過(guò)程控制系統(tǒng)

1、控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課題：加熱爐溫度控制系統(tǒng)系別：電氣與電子工程系專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化姓名：學(xué)號(hào)：1214061 （44、 32、11）指導(dǎo)教師河南城建學(xué)院2010年12月29日成績(jī)?cè)u(píng)定一、指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)（根據(jù)學(xué)生設(shè)計(jì)報(bào)告質(zhì)量、答辯情況及其平時(shí)表現(xiàn)綜合評(píng)定）二、評(píng)分（按下表要求評(píng)定）評(píng)分項(xiàng)設(shè)計(jì)報(bào)告評(píng)分答辯評(píng)分平時(shí)表現(xiàn)評(píng)分合計(jì) （10分）任務(wù)完成 情況 （28）課程設(shè)計(jì) 報(bào)告質(zhì)量 （40分）表達(dá)情B （1吩）r回答問(wèn)題 ,情況（18）!工作態(tài)度 紀(jì)律（1吩）3獨(dú)立工作 能力（1吩）得分課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定班級(jí)姓名學(xué)號(hào)一、設(shè)計(jì)目的：成績(jī)： 分（折合等級(jí)）通過(guò)對(duì)一個(gè)使用控油鏤翔臨匕 綜合運(yùn)用科學(xué)理論知識(shí),提高工程

2、播識(shí)和實(shí)展方匚 能，使學(xué)生獲得控制技術(shù)工程的基本訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析解決實(shí)際問(wèn)題 的初步應(yīng)用能力。二、設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，畫(huà)出系統(tǒng)框圖，完成元器件的 選擇和調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。三、總體設(shè)計(jì)：.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想審級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測(cè)變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè) 調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢 測(cè)和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器, 它所檢測(cè)和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。 整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路

3、和副回路。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、 調(diào)節(jié)閥和副過(guò)程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過(guò) 程和主過(guò)程構(gòu)成。.加熱爐控制系統(tǒng)原理加熱爐控制系統(tǒng)以爐內(nèi)溫度為主被控對(duì)象，燃料油流量為副被控對(duì)象的審級(jí)控制系 統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的副回路由燃料油流量控制回路組成，因此，當(dāng)擾動(dòng)來(lái)自燃料油上游側(cè) 的壓力波動(dòng)時(shí)，因擾動(dòng)進(jìn)入副回路，所以，能迅速克服該擾動(dòng)的影響。由于爐內(nèi)溫度的控制不是單一因素所能實(shí)現(xiàn)的，所以，還要對(duì)空氣的流量進(jìn)行控制。 空氣的控制直接影響爐內(nèi)燃燒的狀況，不僅影響爐溫，還直接影響了能源的利用率和環(huán) 境的污染。所以，對(duì)空氣的控制很有必要，其原理和燃料控制相同。圖2燃料用級(jí)

4、控制系統(tǒng)流程.在考慮燃料、空氣流量比例自動(dòng)控制系統(tǒng)考慮到空氣、燃料的比例合理性，基于各方面因素的考慮，該設(shè)計(jì)只針對(duì)燃料、空 氣流量比例自動(dòng)控制系統(tǒng)做以下說(shuō)明。其控制系統(tǒng)流程圖如下圖所示。圖3交叉限制式串級(jí)燃燒自動(dòng)系統(tǒng)交叉限制式串級(jí)燃燒自動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，是利用最大、最小值選擇器，當(dāng)爐溫低于設(shè)定值時(shí)，使系統(tǒng)為空氣先行方式，而爐溫高于設(shè)定值則為燃料 先行方式，他可有效防止黑煙的產(chǎn)生。既節(jié)約能源減少污染，有保證了生產(chǎn) 質(zhì)量。.調(diào)節(jié)規(guī)律的確定和主、副調(diào)節(jié)器的選用(1)調(diào)節(jié)規(guī)律的確定在審級(jí)控制系統(tǒng)中，主，副調(diào)節(jié)器起的作用不同。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào) 節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)

5、點(diǎn)。主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)范圍很小，一般要求無(wú)靜差。又由于溫度的控制有明顯的滯后性，因此，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選 PID調(diào)節(jié)規(guī)律。副被控參數(shù)的設(shè)置是為了克服主要干擾對(duì)主參數(shù)的影響，因而可以允許在一定范圍的變化，并允許有靜差。為此，副調(diào)節(jié)器選擇P調(diào)節(jié)規(guī)律。(2)主、副調(diào)節(jié)器的選用DDZ-III型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結(jié)構(gòu)， 提高了儀表精度、儀表可靠 性和安全性，適應(yīng)了大型化工廠、煉油廠的防爆要求。III型儀表具有以下主要特點(diǎn)：(1)采用國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)推薦的統(tǒng)一信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)為 DC420mA 控制室聯(lián)絡(luò)信號(hào)為DC15V信號(hào)電流與電壓的轉(zhuǎn)換電阻為 250 。(

6、2)廣泛采用集成電路，儀表的電路簡(jiǎn)化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減 少。(3)整套儀表可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)。DDZ-III型儀表室按國(guó)家防爆規(guī)程進(jìn)行 設(shè)計(jì)的，而且增加了安全柵，實(shí)現(xiàn)了控制室與危險(xiǎn)場(chǎng)所之間的能量限制于隔離，使儀表 能在危險(xiǎn)的場(chǎng)所中使用。DDZ-III型PID調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1。主要由輸入電路、給定電路、PID運(yùn)算 電路、手動(dòng)與自動(dòng)切換電路、輸出電路和指示電路組成。調(diào)節(jié)器接收變送器送來(lái)的測(cè)量信號(hào)(DC420mA DC15V,在輸入電路中與給定信號(hào) 進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)，然后在 PD與PI電路中進(jìn)行PID運(yùn)算，最后由輸出電路轉(zhuǎn)換 為420mAe流電流輸出。圖2-4

7、給出了溫度變送器的原理框圖，雖然溫度變送器有多個(gè)品種、規(guī)格，以配合 不同的傳感元件和不同的量程需要，但他們的結(jié)構(gòu)基本相同。本設(shè)計(jì)采用DDZ-III型熱電偶溫度變送器圖4 DDZ-III型調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖.對(duì)主、副電路檢測(cè)變送器的確定(1)溫度檢測(cè)元件熱電偶作為溫度傳感元件，能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)( mV信號(hào)，配以測(cè)量毫伏 的指示儀表或變送器可以實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量指示或溫度信號(hào)的轉(zhuǎn)換。具有穩(wěn)定、復(fù)現(xiàn)性好、 體積小、響應(yīng)時(shí)間較小等優(yōu)點(diǎn)、熱電偶一般用于 500 C以上的高溫，可以在1600 C高 溫下長(zhǎng)期使用。熱電阻也可以作為溫度傳感元件。大多數(shù)電阻的阻值隨溫度變化而變化，如果某材 料具備電阻溫度系數(shù)大

8、、電阻率大、化學(xué)及物理性能穩(wěn)定、電阻與溫度的關(guān)系接近線性 等條件，就可以作為溫度傳感元件用來(lái)測(cè)溫，稱為熱電阻。熱電阻分為金屬熱電阻和半 導(dǎo)體熱敏電阻兩類(lèi)。大多數(shù)金屬熱電阻的阻值隨其溫度升高而增加，而大多數(shù)半導(dǎo)體熱 敏電阻的阻值隨溫度升高而減少。在使用熱電偶時(shí)，由于冷端暴露在空氣中，受周?chē)h(huán)境溫度波動(dòng)的影響，且距熱源 較近，其溫度波動(dòng)也較大，給測(cè)量帶來(lái)誤差，為了降低這一影響，通常用補(bǔ)償導(dǎo)線作為 熱電偶的連接導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線的作用就是將熱電偶的冷端延長(zhǎng)到距離熱源較遠(yuǎn)、溫度較 穩(wěn)定的地方。補(bǔ)償導(dǎo)線的作用如圖 2-2所示。用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的冷端延長(zhǎng)到溫度比較穩(wěn)定的地方后，并沒(méi)有完全解決冷端溫度補(bǔ)償問(wèn)題

9、，為此還要采取進(jìn)一步的補(bǔ)償措施。具體的方法有：查表法、儀表零點(diǎn)調(diào)整 法、冰浴法、補(bǔ)償電橋法以及半導(dǎo)體 PN結(jié)補(bǔ)償法。采用熱電阻法測(cè)量溫度時(shí)，一般將電阻測(cè)溫信號(hào)通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換成電壓，當(dāng)熱電阻的 連接導(dǎo)線很長(zhǎng)時(shí)，導(dǎo)線電阻對(duì)電橋的影響不容忽視。為了消除導(dǎo)線電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差， 不管熱電阻和測(cè)量一邊之間的距離遠(yuǎn)近，必須使導(dǎo)線電阻的阻值圖25補(bǔ)償導(dǎo)線的作用(2)溫度變送器檢測(cè)信號(hào)要進(jìn)入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。變送器的任務(wù)就是將檢 測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。因此，熱電偶和熱電阻的輸出信號(hào)必須經(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)換 成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，才能進(jìn)入控制系統(tǒng)，與調(diào)節(jié)器等其他儀表配合工作。圖26溫度變送器原理框圖.

10、主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式和調(diào)節(jié)閥的確定(1)主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式在審級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則是使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù) 反饋。用級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的正反作用的選擇方法是：首先根據(jù)工藝要求決 定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式，并決定副調(diào)節(jié)器的正反作用 ；然后再依據(jù)主、副過(guò)程的正、 反形式最終確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開(kāi)式，即一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào) 節(jié)閥應(yīng)完全關(guān)閉，切斷燃料油進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全。對(duì)于副調(diào)節(jié)器，當(dāng)爐膛溫度 升高時(shí)，測(cè)量信號(hào)增大、為保證副回路為負(fù)反饋，此時(shí)調(diào)節(jié)閥應(yīng)關(guān)小，要求副調(diào)節(jié)器輸 出信號(hào)減小。按照測(cè)量信號(hào)

11、增大，輸出信號(hào)減小的原則要求，副調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用方式。 對(duì)于主調(diào)節(jié)器，當(dāng)副參數(shù)升高時(shí)，主參數(shù)也升高，故主調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用方式。(2)調(diào)節(jié)閥的確定由前文得，從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開(kāi)式，即一旦出現(xiàn)故障或氣 源斷氣，調(diào)節(jié)閥應(yīng)完全關(guān)閉，切斷燃料油進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全為了保證。調(diào)節(jié)閥按其工作能源形式可分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三類(lèi)。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥用壓縮空氣作 為工作能源，主要特點(diǎn)是能在易燃易爆環(huán)境中工作，廣泛地應(yīng)用于化工、煉油等生產(chǎn)過(guò) 程中；電動(dòng)調(diào)節(jié)閥用電源工作，其特點(diǎn)是能源取用方便，信號(hào)傳遞迅速，但難以在易燃 易爆環(huán)境中工作；液動(dòng)調(diào)節(jié)閥用液壓推動(dòng)，推力很大，一般生產(chǎn)過(guò)程中很少使用。故本設(shè)計(jì)采

12、用了氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，且為氣開(kāi)形.控制回路的參數(shù)選擇副回路的選擇是確定副回路的被控參數(shù)，用級(jí)系統(tǒng)的特點(diǎn)主要來(lái)源于它的副回路， 副回路的參數(shù)選擇一般應(yīng)遵行下面幾個(gè)原則：(1)主、副參數(shù)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。即通過(guò)調(diào)整副參數(shù)能有效地影響主參數(shù)，副參數(shù)的變 化應(yīng)反映主參數(shù)的變化趨勢(shì)、并在很大程度上影響主參數(shù)；其次，選擇的副參數(shù)必須是 物理上可測(cè)的；另外，由副參數(shù)所構(gòu)成的副回路，調(diào)節(jié)通道盡可能短，調(diào)節(jié)過(guò)程時(shí)間常 數(shù)不能太大，時(shí)間滯后小，以便使等效過(guò)程時(shí)間常數(shù)顯著減小，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作頻 率，加快控制過(guò)程反應(yīng)速度，改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。(2)副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干 擾。在選擇

13、副參數(shù)時(shí)一定要把主要干擾包含在副回路中，并力求把更多的干擾包含在副 回路中，但也不是副回路包含的干擾越多越好，因?yàn)楦被芈钒母蓴_越多，其控制通 道時(shí)間常數(shù)必然越大，響應(yīng)速度變慢，副回路快速克服干擾的能力將受到影響。所以在 選擇副參數(shù)時(shí)，應(yīng)在副回路反應(yīng)靈敏與包含較多干擾之間進(jìn)行合理的平衡。(3)副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮主、副回路中控制過(guò)程的時(shí)間常數(shù)的匹配，以防“共振” 的發(fā)生。在審級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副回路中控制過(guò)程的時(shí)間常數(shù)不能太接近，一方面是 為了保證副回路具有較快的反應(yīng)能力，另一方面由于在審級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副會(huì)理密 切相關(guān)，如果主、副回路中的時(shí)間常數(shù)比較接近，系統(tǒng)一旦受到干擾，就有可能產(chǎn)生“共

14、 振”，使控制質(zhì)量下降，甚至使系統(tǒng)因震蕩而無(wú)法工作。在選擇副參數(shù)時(shí)，應(yīng)注意使主、 副回路中控制過(guò)程的時(shí)間常數(shù)之比為 310,以減少主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系、避免“共振”。 四、設(shè)計(jì)總結(jié)：通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我們深刻的認(rèn)識(shí)到：自己在過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的知識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠， 以前學(xué)習(xí)過(guò)的理論掌握的并不牢固，理論與實(shí)踐結(jié)合的面和點(diǎn)的錯(cuò)位等等。因此我們經(jīng) 過(guò)復(fù)習(xí)課本知識(shí)和查閱資料，對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有了更深刻的理解。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，從方案設(shè)計(jì)到方案確定，都經(jīng)過(guò)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎?，回路的設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)器 的正反作用的確定，被控參數(shù)的選擇，使系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目的。在設(shè)計(jì)中，遇到了許 多困難，老師對(duì)該論文從開(kāi)始的題目介紹，構(gòu)思到最后

15、定稿的各個(gè)環(huán)節(jié)給予細(xì)心指引與 教導(dǎo)，同時(shí)，其他的同學(xué)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中曾耐心給與幫助，使我得以最終完成畢業(yè)論 文設(shè)計(jì)。同時(shí)，通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)在工業(yè)中的運(yùn)用有了深入的認(rèn)識(shí)，對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、思路、有一定的了解與認(rèn)識(shí)。我學(xué)到了控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟，拓展了知識(shí)面，了解了工業(yè)工程中控制系統(tǒng)起到的 重要作用。參考文獻(xiàn)1張根寶.工業(yè)自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制.西北工業(yè)大學(xué)出版社.2潘永湘，楊延西，趙躍.過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表M.機(jī)械工業(yè)出版社.3侯志林.M.過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表.機(jī)械工業(yè)出版社.4俞金壽，孫自強(qiáng).過(guò)程控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社.5施仁，劉文江，鄭輯光.自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制.電子工業(yè)出版社.6中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)ASE劭、公室 組編.冶金工業(yè)自動(dòng)化.機(jī)械工業(yè)出版社，7周慶海，翁維勤合編.過(guò)程控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)，化學(xué)工業(yè)出版社，第 1版GB 2