主流量調(diào)節(jié)器f1c進(jìn)行控制，另一方面通過比值控制器k乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)作為副流量控制器的設(shè)定值進(jìn)行控制。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)主流量q1的定制控制，增強(qiáng)了主流量抗干擾能力，使主流量變得比較平穩(wěn)。這樣也確保了兩物料總流量保持不變。

8、f1c f1t q1 k f2c f2tq2 圖2.3 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)構(gòu)成 x1(s)+-gc1(s)gv1(s)go1(s)gm2(s)gc2(s)gv2(s)go2(s)gm2(s) kq1 q2 圖2.4 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)框圖生產(chǎn)過程對(duì)過程控制系統(tǒng)的要求是多種多樣的，可簡(jiǎn)要?dú)w納為安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面。安全性是指在整個(gè)生產(chǎn)過程中，過程控制系統(tǒng)能夠確保人員與設(shè)備的安全（并兼顧環(huán)境衛(wèi)生、生態(tài)平衡等社會(huì)安全性要求），是對(duì)過程控制系統(tǒng)最重要、最基本的要求。通常采用參數(shù)越限報(bào)警、事故報(bào)警、聯(lián)鎖保護(hù)等措施加以保證。穩(wěn)定性是過程控制系統(tǒng)保證生產(chǎn)過程正常工作的必要條件。穩(wěn)定性是指在存在一定

9、擾動(dòng)的情況下，過程控制系統(tǒng)將工藝參數(shù)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，維持設(shè)備和系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，使生產(chǎn)過程平穩(wěn)、持續(xù)地進(jìn)行，同時(shí)要求系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。經(jīng)濟(jì)性是指過程控制系統(tǒng)在提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的同時(shí)，節(jié)省原材料，降低能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。采用有效的控制手段對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化控制是滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求不斷提高的重要途徑。經(jīng)過全面考慮，選擇方案二做為本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。q1為自來水q2 為氯水。第3章 控制設(shè)備選型3.1 流量變送器的選擇經(jīng)過對(duì)本系統(tǒng)的分析及主要性能指標(biāo)，選用插入式渦輪流量計(jì)，型號(hào)為插入式。插入式渦輪流量計(jì)的特點(diǎn)：壓力損失小，葉輪具有防腐功能，采用先進(jìn)的超低功耗單片微機(jī)

10、技術(shù)，整機(jī)功能強(qiáng)、功耗低、性能優(yōu)越。具有非線性精度補(bǔ)償功能的智能流量顯示器。修正公式精度優(yōu)于0.02% 儀表系數(shù)可由按鍵在線設(shè)置，并可顯示在屏上，屏直觀清晰，可靠性強(qiáng)。采用對(duì)累積流量、儀表系數(shù)掉電保護(hù)，保護(hù)時(shí)間大于10年。采用高性能mcu中央處理器，完成數(shù)據(jù)采集處理顯示輸出、累積流量瞬時(shí)流量同屏顯示方便的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)， 以標(biāo)準(zhǔn)485形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采用全硬質(zhì)合金（碳化鎢）屏蔽式懸臂梁結(jié)構(gòu)軸承，集轉(zhuǎn)動(dòng)軸承與壓力軸承于一體，大大提高了軸承壽命，并可在有少量泥沙與污物的介質(zhì)中工作。采用全不銹鋼結(jié)構(gòu)，（渦輪采用）防腐性能好。容易維修，有自整流的結(jié)構(gòu)，小型輕巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可在短時(shí)間內(nèi)將其組合拆開，內(nèi)部

11、清洗簡(jiǎn)單。有較強(qiáng)抗磁干擾和振動(dòng)能力、性能可靠、壽命長(zhǎng)。下限流速低,測(cè)量范圍寬，現(xiàn)場(chǎng)顯示型液晶屏顯示清晰直觀，功耗低，3v鋰電池供電可連續(xù)運(yùn)行5年以上，耐腐蝕，適用于酸堿溶液。3.2 主、副控制調(diào)節(jié)器的選型在比值控制系統(tǒng)中，主、副控制器所起的作用是不同的。主控制器的作用是準(zhǔn)確保證被控量符合生產(chǎn)要求。凡是需要采用比值調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，工藝上對(duì)控制品質(zhì)的要求是很高的，不允許被調(diào)量存在偏差，因此，主控制器都必須具有積分作用，一般都采用pi控制器，故主控制器采用pi控制器。由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)主控制器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無特殊的要求，對(duì)于他們的選型即

12、調(diào)節(jié)動(dòng)作規(guī)律的選擇可有不同的考慮，副控制器的任務(wù)是快動(dòng)作以迅速抵消在副環(huán)內(nèi)的二次擾動(dòng)，而且副參數(shù)則并不要求無差，所以一般都選p控制器，因而副控制器采用p控制器3.3 執(zhí)行器的選擇最常用的執(zhí)行器是控制閥，也稱調(diào)節(jié)閥。執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分解為兩部分：將控制器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制閥的推力或力矩的部件稱為力或力矩轉(zhuǎn)換部件；將推力或力矩轉(zhuǎn)換為直線或角位移的部件稱為轉(zhuǎn)換部件。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為流通面積的變化，改變操縱變量的數(shù)值。根據(jù)所使用的能源，執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三類。它們各有特點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)合。氣動(dòng)執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是統(tǒng)一的整體，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)有薄膜式

13、和活塞式兩類?；钊叫谐涕L(zhǎng)，適用于要求有較大推力的場(chǎng)合；而薄膜式行程較小，只能直接帶動(dòng)閥桿。由于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出推力大，動(dòng)作平穩(wěn)可靠，并且安全防爆等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)電廠、化工，煉油等對(duì)安全要求較高的生產(chǎn)過程中有廣泛的應(yīng)用。液動(dòng)執(zhí)行器的推力很大，現(xiàn)在一般都是機(jī)電一體化的，但比較笨重，所以現(xiàn)在很少有人使用。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)防爆性能較差，電機(jī)動(dòng)作不夠迅速，且在行程受阻或閥桿被札住時(shí)電機(jī)容易受損。盡管電動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)幾年來不斷擴(kuò)大且有擴(kuò)大應(yīng)用的趨勢(shì)，但不如氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在應(yīng)用上普遍。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出推力大，動(dòng)作平穩(wěn)可靠，并且安全防爆的優(yōu)點(diǎn)，所以在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇類型主要考

14、慮的因素性是：（1）可靠性（2）經(jīng)濟(jì)性（3）動(dòng)作平穩(wěn)，足夠的輸出力（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。氣開控制閥和氣關(guān)控制閥中的“氣”是指輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)。氣開控制閥指當(dāng)輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)增加時(shí)，流過控制閥的流量增加；反之，氣關(guān)控制閥指當(dāng)輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)增加時(shí)，流過控制閥的流量減小。因此，故障時(shí)，氣開控制閥處于全關(guān)狀態(tài)，氣關(guān)控制閥處于全開狀態(tài)。 考慮到氯氣具有很強(qiáng)的殺菌能力，但如果用量太少，則達(dá)不到滅菌的作用，而用量太多，則會(huì)對(duì)人們飲用帶來副作用。所以選用氣開閥。第4章 系統(tǒng)性能分析4.1參數(shù)整定在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器常用的整定方法有逐步逼近法、一步法和兩步法。（1）逐步逼近法逐步逼

15、近法是先副后主，逐步逼近。該方法較繁瑣。具體步驟為： 先斷開主回路，整定副調(diào)節(jié)器。 后閉合主回路，整定主調(diào)節(jié)器。 重新調(diào)整副調(diào)節(jié)器參數(shù)，。 若未達(dá)到控制要求，再調(diào)整主調(diào)節(jié)器參數(shù)。 以上步驟循環(huán)進(jìn)行，直到滿足（逼近）控制指標(biāo)為止。對(duì)于不同的控制系統(tǒng)和不同的控制指標(biāo)的要求，逐步逼近法逼近的循環(huán)次數(shù)是不同的，所以往往費(fèi)時(shí)較多。（2）一步整定法由于兩步整定法要尋求兩個(gè)4：1的衰減過程，這是一件很花時(shí)間的事。因而對(duì)兩步整定法做了簡(jiǎn)化，提出了一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。（3）兩步整定法兩步

16、整定法就是第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器 參數(shù)。在換熱過程中，換熱器溫度與蒸氣流量組成串級(jí)控制系統(tǒng)。溫度為主參數(shù)，工藝要求較高，溫度最大偏差不能超過，冷物料流量為副參數(shù)，允許在一定范圍內(nèi)變化，要求不高。系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)采用兩步整定法，過程如下。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主調(diào)節(jié)器選用控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器選用控制規(guī)律。在系統(tǒng)穩(wěn)定允許條件下，主、副調(diào)節(jié)器均置于純比例作用，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100，用4：1衰減曲線法整定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，得=32，=15s。兩步整定法的調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4-1所示 表4-1 兩步整定法的調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)參數(shù)比例度/%積分時(shí)間 微分時(shí)間1.2 0.5 0.

17、8 0.3 0.1 將副調(diào)節(jié)器的比例度置于32上，用相同的方法整定，將主調(diào)節(jié)器的比例度由大到小逐漸調(diào)節(jié)，取得主控制器的=50，=7min。 根據(jù)上述求得的各參數(shù)，運(yùn)用4：1衰減曲線法整定計(jì)算公式（見上表3-1），計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為：主調(diào)節(jié)器（溫度調(diào)節(jié)器）：比例度=0.8=40,積分時(shí)間=0.3=2.1min副調(diào)節(jié)器（流量調(diào)節(jié)器）：比例度= =40 把上述計(jì)算的參數(shù)分別設(shè)置在主、副調(diào)節(jié)器上，使串級(jí)控制系統(tǒng)在該參數(shù)下運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行，換熱器溫度穩(wěn)定，完全滿足生產(chǎn)工藝的要求。4.2.控制算法的確定當(dāng)采用數(shù)字計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)，例如采用進(jìn)行直接數(shù)字控制時(shí)，對(duì)各種數(shù)據(jù)的處理在時(shí)間上是離散的。數(shù)字

18、控制方式的特點(diǎn)是采樣控制，設(shè)采樣周期為則每經(jīng)過一個(gè)采樣周期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采樣、控制運(yùn)算和數(shù)據(jù)輸出。數(shù)字控制算法分為位置算法、增量算法和速度算法三種。本系統(tǒng)采用增量算法。 （41）其中公式4-1中為積分環(huán)節(jié)系數(shù)，為微分環(huán)節(jié)系數(shù)。， 為比例系數(shù); 為采樣周期; 為積分時(shí)間常數(shù); 為微分時(shí)間常數(shù)。數(shù)字增量算法程序框圖如圖4.1所示。回路處于自動(dòng)調(diào)內(nèi)存 取形成采樣指令，采樣計(jì)算增量輸出 形成輸出采樣指令，并輸出送內(nèi)存ny圖4.1數(shù)字pid增量算法程序框圖pid調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用：（1）比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。（3）微分