1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上目錄13第一章 概述1.1 本課程設計課題研究的意義隨著現(xiàn)代工業(yè)生產過程向著大型、連續(xù)和強化方向發(fā)展，對控制系統(tǒng)的控制品質提出了日益增長的要求。在這種情況下，簡單的單回路控制已經難以滿足一些復雜的控制要求。在單回路控制方案基礎上提出的串級控制方案，則對提高過程控制的品質有極為明顯的效果。串級控制系統(tǒng)具有單回路控制系統(tǒng)的全部功能，而且還具有許多單回路控制系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點。因此，串級控制系統(tǒng)的控制質量一般都比單回路控制系統(tǒng)好，而且串級控制系統(tǒng)利用一般常規(guī)儀表就能夠實現(xiàn)，所以，串級控制是一種易于實現(xiàn)且效果又較好的控制方法。本課程設計課題討論了一個簡單的液位流量串級控制系統(tǒng)的

2、設計方法及步驟。液位和流量是工業(yè)生產過程中最常用的兩個測控參數(shù)，因此本課程設計課題具有較大的現(xiàn)實意義。1.2 本論文的目的和內容1.2.1 目的通過課程設計，加深對所學傳感器技術、轉換技術、電子技術、自動控制原理以及過程控制的基本原理、基本知識的理解和應用，掌握串級控制系統(tǒng)的設計步驟和方法，掌握工程整定參數(shù)方法，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，增強動手能力，為今后工作打下一定的理論和實踐基礎。1.2.2 內容一、題目：液位流量串級控制系統(tǒng)二、設計指標：液位在0500mm內給定一個值，5%，穩(wěn)定時間300s,穩(wěn)態(tài)誤差±2mm。三、主要任務：以嚴謹?shù)膽B(tài)度對待課程設計，認真復習有關基礎理論和技術知識，認真查

3、閱參考資料，仔細分析被控對象的工作原理、特性以及控制要求。能在指導老師的幫助下解決設計中的各種問題，按計劃完成課程設計各階段的任務，使設計的系統(tǒng)的各項指標達到要求。重視理論與實際結合，并以積極、認真的態(tài)度參加課程設計答辯。第二章 系統(tǒng)的控制方案2.1控制系統(tǒng)在實際應用中的重要意義單回路控制系統(tǒng)是過程控制中結構最簡單的一種形式，它只用一個調節(jié)器，調節(jié)器也只有一個輸入信號，從系統(tǒng)方框圖看，只有一個閉環(huán)。在大多數(shù)情況下，這種簡單系統(tǒng)已經能夠滿足工藝生產的要求。但有些調節(jié)對象的動態(tài)特性雖然并不復雜，但控制的任務卻比較特殊，則單回路控制系統(tǒng)就無能為力了。另外，隨著生產過程向著大型、連續(xù)和強化方向發(fā)展，對

4、操作條件要求更加嚴格，參數(shù)間相互關系更加復雜，對控制系統(tǒng)的精度和功能提出許多新的要求，對能源消耗和環(huán)境污染也有明確的限制。為此，需要在單回路的基礎上，采取其它措施，組成復雜控制系統(tǒng)，而串級控制系統(tǒng)就是其中一種改善和提高控制品質的極為有效的控制系統(tǒng)。液位和流量是工業(yè)生產過程中最常用的兩個參數(shù)，對液位和流量進行控制的裝置在工業(yè)生產中應用的十分普遍。液位的時間常數(shù)T一般很大，因此有很大的容積遲延，如果用單回路控制系統(tǒng)來控制，可能無法達到較好的控制質量。而串級控制系統(tǒng)可以用一般常規(guī)儀表來實現(xiàn)，成本增加也不大，卻可以起到十分明顯的提高控制質量的效果，因此往往采用串級控制系統(tǒng)對液位進行控制。一般情況下，流

5、量是影響液位的主要因素，其時間常數(shù)較小，將它納入副回路進行控制，不僅有效地克服了流量對液位造成的干擾，而且使系統(tǒng)工作頻率提高，能夠對液位實行較快的控制。2.2 系統(tǒng)結構設計 整個過程控制系統(tǒng)由控制器、調節(jié)器、測量變送、被控對象組成。在本次控制系統(tǒng)中控制器為計算機，采用算法為PID控制規(guī)律，調節(jié)器為電磁閥，測量變送為HB、FT兩個組成，被控對象為流量PV。結構組成如下圖2.2所示。當系統(tǒng)啟動后，水泵開始抽水，通過管道分別將水送到上水箱和下水箱，由HB返回信號，是否還需要放水到下水箱。若還需要（即水位過低），則通過電磁閥控制流量的大小，加大流量，從而使下水箱水位達到合適位置；若不需要（即水位過高或

6、剛好合適），則通過電磁閥使流量保持或減小。其過程控制系統(tǒng)圖如圖2.1所示。圖2.1 控制系統(tǒng)框圖過程控制系統(tǒng)由四大部分組成，分別為控制器、調節(jié)器、被控對象、測量變送。本次設計為流量回路控制，即為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如下圖2.2圖2.2 液位單回路控制系統(tǒng)框圖2.3控制系統(tǒng)的總體方框圖及工作過程2.3.1 被控對象的分析一、被控對象的構成圖液位調節(jié)器流量調節(jié)器執(zhí)行機構流量對象液位對象流量變送器液位變送器被控對象為圖2.3中所示液位對象。圖2.3二、被控對象的工作原理、傳遞函數(shù)及理論推導如下：單容水箱如圖2.1所示，Qi為入口流量，由調節(jié)閥開度加以控制，出口流量則由電磁閥控制產生干擾。被調量為水箱中的水

7、位H,它反映水的流入與流出量之間的平衡關系。現(xiàn)在分析水位在電磁閥開度擾動下的動態(tài)特性。顯然，在任何時刻水位的變化均滿足下述物料平衡方程： （2.1）其中 （2.2） （2.3） F為水箱的橫截面積；是決定于閥門特性的系數(shù)，可以假定它是常數(shù)；是與電磁閥開度有關的系數(shù)，在固定不變的開度下，k可視為常數(shù)。液位對象的傳遞函數(shù): 第三章 PID參數(shù)整定3.1 控制規(guī)律的比較與選擇3.1.1 常見控制規(guī)律的類型及優(yōu)缺點比較PID控制的各種常見的控制規(guī)律如下：一、比例調節(jié)（P調節(jié)）在P調節(jié)中，調節(jié)器的輸出信號與偏差信號成比例，即 （3.1） 式中Kc稱為比例增益（視情況可設置為正或負）, 為調節(jié)器的輸出，是

8、對調節(jié)器起始值的增量，的大小可以通過調整調節(jié)器的工作點加以改變。在過程控制中習慣用比例增益的倒數(shù)表示調節(jié)器輸入與輸出之間的比例關系： （3.2）其中稱為比例帶。比例調節(jié)的顯著特點就是有差調節(jié)。比例調節(jié)的余差隨著比例帶的加大而加大。從這一方面考慮，人們希望盡量減小比例帶。然而，減小比例帶就等于加大調節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要要求，比例帶的設置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。此時，如果余差過大，則需通過其它的途徑解決。很大意味著調節(jié)閥的動作幅度很小，因此被調量的變化比較平穩(wěn),甚至可以沒有超調，但余差很大，調節(jié)時間也很長。減小就加大了調節(jié)閥的

9、動作幅度，引起被調量來回波動，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，余差相應減小。具有一個臨界值，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進一步減小系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。二、積分調節(jié)（I調節(jié)）的特點在I調節(jié)中，調節(jié)器的輸出信號的變化速度(t)/t與偏差信號e成正比，即： （3.3） 或 （3.4）式中KI稱為積分速度，可視情況取正值或負值。上式表明，調節(jié)器的輸出與偏差信號的積分成正比。I調節(jié)的特點是無差調節(jié)，與P調節(jié)的有差調節(jié)形成鮮明對比。式（3.3）表明，只有當被調量偏差e為零時，I調節(jié)器的輸出才會保持不變。然而與此同時，調節(jié)器的輸出卻可以停在任何數(shù)值。這意味著被控對象在負荷擾動的調節(jié)過程結束后，被調量沒有余差，而調節(jié)閥則可

10、以停在新的負荷所要求的開度上。I調節(jié)的另一特點是它的穩(wěn)定作用比P調節(jié)差。例如，根據(jù)奈氏穩(wěn)定判據(jù)可知，對于非自衡的被控對象采用P調節(jié)時，只要加大比例帶總可以使系統(tǒng)穩(wěn)定（除非被控對象含有一個以上的積分環(huán)節(jié)）；如果采用I調節(jié)則不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)。對于同一個被控對象，采用I調節(jié)時其調節(jié)過程的進行總比采用P調節(jié)時緩慢，表現(xiàn)在振蕩頻率較低。把它們各自在穩(wěn)定邊界上的振蕩頻率加以比較就可以知道，在穩(wěn)定邊界上若采用P調節(jié)則被控對象須提供180°相角滯后。若采用I調節(jié)則被控對象只須提供90°相角滯后。這就說明用I調節(jié)取代P調節(jié)就會降低系統(tǒng)的振蕩頻率。采用I調節(jié)時，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度

11、KI成正比。因此，增大積分速度將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。因為KI愈大，則調節(jié)閥的動作愈快，就愈容易引起和加劇振蕩。但與此同時，振蕩頻率將愈來愈高，而最大動態(tài)偏差則愈來愈小。被調量最后都沒有余差，這是I調節(jié)的特點。三、比例積分調節(jié)（PI調節(jié)）PI調節(jié)就是綜合P、I兩種調節(jié)的優(yōu)點，利用P調節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調節(jié)消除余差。它的調節(jié)規(guī)律為： (3.5)或 (3.6)式中為比例帶，可視情況取正值或負值；為積分時間。和是PI調節(jié)器的兩個重要參數(shù)。圖3.1是PI調節(jié)器的階躍響應，它是由比例動作和積分動作兩部分組成的。在施加階躍輸入的瞬間，調節(jié)器立即輸出一個幅值為e

12、/的階躍，然后以固定速度e/TI變化。當t=TI時，調節(jié)器的總輸出為2e/。這樣，就可以根據(jù)圖3.1確定和TI的數(shù)值。還可以注意到，當t=TI時，輸出的積分部分正好等于比例部分。由此可見，TI可以衡量積分部分在總輸出中所占的比重：TI愈小，積分部分所占的比重愈大。PI調節(jié)器引入積分動作帶來消除余差之好處的同時，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保持控制系統(tǒng)原來的衰減率，PI調節(jié)器比例帶必須適當加大，這樣會使調節(jié)時間ts增大，最大偏差也會增大。四、微分調節(jié)的特點比例調節(jié)和積分調節(jié)都是根據(jù)當時偏差的方向和大小進行調節(jié)的，而不管那時被控對象中流入量與流出量之間有多大的不平衡，而這個不平衡正決定著此后被調量

13、將如何變化的趨勢。由于被調量的變化速度（包括其大小和方向）可以反映當時或稍前一些時間流入、流出量之間的不平衡情況，因此，如果調節(jié)器能夠根據(jù)被調量的變化速度來移動調節(jié)閥，而不要等到被調量已經出現(xiàn)較大偏差后才開始動作，那么調節(jié)的效果將會更好，等于賦予調節(jié)器以某種程度的預見性，這種調節(jié)動作稱為微分調節(jié)。此時調節(jié)器的輸出與被調量或其偏差對于時間的導數(shù)成正比，即 (3.7)因此微分調節(jié)只能起輔助的調節(jié)作用，它可以與其它調節(jié)動作結合成PD和PID調節(jié)動作。五、比例積分微分調節(jié)（PID調節(jié)）PID調節(jié)器的動作規(guī)律是 (3.8)或 (3.9)式中、TI和TD參數(shù)意義與PI、PD調節(jié)器相同。第四章 設備選型4.

14、1 液位傳感器 液位傳感器用來對上誰為水箱的壓力進行檢測，采用工業(yè)的DBYG擴散硅壓力變送器，本變送器按標準的二線制傳輸，喜愛用高品質低耗精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高。可方便的與其他DDZ3X型儀表互換配置，并能直接替換進口同類儀表。校驗的方法是通電預熱15分鐘后，分別在零壓力和滿程壓力下檢查輸出電流值。在零壓力下調整量程電位器，使輸出電流為4mA，在滿量程壓力下調整量程電位器，使輸出電流為20mA。本傳感器精度為0.5級，因為為二線制，故工作時需串24V直流電源。壓力傳感器用來對上水位水箱和中水位水箱的壓力進行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴散硅壓力變送器，0.5級精度，二線制4-20mA標

15、志信號輸出。4.2電磁流量傳感器（1）流量傳感器用來對電動調節(jié)閥的主流量和干擾回路的干擾流量進行檢測。根據(jù)本試驗裝置的特點，采用工業(yè)用的LDS-10S型電磁流量傳感器，公稱直徑10mm，流量0.03m3/h,壓力1.6Mpmax,4-20mA標準信號輸出。可與顯示，記錄儀表，積算器或調節(jié)器配套。避免了渦輪流量計非線性與死區(qū)大的致命缺點，確保實驗效果能達到教學要求。主要優(yōu)點：1）采用整體焊接結構，密封性好；2）結構簡單可靠，內部無活動部件，幾乎無壓力損失；3）采用低頻矩形波勵磁，抗干擾性能好，零點穩(wěn)定；4）儀表反映靈敏，輸出信號與流量呈線性關系,量程比寬；（2）流量轉換器采用LDZ-4型電磁流量

16、傳感器配套使用，輸入信號：00.4mV輸出信號：420mA DC, 許負載電阻為0750歐姆，基本誤差：輸出信號量程的0.5%。4.3電動調節(jié)閥 電動調節(jié)閥對控制回路流量進行調節(jié)。采用德國PSL202型智能電動調節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅動電機采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機，運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉，控制精度高。控制單元與電動執(zhí)行機構一體化，可靠性高，操作方便，并可與計算機配套使用，組成最佳調節(jié)回路。有輸入控制信號4-20mA及單相電源即可控制與轉實現(xiàn)對壓力流量溫度壓力等參數(shù)的調節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點。采用PS電子式直行程執(zhí)行機構，4-20mA閥位反饋信

17、號輸出雙導向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性，閥門采用彈簧連接，可預置閥門關斷力，保證閥門的可靠關斷，防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點。4.4水泵采用丹麥蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長，不會影響教師授課減少使用麻煩。功耗小，220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變送器一起可構成恒壓供水系統(tǒng)。4.5變頻器三菱FR-S520變頻器，4-20mA控制信號輸入，可對流量或壓力進行控制，該變頻器體積小，功率小，功能非常強大，運行穩(wěn)定安全可靠，操作方便，壽命長，可外加電流控制，也可通過本身旋鈕控制頻率。可單相或三相供電，頻率可高達200Hz。4.6模塊選

18、擇當需要構成計算機控制系統(tǒng)時，過程控制裝置的數(shù)據(jù)采集和控制采用目前最新的牛頓7000系列遠程數(shù)據(jù)采集模塊和組態(tài)軟件組成，完全模擬工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，先進性與實用性并舉。有效的拉近了實驗室與工業(yè)現(xiàn)場的距離。它體積小，安裝方便，可靠性極高。1) D/A模塊：采用牛頓7024模塊。4路模擬輸出，電流（4-20mA）電壓（15V）信號均可。2) A/D 模塊：采用牛頓7017模塊。8路模擬電壓（15V）輸入。3) DO模塊：采用牛頓7043模塊。4)通訊模塊：采用牛頓7520轉換模塊。485/232轉換模塊，轉換速度極高（300115KHz），232口可長距離。4.7適合本系統(tǒng)的檢測轉換元件本系統(tǒng)流量檢測轉

19、換元件為渦輪流量計，而液位檢測轉換元件為靜壓式液位計。渦輪流量計, 渦輪流量計是以動量矩守恒原理為基礎設計的流量測量儀表，是速度式流量計中的主要種類,它采用多葉片的轉子(渦輪)感受流體平均流速,從而推導出流量或總量。渦輪流量計的工作原理：當流體通過安裝有渦輪的管路時，流體的動能沖擊渦輪發(fā)生旋轉，流體的流速愈高，動能越大，渦輪轉速也就愈高。在一定的流量范圍和流體粘度下，渦輪的轉速和流速成正比。當渦輪轉動時，渦輪葉片切割置于該變送器殼體上的檢測線圈所產生的磁力線，使檢測線圈磁電路上的磁阻周期性變化，線圈中的磁通量也跟著發(fā)生周期性變化，檢測線圈產生脈沖信號，即脈沖數(shù)。其值與渦輪的轉速成正比，也即與流

20、量成正比。這個電訊號經前置放大器放大后，即送入電子頻率儀或渦輪流量積算指示儀，以累積和指示流量。4.8液位檢測轉換元件：靜壓式液位計對于不可壓縮的液體，液位高度與液體的靜壓力成正比，所以測出液體的靜壓力，即可知道液體的高度。圖4.1圖4.1所示為用靜壓式液位計進行開口容器的液位測量。壓力計與容器的底部相連，根據(jù)壓力計指示的壓力大小，即可知道液位的高度，其關系為 (4.10)式(4.10)中，H是液位的高度；是液體重度；是容器內取壓平面上的靜壓力。4.9執(zhí)行元件的選擇、性能參數(shù)本系統(tǒng)所使用實驗裝置可用提升泵或電磁閥作為執(zhí)行機構。提升泵用來控制進水流量，而電磁閥可用來改變出水流量，產生干擾。4.9

21、.1提升泵提升泵為交流異步電動機構成。當系統(tǒng)運行時，由調節(jié)器根據(jù)偏差產生相應電壓輸送給變頻器，變頻器將一定頻率信號輸送給提升泵，從而改變其轉速，使流量發(fā)生變化。本實驗裝置所使用提升泵的性能參數(shù)如下：最大揚程：40m最大流量：2.5m3/h吸程：8m4.9.2電磁閥電磁閥理想流量特性為線性。如圖2.10所示。其中，Q/Qmax為相對流量，即調節(jié)閥某一開度流量Q與全開流量Qmax之比；l/L為相對開度，即調節(jié)閥某一開度行程l與全行程L之比。Q/Qmax(%)l/L(%)圖4.2第五章 系統(tǒng)仿真和結果分析5.1選擇適合本系統(tǒng)的控制規(guī)律一般來說，對于串級控制系統(tǒng)，主變量不允許有余差。而對副變量的要求一

22、般都不是很嚴格，允許它有波動和余差。為了主變量的穩(wěn)定，主調節(jié)器必須具有積分作用。因此，主調節(jié)器通常都選用比例積分規(guī)律。有時，對象控制通道容量滯后比較大，為了克服容量滯后，選用比例積分微分三作用的調節(jié)器作為主調節(jié)器。副調節(jié)器的給定值隨主調節(jié)器輸出的變化而變化，為了能快速跟蹤，副調節(jié)器一般不設置積分作用，微分作用也不需要，因為當副調節(jié)器有微分作用時，一旦主調節(jié)器的輸出稍有變化，執(zhí)行機構就將大幅度地變化。但副調節(jié)器容量滯后比較大時，可以適當加一點微分作用，一般情況下，副調節(jié)器只需用比例作用就可以了。本系統(tǒng)的液位對象容量滯后比較大，故主調節(jié)器選用比例積分微分調節(jié)作用，而流量對象時間常數(shù)很小，副調節(jié)器只

23、用比例作用。第六章 實際控制系統(tǒng)的運行與調試6.1 實際控制系統(tǒng)組成的動態(tài)運行圖 模擬控制線路：水泵變頻器流量調節(jié)器流量測量變送器液位對象U儲水箱液位調節(jié)器液位測量變送器f6.2實際控制系統(tǒng)的運行調試方法6.2.1 實際控制系統(tǒng)的投運步驟一、打開組態(tài)王畫面，進入液位流量串級控制實驗界面。二、按控制線路接通管路。三、設定調節(jié)器參數(shù)及液位給定值。四、打開實驗裝置電源開關，進行實驗，并記錄實驗曲線和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)組態(tài)設計6.3 組態(tài)王是一種工業(yè)組態(tài)軟件。使用組態(tài)王，用戶可以方便地構造適應自己需要的“數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)”，在任何需要的時候把生產現(xiàn)場的信息處理和判斷決策的控制信號傳向現(xiàn)場實施有效的生產控制。組態(tài)王的網絡功能使企業(yè)的基層和其它部門建立起聯(lián)系，現(xiàn)場操作人員和工廠管理人員都可以看到各種數(shù)據(jù)。管理人員不需要深入生產現(xiàn)場，就可以獲得實時和歷史數(shù)據(jù)，優(yōu)化控制現(xiàn)場作業(yè)，提高生產率和產品質量。6.3.1工藝流程圖與系統(tǒng)組態(tài)圖設計 圖6.1工藝流程圖 圖6.2 系統(tǒng)組態(tài)圖設計6.4動畫連接圖6.36.5實際控制系統(tǒng)的調試步驟采用兩步法進行調節(jié)器參數(shù)的調試整定，具體步驟如下：（1）在主、副環(huán)路閉合的情況下，將主調節(jié)器比例度設定為100%，積分時間設定為最大，微分時間設定為最小，然