過程控制課程設(shè)計論文

1、重慶大學(xué)城市科技學(xué)院課 程 設(shè) 計 報 告課程名稱：過程控制系統(tǒng)及其應(yīng)用 設(shè)計題目：單容敞口槽液位控制系統(tǒng)設(shè)計 院 系：電氣信息學(xué)院 班 級：電氣(1)班 姓 名：趙凱 學(xué) 號：20080099 指導(dǎo)教師：李運樹 設(shè)計時間：2011年12月 自動化儀表與過程控制課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計題目單容敞口槽液位控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究學(xué)院電氣學(xué)院專業(yè)電氣工程年級2008級已知參數(shù)和設(shè)計要求：某生產(chǎn)過程中有一圓柱形敞口儲液槽，截面直徑為10m，高為10m，生產(chǎn)運行過程中額定出口流量為80m3/min。由恒壓母管供給液料，采用調(diào)節(jié)閥控制供給液料的流量。設(shè)計液位控制系統(tǒng)，要求如下：1、 液位穩(wěn)定在儲液槽高的90

2、%數(shù)值上；2、 在出口流量變化幅度為額定值的20%時，液位波動不超過穩(wěn)定值的5%；3、生產(chǎn)過程中液料不能溢出，液位不能低于儲液槽高的20%。學(xué)生應(yīng)完成的工作：1、 查閱相關(guān)文獻資料，對工藝過程進行詳細描述，畫出控制工藝流程圖，建立控制對象的數(shù)學(xué)模型；2、 通過分析比較，選擇設(shè)計控制系統(tǒng)方案，確定被控制量和控制量，對系統(tǒng)擾動進行分析，提出解決辦法，畫出控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；3、 選擇變送器，調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥等檢測控制儀表的型號，編寫控制設(shè)備清單；4、 根據(jù)對象特性和控制要求設(shè)計控制算法；5、 對控制系統(tǒng)進行仿真研究，驗證設(shè)計的正確性，通過仿真對設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整，以滿足指標要求6、 對設(shè)計過程進行總結(jié)，

3、寫出詳細的設(shè)計說明書。目前資料收集情況（含指定參考資料）：1、過程控制系統(tǒng)設(shè)計資料2、過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計 黃正慧等3、過程控制工程手冊 周春輝等4、自動化儀表手冊 自動化儀表手冊編寫組5、石油化工自動控制設(shè)計手冊 石油化工自動控制設(shè)計手冊編寫組課程設(shè)計的工作計劃：1、下達任務(wù)，安排分組 0.5天2、查閱資料，熟悉過程控制系統(tǒng)設(shè)計過程 3天3、熟悉控制對象工藝要求，建立動態(tài)模型 1天4、控制系統(tǒng)方案選型論證，繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3天5、過程控制儀表選型，列出設(shè)備表 2天6、設(shè)計控制系統(tǒng)控制參數(shù) 2天7、控制系統(tǒng)仿真研究，對控制參數(shù)進行修正 2天8、編寫設(shè)計說明書 1.5天任務(wù)下達日期 年 月 日完

4、成日期 2011 年 12 月 18 日指導(dǎo)教師 （簽名）學(xué) 生 趙 凱 （簽名） 目 錄第一章 過程控制儀表課程設(shè)計的簡述和目的31.1 過程控制的簡述31.2 課程設(shè)計的目的3第二章 單容水箱液位控制系統(tǒng)建模42.1 液位控制的實現(xiàn)42.2 被控對象42.3 水箱建模4第三章 相關(guān)參數(shù)要求和檢測儀表型號的選擇83.1 參數(shù)要求83.2 儀表型號的選擇9第四章 液位控制系統(tǒng)中PID算法控制104.1 PID原理10第五章 總體設(shè)計方案115.1 設(shè)計思想及說明125.2 總體設(shè)計流程圖12第六章 軟件設(shè)計136.1 軟件設(shè)計流程圖及其說明14第七章 總結(jié)和體會15第八章 參考文獻16 第一節(jié)

5、過程控制儀表課程設(shè)計的簡述和目的1.1過程控制的簡述過程控制是自動技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，它是指對液位、溫度、流量等過程變量進行控制，在冶金、機械、化工、電力等方面得到了廣泛應(yīng)用。尤其是液位控制技術(shù)在現(xiàn)實生活、生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，比如民用水塔的供水，如果水位太低，則會影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進水，如果排水或進水控制得當與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位的控制，如果鍋爐內(nèi)液位過低，會使鍋爐過熱，可能發(fā)生事故；精流塔液位控制，控制精度與工藝的高低會影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，基本上都是勞動強度大或者操作有一定危險性的工作性質(zhì)，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的的

6、損失?？梢姡趯嶋H生產(chǎn)中，液位控制的準確程度和控制效果直接影響到工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全條件、方便操作，就必須研究開發(fā)先進的液位控制方法和策略。在本設(shè)計中以液位控制系統(tǒng)的水箱作為研究對象，水箱的液位為被控制量，選擇了出水閥門作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。針對過程控制試驗臺中液位控制系統(tǒng)裝置的特點，建立了基于Visual Basic語言的PID液位控制模擬界面和算法程序。雖然PID控制是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制算法。但是，要想取得良好的控制效果，必須合理的整定PID的控制參數(shù)，使之具有合理的數(shù)值1.2課程設(shè)計目的本課程設(shè)計是為過程控制儀表課程而開設(shè)的綜合實

7、踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對現(xiàn)代檢測技術(shù)、自動控制理論、過程控制儀表、計算機控制技術(shù)等前期課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的綜合應(yīng)用。其目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合運用理論知識來分析和解決實際問題的能力，使學(xué)生通過自己動手對一個工業(yè)過程控制對象進行儀表設(shè)計與選型，促進學(xué)生對儀表及其理論與設(shè)計的進一步認識。課程設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計工業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)常遇到的液位控制系統(tǒng)，使學(xué)生將理論與實踐有機地結(jié)合起來，有效的鞏固與提高理論教學(xué)效果。通過課程設(shè)計，可以使我們針對典型的工業(yè)控制對象，實現(xiàn)水箱液位的串級控制。從而使我們了解水箱液位串級控制系統(tǒng)組成原理，加深對串級控制這一復(fù)雜控制方法的理解，初步掌握工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法，掌握水箱液位串級控

8、制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運方法，掌握液位串級控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現(xiàn)過程。第二節(jié)單容水箱液位控制系統(tǒng)建模2.1液位控制的實現(xiàn)除模擬PID調(diào)節(jié)器外，可以采用計算機PID算法控制。首先由差壓傳感器檢測出水箱水位；水位實際值通過單片機進行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號后，被輸入計算機中；最后，在計算機中，根據(jù)水位給定值與實際輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到單片機中，由單片機將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。最后，由單片機的輸出模擬信號控制交流變頻器，進而控制電機轉(zhuǎn)速，從而形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)水位的計算機自動控制。2.2被控對象本設(shè)計探討的是單容水箱的液位控制問題。為了能更好的選

9、取控制方法和參數(shù)，有必要知道被控對象上水箱的結(jié)構(gòu)和特性。由圖2-1所示可以知道，單容水箱的流量特性：水箱的出水量與水壓有關(guān)，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當水箱水位升高時，其出水量也在不斷增大。所以，若閥開度適當，在不溢出的情況下，當水箱的進水量恒定不變時，水位的上升速度將逐漸變慢，最終達到平衡。由此可見，單容水箱系統(tǒng)是一個自衡系統(tǒng)。 圖2-1 單容水箱結(jié)構(gòu)圖 2.3水箱建模這里研究的被控對象只有一個，那就是單容水箱（圖2-1）。要對該對象進行較好的計算機控制，有必要建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。正如前面提到的，單容水箱是一個自衡系統(tǒng)。根據(jù)它的這一特性，我們可以用階躍響應(yīng)測試法進行建模。如圖2

10、-1，設(shè)水箱的進水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。若Q1作為被控對象的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控對象的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1 之間的數(shù)學(xué)表達式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有 （2-1）將式（2-1）表示為增量形式 （2-2）式中，、分別為偏離某一平衡狀態(tài)、的增量； C水箱底面積。 在靜態(tài)時，=；=0；當發(fā)生變化時，液位h隨之變化，閥處的靜壓也隨之變化，也必然發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線性關(guān)系。但為簡化起見，經(jīng)線性化處理，則可近似認為與成正比，而與閥的阻力成反比，即 或 （2-3）式中，為閥的阻力，稱為液阻。將式（2-

11、3）代入式（2-2）可得 （2-4）在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得： （2-5）式中，T=R2C為水箱的時間常數(shù)（注意：閥V2的開度大小會影響到水箱的時間常數(shù)），K=R2為過程的放大倍數(shù)。令輸入流量=，為常量，則輸出液位的高度為： (2-6)即 （2-7）當t時， 因而有 （2-8） 當t=T時，則有 （2-9）式（2-7）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2所示。由式（2-9）可知該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。該時間常數(shù)T也可以通過坐標原點對響應(yīng)曲線作切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值的交點所對應(yīng)的時間就是時間常數(shù)T。 圖2-2 階躍響應(yīng)曲

12、線由=1m3/cm,=1m/m3,K=R0,T=R0C,C=(D/2)=X25=78.5故根據(jù)式（2-5）可以得出 G(S)=通過matlab仿真得到階躍響應(yīng)的仿真圖如下：通過matlab仿真得到根軌跡圖、伯德圖的仿真圖如下：第三章相關(guān)參數(shù)要求和檢測控制儀表型號的選擇3.1參數(shù)要求根據(jù)老師的要求，我們小組的數(shù)據(jù)如下：圓柱形敞口儲液槽的截面直徑為13m，高為28m，生產(chǎn)過程中額定出口流量為36m3/min。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有 （2-1）將式（2-1）表示為增量形式 （2-2）式中，、分別為偏離某一平衡狀態(tài)、的增量； C水箱底面積。 或 （2-3）式中，為閥的阻力，稱為液阻。3.2儀表型號的選

13、擇通過相關(guān)書籍和上網(wǎng)查詢資料，我們選擇檢測控制儀表的型號，如下圖所示： 儀表名稱儀表型號變送器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥 YSZC-5 STB-4201 T40H 圖3-1儀表型號表第四章液位控制系統(tǒng)中PID算法控制數(shù)字PID控制是在實驗研究和生產(chǎn)過程中采用最普遍的一種控制方法，在液位控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。本章主要介紹PID控制的基本原理，液位控制系統(tǒng)中用到的數(shù)字PID控制算法及其具體應(yīng)用。4.1 PID控制原理 一般，在控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。積分比例微分被控對象 + + +u(t)e(t

14、)r(t) +-c(t)圖4-1 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖 PID控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差 (3-1) 將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。它的控制規(guī)律為 (3-2)寫成傳遞函數(shù)形式為 (3-3)式中 比例系數(shù)； 積分時間常數(shù)； 微分時間常數(shù)；從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1、比例環(huán)節(jié) 用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)

15、定。取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。2、積分環(huán)節(jié) 主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過小，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。3、微分環(huán)節(jié) 能改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預(yù)報。但過大，會使響應(yīng)過程提前制動，從而延長調(diào)節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。第五章總體設(shè)計方案5.1設(shè)計思想及說明由工藝流程的分析，其系統(tǒng)方框圖如圖4.1。圖5-1 單容水箱方框圖系統(tǒng)運行原理說明：運

16、行的過程中，水箱的進水量為Q1，通過差送變送器的檢測將此時的液位高度給定值進行比較，得到的誤差再通過調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥的控制，對被控制的對象的水箱進行調(diào)節(jié)。最后將液位的高度輸出，即出水量Q2。系統(tǒng)就此循環(huán)的進行。5.2總體設(shè)計流程圖總體的設(shè)計思想包括了軟件和硬件的設(shè)計思想。圖4.2用一個整體的流程圖，包括所有的設(shè)計要求。單片機循環(huán)下水閥反應(yīng)槽地下放空槽A/D傳感器變送器傳感器變送器D/A伺服放大器鍵盤報警顯示圖5-2總體設(shè)計方案圖由圖可以看出，完整的系統(tǒng)不僅包括控制過程的實現(xiàn)，還要將系統(tǒng)的可擴展性、人性化設(shè)計考慮進去。整體的設(shè)計流程圖如下：明確設(shè)計任務(wù)提煉設(shè)計思想需求分析（功能實現(xiàn)、機型選擇、硬件

17、功能）硬件原理圖設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計開始選擇元器件、制作硬件電路選擇元器件、制作硬件電路組成樣機并測試編寫程序、編譯、部分調(diào)試在線仿真調(diào)試排除故障、調(diào)整硬件、修改軟件固化程序、樣機獨立運行樣機測試設(shè)計結(jié)束圖5-3總體設(shè)計流程圖 第六章軟件設(shè)計6.1軟件設(shè)計流程圖及其說明對于系統(tǒng)的主要執(zhí)行程序，包括了A/D采樣、PID運算、結(jié)果輸出和D/A轉(zhuǎn)換。整個程序設(shè)計流程圖如圖6.1所示。開始初始化鍵盤掃描檢測液位并顯示對主回路進行PID運算對副回路進行P運算讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果運算結(jié)果輸出D/A結(jié)束？結(jié)束YN圖6-1程序設(shè)計流程圖圖中對主回路的PID運算是將給定值減去主回路通過液位變送器1反饋得到的參數(shù)得

18、到控制器輸入量，經(jīng)過運算輸出后，送至副回路的給定值，減去副回路通過液位變送器2反饋得到的參數(shù)作為副回路P運算的給定值。副回路的輸出量送至D/A進行驅(qū)動。這里，對于主回路的PID參數(shù)選擇需要通過調(diào)試來實現(xiàn)，使得在參數(shù)在較大的變動范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)控制。通常，這里的PID 運算要引入積分分離及輸出限幅。對于鍵盤的掃描首先判斷是否有鍵按下。如果有則看是否因顫動而造成的錯誤輸入。編程應(yīng)用了延時再掃描的方法來解決這一問題。如果有鍵按下則查看是哪一個鍵按下的。并根據(jù)不同的鍵號輸入不同的數(shù)據(jù)，并釋放按鍵，最后，返回主程序。鍵盤掃描流程圖如圖6.2所示。按列掃描求鍵盤值開始是否有鍵按下再次列掃鍵盤描求鍵值掃描后序列是否有鍵按下兩次鍵值是否相等？是否有鍵按下#0FFH-A結(jié)束NNNYYYNY圖6-2 掃描流程圖 第七章 總結(jié)和體會本次課程設(shè)計是本人目前為止最有意義的也是收獲最