過程控制課程設(shè)計報告書

wordword格式文檔專業(yè)整理專業(yè)整理過程控制課程設(shè)計設(shè)計題目：貯槽液位控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級：自動化2012級3班小組成員： 葉榮榮1202100509戴忻禧1202100504劉悅1202100535陳婷婷1202100511指導(dǎo)老師：徐辰華老師日期：2015年7月4日摘要日新月異的自動化技術(shù)為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造、生產(chǎn)水平的提高和產(chǎn)品更新?lián)Q代注入了強(qiáng)大活力。微電子技術(shù)和計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的崛起，給自動化技術(shù)假期了騰飛的雙翼，成為當(dāng)代發(fā)展最快、影響最大、最引人注目的高技術(shù)之一，在百花爭艷的信息化舞臺上都靈風(fēng)少。現(xiàn)在，自動化技術(shù)不僅滲透于國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)，對社會、經(jīng)濟(jì)、文化、軍事、科技等各個領(lǐng)域都有著深刻的影響，而且正悄然地改變著人們的生產(chǎn)、工作、生活乃至思維方式。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、生產(chǎn)過程的強(qiáng)化、對產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)格要求以及各公司之間的激烈競爭，人工操作與控制已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。過程控制系統(tǒng)以及成為工業(yè)生產(chǎn)過程必不可少的裝備，為保證現(xiàn)代企業(yè)安全、優(yōu)質(zhì)、低消耗和高效益生產(chǎn)提供了有效的技術(shù)手段。在本次課程設(shè)計中，給出液體貯槽的結(jié)構(gòu)圖，要求液位貯槽內(nèi)的液位需維持在某給定值上下，或在某一小范圍內(nèi)變化，并保證物料不產(chǎn)生溢出。根據(jù)過程控制設(shè)計原則——用最簡單的系統(tǒng)實現(xiàn)過程控制?；诖?，我們選用了單回路反饋控制系統(tǒng)。關(guān)鍵字：自動化技術(shù)過程控制系統(tǒng)液位控制單回路Rapidautomationtechnologyfortraditionalindustryreformation,theimprovementofproductionandproductupgradinginjectedstrongvitality.Microelectronicstechnologyandtheriseofcomputer,communicationandnetworktechnologytotheautomationtechnologyvacationflywings,becomethefastestgrowing,mostaffected,oneofthemoststrikinghightechnologyinTurin,flowersbloominformationstageofthewind.Now,automationtechnologynotonlypenetratesintothenationaleconomyinallwalksoflifetosociety,economy,culture,military,scienceandtechnologyandotherfieldshaveaprofoundeffect,andisquietlychangingpeople'sproduction,work,lifeandeventhewayofthinking.Inmodernindustrialproductionprocess,withtheexpansionofthescaleofproduction,theproductionprocess,tostrengthenthestrictrequirementsofproductqualityandthefiercecompetitionbetweencompanies,manualoperationandthecontrolhasfarcannotsatisfytherequirementofmodernproduction.Processcontrolsystem,andbecometheindispensableequipmentinindustrialproductionprocess,toensurethesafetyofthemodernenterprise,highquality,lowconsumptionandhighbenefitproductionprovideseffectivetechnicalmeans.Inthecurriculumdesignofliquidstoragetankstructure,demandlevelinthestoragetanktomaintaininagivenvalueofliquidlevelfluctuation,orchangeinasmallscope,andtoensurethatthematerialdoesnotproduceoverflow.Accordingtotheprocesscontroldesignprinciplewiththesimplestsystemimplementation,processcontrol.Basedonthis,wechoosethesingleloopfeedbackcontrolsystem.目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章設(shè)計任務(wù)書 7\o"CurrentDocument"設(shè)計目的 7\o"CurrentDocument"設(shè)計任務(wù)及要求 7\o"CurrentDocument"工藝工程及要求 8第二章前言 錯誤!未定義書簽。\o"CurrentDocument"第三章系統(tǒng)總體方案的選擇及說明 10\o"CurrentDocument"第四章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理 12\o"CurrentDocument"系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 12\o"CurrentDocument"工作原理 12\o"CurrentDocument"單容過程建模 13\o"CurrentDocument"第五章各單元軟硬件的選擇 17\o"CurrentDocument"控制對象 17控制器 17調(diào)節(jié)閥 17\o"CurrentDocument"差壓變送器 17\o"CurrentDocument"第六章控制器的參數(shù)整定 19\o"CurrentDocument"經(jīng)驗法 19控制器各校正環(huán)節(jié)的作用 19\o"CurrentDocument"第七章控制系統(tǒng)仿真與調(diào)試 21\o"CurrentDocument"labVIEW實驗臺仿真 21\o"CurrentDocument"A3000過程控制系統(tǒng)仿真 25\o"CurrentDocument"第八章分析總結(jié) 30\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 31第一章設(shè)計任務(wù)書1.1設(shè)計目的過程控制課程設(shè)計是一項重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。在設(shè)計過程中，通過一個工程實際課題的設(shè)計練習(xí)，學(xué)生可以初步實踐過程控制系統(tǒng)的設(shè)計過程、明確應(yīng)完成的工作內(nèi)容和采用的具體設(shè)計方法，達(dá)到鞏固、充實和綜合所學(xué)知識并解決實際問題的目的。通過課程設(shè)計，可以培養(yǎng)學(xué)生以下能力：獨立工作能力和創(chuàng)造力；查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊和各種工具書的能力；綜合運(yùn)用專業(yè)及基礎(chǔ)知識，解決實際工程技術(shù)問題的能力；編寫技術(shù)資料的能力。設(shè)計任務(wù)及要求課程設(shè)計應(yīng)充分運(yùn)用過程控制技術(shù)及相關(guān)專業(yè)課的知識，針對某生產(chǎn)工藝過程實施自動過程控制方案。因此，既要充分掌握生產(chǎn)工藝過程及控制工程的基本知識，又要熟悉控制及檢測儀表的使用方法及型號、規(guī)格、價格等信息。設(shè)計任務(wù)主要包括以下方面：.了解生產(chǎn)工況：研究過程控制單元的生產(chǎn)工藝及工作環(huán)境，在這一階段還需要收集工藝中有關(guān)的物性參數(shù)和重要數(shù)據(jù)。.明確控制要求：找出被控對象，針對可能出現(xiàn)的干擾因素分析控制目的及其應(yīng)達(dá)到的控制效果。.擬定控制方案：按照現(xiàn)場的特點、控制室與現(xiàn)場的相對位置及系統(tǒng)的控制要求，確定合理的控制系統(tǒng)類型，定出各檢測點、控制點的實際位置，初步分析控制系統(tǒng)的性能。.制定控制流程圖：根據(jù)工藝特點以及控制方案畫出系統(tǒng)的控制工藝流程圖及控制方框圖。.選取被控變量和操縱變量：根據(jù)控制要求及工藝合理性進(jìn)行選取，盡量選取容易檢測、無容量滯后或滯后小的變量。.過程裝置及儀表的選型：根據(jù)工藝提供的數(shù)據(jù)及儀表選型的原則（根據(jù)工藝數(shù)據(jù)和有關(guān)計算方法對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行相應(yīng)的計算），調(diào)研產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和價格，選定檢測、變送、顯示、控制等各類儀表的規(guī)格、型號。另外，對于儀表設(shè)備的輔助設(shè)備材料（儀表設(shè)備在安裝過程中，還需要選用一些有關(guān)的其它設(shè)備材料）也需根據(jù)施工要求，進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計，編制儀表安裝材料表等。.設(shè)計總結(jié)：對整個設(shè)計過程做客觀的評價，并闡述控制系統(tǒng)的優(yōu)、缺點等。工藝工程及要求■在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液體貯槽如進(jìn)料罐、成品罐、中間緩沖容器、水箱等設(shè)備應(yīng)用十分普遍，為了保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，物料進(jìn)出需均衡，以保證過程的物料平衡?！龉に囈笠何毁A槽內(nèi)的液位需維持在某給定值上下，或在某一小范圍內(nèi)變化，并保證物料不產(chǎn)生溢出。

第二章系統(tǒng)總體方案的選擇及說明單回路反饋控制系統(tǒng)簡稱單回路控制系統(tǒng)，它在所有反饋控制系統(tǒng)中，單回路反饋控制系統(tǒng)是最基本、結(jié)構(gòu)最簡單的一種，因此又稱為簡單控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，卻能解決生產(chǎn)過程中的大量控制問題，它是生產(chǎn)過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制系統(tǒng)，生產(chǎn)過程中70%以上的控制系統(tǒng)就是單回路控制系統(tǒng)。閥門1|qi

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闕門2IQ2圖2.1液位貯槽控制系統(tǒng)圖2.1是一個液位貯槽，一種物料從閥門1中不斷流入貯槽中，而貯槽中的物料又通過閥門2流出，送至下一個工序進(jìn)行加工或者包裝。當(dāng)流入量Q1（或流出量Q2）波動時會引起貯槽內(nèi)液位的波動，若波動嚴(yán)重會造成物料溢出或抽空。要解決這一問題最簡單的方法就是以貯槽內(nèi)液位為操作指標(biāo)，改變出口閥門Q2的開度以控制液位的波動，具體方法是：當(dāng)液位上升時，將出口閥門Q2開大，液位上升越大，閥門開度越大；反之，當(dāng)液位下降時，關(guān)小出口閥門Q2,液位下降越多，閥門開度越小。在傳統(tǒng)的人工控制中，必須時刻關(guān)注貯槽內(nèi)液位的波動變化，手動開大或關(guān)小出口閥門Q2,需要工作人員高度集中，不允許絲毫分心，否則將造成生產(chǎn)過程中的不必要的損失。這種傳統(tǒng)的人工控制收到了人的主觀影響的限制，因此控制速度和精度都無法滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，為了提高控制精度并減輕勞動強(qiáng)度，采用一系列自動化裝置可代替以上人工控制，形成自動控制。圖2.2單回路液位控制系統(tǒng)第三章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖貯槽液位單回路控制系統(tǒng)如圖3.1圖3.1單回路控制系統(tǒng)框圖工作原理液位貯槽和自動化裝置在一起構(gòu)成了一個自動控制系統(tǒng)。如圖3.1,用液位變送器LT檢測液位的高低并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號，如4?20mA直流信號。同時，采用液位控制器LC通過接受液位測量信號，并與其設(shè)定值進(jìn)行對比?？刂破鞲鶕?jù)偏差的正負(fù)、大小及變化情況發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的控制信號，如4~20mA直流信號。此外，采用控制閥門實施對出庫流量的控制?？刂崎y根據(jù)控制信號的變化，來控制出口閥門的開度以調(diào)節(jié)出水流量，最終使液位測量值接近或等于給定值。由此，構(gòu)成一個典型的液位自動控制系統(tǒng)。圖3.2液位自動控制系統(tǒng)單容過程建模單容水箱模型如圖3.2系統(tǒng)的控制質(zhì)量與組成系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)的特性都有密切關(guān)系，因此，在對過程控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計之前，必須先掌握構(gòu)成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的特性，特別是被控過程的特性，即建立被控過程的數(shù)學(xué)模型。被控過程的數(shù)學(xué)模型是描述被控過程在輸入（控制輸入與擾動輸入）作用下，其狀態(tài)和輸出（被控參數(shù)）變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。建立被控過程數(shù)學(xué)模型的目的是用于過程控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計，以及用于新型控制系統(tǒng)的開發(fā)和研究。建立控制系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)和整個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，不僅是分析和設(shè)計控制系統(tǒng)方案的需要，也是過程控制系統(tǒng)投入運(yùn)行、控制器參數(shù)整定的需要，它在操作優(yōu)化、故障檢測和診斷、操作方案的制定等方面也是非常重要的。調(diào)節(jié)貯槽液位控制系統(tǒng)，其自衡的振蕩過程響應(yīng)曲線如圖3.3,該控制過程具有自衡能力，在階躍作用下，輸出響應(yīng)呈現(xiàn)衰減振蕩特性，最后過程會趨于新的穩(wěn)態(tài)值，稱為有自衡的振蕩過程。圖3.3有自衡的振蕩過程如第二章中圖2.1貯槽液位對象，其液位流入量為°，通過改變控制閥門1的開度，1可以改變Q的大小。液位流出量為Q可根據(jù)用戶的需要，控制閥門2的開度改變。液位h1 2代表貯槽中貯存液體的量，h的變化反映了由于液體流入量Q與流出量Q不等而引起貯槽1 2中蓄水或出水的過程。先定義各變量的符號：Q:液位對象的輸入量（m3/s）1△Q:輸入流量相對于穩(wěn)態(tài)值的增量（m3/s）1Q:液位對象的輸出量（m3/s）2△Q:輸出流量相對于穩(wěn)態(tài)值的增量（m3/s）2h：液位（m）△h：穩(wěn)態(tài)液位（m）A：貯槽的截面積（m2）閥門1⑼網(wǎng)門5圖2.1液位貯槽控制系統(tǒng)根據(jù)物料平衡的關(guān)系，液體流入量與流出量之差應(yīng)等于貯槽中液體貯存量的變化率，即(3-1)將式（3-1）表示為增量形式△Q-△Q=Ad△h

1 2dt(3-2)設(shè)某一平衡狀態(tài)下的流入量Q等于流出量Q，10 20液位的平衡值為h。△Q是控制閥門1的開度變化而引起的。液位的流出量Q隨液位h變化，h越高，Q出口靜壓力越大，流出量Q也就越大。同時，Q還與控制閥的阻力R有關(guān)，假設(shè)三者變化量之間的關(guān)系為△h 中△Q=—— 或2R2(3-3)式中：R為閥門2的阻力，稱為液阻。2液位在流動中總存在著阻力，圖2.1中液阻R2可定義為液位差變化

流量變化(3-4)其物理意義是產(chǎn)生單位流量變化所必須的液位變化量。流體在一般流動情況下，液位h和流量Q之間的關(guān)系是非線性的。因此液阻R在Q不2 22同流量時是不同的。將式（3-3）代入式（3-2）可得：或?qū)⑸鲜礁膶懗梢话阈问交驅(qū)懗衫献儞Q式人「 △或?qū)⑸鲜礁膶懗梢话阈问交驅(qū)懗衫献儞Q式人「 △h dd△h△Q 二AiRdt2RAd^h+△h=R△Q2dt 21T(d△-+△h=K△Qdt 1(3-5)(3-6)(3-7)式中，T式中，T為對象的時間常數(shù)，T=AR2K為對象的放大系數(shù)，K二R2液位對象的時間常數(shù)T是反應(yīng)對象在擾動作用下被控參數(shù)變化的快慢程度，即表示對象慣性大小的參數(shù)。第四章各單元軟硬件的選擇控制對象控制對象是指需要控制其工藝參數(shù)的生產(chǎn)設(shè)備或裝置，本設(shè)計中的被控對象為水箱控制器控制器又稱調(diào)節(jié)器，是構(gòu)成控制系統(tǒng)的核心儀表，其作用是將參數(shù)測量值和規(guī)定的參數(shù)值（給定值）相比較后，得出被調(diào)量的偏差，再根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，從而推動執(zhí)行器工作，對過程進(jìn)行自動控制。根據(jù)系統(tǒng)需要我們選擇PID控制器，即比例、積分、微分控制。調(diào)節(jié)閥差壓變送器控制對象差壓變送器用于測量液體、氣體和蒸汽的液位、密度和壓力，然后將其轉(zhuǎn)變成4-20mADC的電流信號輸出。本設(shè)計中差壓變送器用于測量水箱液體壓力，通過測得液體壓力通過變換得知液體的液位，并實時以電流信號輸出，并將其反饋至輸入系統(tǒng)中。以下為所選差壓變送器產(chǎn)品參數(shù)：產(chǎn)品： 3351差壓變送器型號： BL-C3051差壓變送器規(guī)格： 20-125品牌： BL-C3051差壓變送器使用對象：液體、氣體和蒸汽測量范圍： 0?0.1kPa至0?40MPa輸出信號： 4?20mADC供電電源： 24VDC圖5.4BL-C3051差壓變送器第五章控制器的參數(shù)整定5.1經(jīng)驗法這是一種經(jīng)驗試湊法，是由工程技術(shù)人員在長期生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的。它不需要事先進(jìn)行實驗和計算，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗，先確定一組控制器參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并將其投入系統(tǒng)運(yùn)行，通過觀察人為地加入干擾后的過渡過程曲線，根據(jù)各種控制作用對過渡過程的不同影響來改變相應(yīng)的參數(shù)值，進(jìn)行反復(fù)試驗，直到獲得滿意的控制效果即可。經(jīng)驗法主要通過調(diào)整比例度的大小來滿足品質(zhì)指標(biāo)，其途徑有兩種，選取其中一種如下：先用單純的比例作用，尋找合適的比例度，將人為加入干擾后的過渡過程調(diào)整為4:1的衰減振蕩過程。然后加入積分作用，一般先取積分時間為衰減振蕩周期的一半左右。由于積分作用使振蕩加劇，故在加入積分作用之前，要先減弱比例作用，通常將比例度增大10%~20%。然后調(diào)節(jié)積分時間的大小，直到出現(xiàn)4:1的衰減振蕩。5.2控制器各校正環(huán)節(jié)的作用比例環(huán)節(jié)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steady-stateerror)。P參數(shù)越小比例作用越強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)越快，消除誤差的能力越強(qiáng)。由于實際系統(tǒng)是有慣性的，比例作用不宜太強(qiáng)，比例作用太強(qiáng)會引起系統(tǒng)振蕩不穩(wěn)定。P參數(shù)的大小應(yīng)在以上定量計算的基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)情況，現(xiàn)場調(diào)試決定，通常將P參數(shù)由大向小調(diào)，以能達(dá)到最快響應(yīng)又無超調(diào)(或無大的超調(diào))為最佳參數(shù)。優(yōu)點:調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)比例系數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，減低系統(tǒng)的惰性，加快響應(yīng)速度。缺點:僅用P控制器，過大的開環(huán)比例系數(shù)不僅會使系統(tǒng)的超調(diào)量增大，而且會使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度變小。5.2.2積分環(huán)節(jié)控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)T,T越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。比例作用的輸出與誤差的大小成正比，誤差越大，輸出越大，誤差越小，輸出越小，誤差為零，輸出為零。比例作用是有差調(diào)節(jié)，是有靜差的，加強(qiáng)比例作用只能減少靜差，不能消除靜差(靜差：即靜態(tài)誤差，也稱穩(wěn)態(tài)誤差)。為了消除靜差必須引入積分作用，積分作用可以消除靜差，以使被控的y⑴值最后與給定值一致。如果積分作用太強(qiáng)，積分輸出變化過快，就會引起積分過頭的現(xiàn)象，產(chǎn)生積分超調(diào)和振蕩。通常I參數(shù)也是由大往小調(diào)，即積分作用由小往大調(diào)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)以能達(dá)到快速消除誤差，達(dá)到給定值，又不引起振蕩為準(zhǔn)。PI控制器不但保持了積分控制器消除穩(wěn)態(tài)誤差的“記憶功能”，而且克服了單獨使用積分控制消除誤差時反應(yīng)不靈敏的缺點。優(yōu)點：消除穩(wěn)態(tài)誤差。缺點：積分控制器的加入會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度減小。5.2.3.微分環(huán)節(jié)反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。微分作用是事前預(yù)防控制，即一發(fā)現(xiàn)y(t)有變大或變小的趨勢，馬上就輸出一個阻止其變化的控制信號，以防止出現(xiàn)過沖或超調(diào)等。D越大，微分作用越強(qiáng)，D越小，微分作用越弱。系統(tǒng)調(diào)試時通常把D從小往大調(diào)，具體參數(shù)由試驗決定。優(yōu)點：使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變快，超調(diào)減小，振蕩減輕，對動態(tài)過程有“預(yù)測”作用。在低頻段，主要是PI控制規(guī)律起作用，提高系統(tǒng)型別，消除或減少穩(wěn)態(tài)誤差；在中高頻段主要是PD規(guī)律起作用，增大截止頻率和相角裕度，提高響應(yīng)速度。因此，控制器可以全面地提高系統(tǒng)的控制性能。第六章控制系統(tǒng)仿真與調(diào)試7.1labVIEW實驗臺仿真實驗設(shè)備與軟件軟件：中文Windows2000xp,LabVIEW8.2.1或以上版本，NIMAX7.4或以上版本。硬件：A3000高級過程控制系統(tǒng)、微型計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221(68Pin)、連接器CB-68LP、電流-電壓轉(zhuǎn)換器。實驗工藝流程圖本次課程設(shè)計在labVIEW試驗臺上做單回路反饋控制系統(tǒng)的仿真，實驗流程圖如6.1。7.1.3仿真程序界面|s;凸mplprniack|性蘭運(yùn)二：七||vaueTirf>riLrininiidii□I電位測量程刊unitslTinirg.Mil:r:生「去”門三有三:二：PID參數(shù)設(shè)置卜?=?儲-羽-1;IR;匚扇止口占旭口口金」好1口