1、單閉環流量比值控制系統的設計和整定第一部分：目的任務1.1設計目的在化工、煉油及其它工業生產過程中，工藝上常需要兩種或兩種以上物料保持一定的比例關系，比例一旦失調，將影響生產或造成事故。通常以保持兩種物料的流量為一定比例關系的控制系統，成為流量比值控制系統。實踐中，單閉環流量比值控制系統由于流量比值較為精確、結構簡單、實施較為方便，所以得到了廣泛的使用。對于進入高年級自動化類專業的學生，深刻理解、掌握和使用過程控制方法中典型的復雜控制方法就非常必要了。通過4周的集中設計，使大家牢固掌握過程控制中的重要理論和知識點，并培養工程設計、使用能力，是本課程設計的最終目的和宗旨。具體到本課題，通過一個典

2、型的串級控制的工程實例的設計，要求大家在對比幾種不同的流量比值控制方案的優缺點的基礎上，通過單閉環流量比值控制這一實例的設計，對單閉環流量比值控制系統的原理、使用范圍、優點、設計方法、工程整定方法等有更深的理解。1.2設計任務課程設計任務書學生姓名：專業班級：指導教師：工作單位：題目：初始條件：給定用于設計的串級控制系統設備及各種儀表。給出儀表的詳細資料。給出串級控制系統的設計思路和整定方法。要求完成的主要任務：一設計任務本設計要求完成如下設計任務：.以單容水箱液位為主變量，進口流量為副變量，設計一個單容液位進口流量的串級控制系統。要求寫出設計原理、畫出串級控制系統標準原理方框圖、本設計實例的

3、串級控制系統管道儀表流程圖，單容液位一一進口流量的串級控制系統的原理方框圖；對所使用的檢測儀表的型號進行選擇，寫出其輸入輸出信號類型，并對檢測儀表的檢測原理進行闡述。對主、畐壯制器的正反作用方式進行選擇，并說明理由。4設計主、副控制器的控制規律，并至少選擇一種串級控制系統整定方法對主、副控制器進行參數整定。詳細寫出主副控制器的參數整定過程，給出整定過程中的整定用曲線（如用衰減振蕩法整定時，要給出出現4:1衰減振蕩時的曲線波形），記錄中間得到的比例度（或比例系數）和振蕩周期，并計算出最終的整定參數。將最終計算得到的整定參數置于控制器上，對液位給定值做階躍變化，記錄其響應曲線。最終對主、副控制器參

4、數進行微調后，如果控制質量得到改善，要給出微調后的響應曲線。對流量回路施加相同擾動，并使液位給定值做相同階躍變化時，記錄串級控制系統的響應曲線和單回路液位控制系統響應曲線。7.13周：完成理論設計，14-16周進行現場調試和整定。816周，答辯，完善并上交設計報告。第二部分：設計內容2.1設計原理和設計方法概述比值控制系統的原理概述在許多工業生產過程中，工藝上常常要求兩種或兩種以上的物料保持一定的比例關系。一旦比例失調，就會影響生產的正常進行，造成產量下降、質量降低、能源浪費、環境污染、甚至會造成安全事故。例如在造紙過程中，要求濃紙漿和水以一定的比例混合，才能保證符合要求的紙漿濃度；在工業爐窯

5、的燃燒控制中要保證燃料和空氣按一定比例混合才能達到最佳燃燒效率；在硝酸的生產過程中，氨氣和氧氣必須按照一定比例混合后進入氧化爐進行氧化反應，如果兩種氣體流量比例進入爆炸范圍，可能引發生產事故。為此，必須對類似的生產過程中的物料流量比例進行控制。在需要保持比值關系的兩種物料中，必有一種物料處于主導地位，這種物料成為主物料，表中這種物料的參數（一般為流量）稱為主動量。用F!表示，而另一種物料按主物料進行配比，在控制過程中隨主物料而變化，因而稱為從物料，表征這種物料的參數稱為從動量，用F2表示。比值控制系統就是要實現從動量F2和主動量F1成一定的比值關系，滿足如下關開環比值控制開環比值控制系統是最簡

6、單的比值控制方案，它的控制原理圖及方框圖如下圖2.1所示：山）方塊圖圖2.1開環比值控制系統整個系統是一個開環控制系統。在這個系統中，隨著Fi的變化，F2將跟著變化，以滿足F2-KF1的要求。其實質乃是滿足控制閥的閥門開度和Fi之間成一定的比例關系。因此,當F2因管線兩端壓力波動而發生變化時，系統不起控制作用，此時難以保證F2和Fi間的比值關系。也就是說這種比值控制方案對副流量F2本身無抗干擾能力，只能適用于副流量較平穩且比值要求不高的場合。實際生產過程中，F2的干擾常常是不可避免的，因此生產上很少采用開環比值控制方案。單閉環比值控制單閉環比值控制系統是為了克服開環比值控制方案的不足，在開環比

7、值控制系統的基礎上，增加了一個副流量的閉環控制系統。如下圖2.2所示：（a雋理田方塊圖圖22單閉環比值控制系統從圖中可以看出，對于單閉環流量比值控制系統，穩定狀態下，從動量（副流量）滿足工藝要求的比值:器送到比值計算裝置,F2片=K。當主動量（主流量）變化時，其流量信號Fi經變送比值計算裝置則按預先設置好的比值使輸出成比例地變化，也就是成比例地改變副流量控制器的設定值，此時副流量閉環系統為一個隨動控制系統，從而使F2跟隨Fi變化，在新的穩定工況下，流量比值K保持不變。當副流量由于干擾發生變化時，副流量閉環系統就相當于一個定值控制系統，自行調節克服，使工藝要求的流量比仍保持不變。單閉環流量比值控

8、制系統的優點：它不但能實現副流量跟隨主流量的變化而變化，而且可以克服流量本身干擾對比值的影響，因此主副流量的比值較為精確。它的結構形式比較簡單，實施起來亦較為方便，所以得到廣泛使用，尤其適用于主物料在工藝上不允許進行控制的場合。本設計中的單閉環流量比值控制系統管道儀表流程圖圖2.3單閉環流量比值控制系統設計管道儀表流程圖兩種單閉環整定方法簡介:1.臨界比例帶法這種整定方法是在閉環情況下進行的。設Ti=：,Td=0,使控制器工作在純比例情況下，將比例帶由大逐漸變小（對應的比例系數Kc由小逐漸變大），使系統的輸出響應呈現等幅振蕩，如圖2.4所示，記錄此時的臨界比例度Ss。根據臨界比例帶Ss和振蕩周

9、期Ts（測取方法如圖2.4）,按表2-1所列的經驗算式，求取控制器的參考參數數值，這種整定方法是以得到4:1衰減為目標。表2-1臨界比例帶法整定控制器參數控制器參數控制器名稱SsTi(S)Td（s）P2SsPi2.2SsTs/1.2PID1.6Ss0.5Ts0.125Ts臨界比例帶法的優點是使用簡單方便，但此法有一定限制。從工藝上看，允許被控量能承受等幅振蕩的波動，其次是被控對象應是二階和二階以上或具有純滯后的一階以上環節，否則在比例控制下，系統是不會出現等幅振蕩的。2.衰減曲線法（阻尼振蕩法）在閉環系統中，先把控制器設置為純比例作用，然后把比例帶由大逐漸減小，加階躍擾動觀察輸出響應的衰減過程

10、，直至出現圖2-5所示的4:1衰減過程為止。這時的比例帶稱為4:1衰減比例帶，用Ss表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為4:1衰減周期Ts。根據Ss和Ts,運用表2-2所示的經驗公式，就可計算出控制器預整定的參數值。圖2.54:1衰減曲線法圖形表2-2阻尼振蕩法計算公式控制器參數控制器名稱S(%Ti(min)TD(min)PSSPI1.2Ss0.5TsPID0.8Ss0.3TS0.1Ts3系統控制器的正反作用方式一般說控制系統是由對象、檢測儀表、控制器、執行器四部分構成，而且是負反饋系統。一般有現場的各種檢測儀表它一般是正作用的，PID調節器是比例微分積分控制器，閥門定位器和閥門是在一起的，閥門屬于

11、執行器。閥門由于是由執行機構和控制機構組成，它有四種組合。控制系統的正反作用方向主要由控制器、執行器和對象決定。執行器因為包括執行機構和控制機構兩部分。正反作用反向為四種組合。序號執行機構控制閥氣動執仃器a正正氣關（正）b正反氣開（反）c反正氣開（反）d反反氣關（正）執行器（閥門的）氣開式一般式正作用方向，氣關式一般是反作用方向。對于被控對象當操作變量增加時，被控變量增加為正作用，反之為反作用。控制器的作用方向：當給定值不變，被控變量測量值增加時，控制器的輸出也增加，稱為“正方向”；或者當測量值不變，給定值減小時。控制器的輸出增加稱為“正方向”。反之稱為“反方向”。在這里被控變量是我們需要保持

12、恒定的工藝參數，比如溫度、壓力、流量等。要構成一個負反饋控制系統，如果已經確定了執行器、控制器好對象的方向。就根據正正為正，正反為反的預兆怒責確定控制系統的作用方向。閥門正反裝是它的安裝要求，而和控制系統的正反作用方向無關。閥門的氣開氣關：閥門在斷氣的情況下處于全關的狀態叫氣開，閥門在斷氣的情況下處于全開的狀態叫氣關；PID調節器的正反作用：輸入值和反饋信號做減法為反作用；做加法為正作用；執行機構的正反作用：氣源壓力由小變大時，閥門由關到開為正作用，反之為反作用；定位器的正反作用：輸入信號4mA時輸出氣壓最小，輸入信號是20mA時，輸出氣壓最大，這種情況為正作用；反之則為反作用；閥門的正裝反裝

13、：不知是指閥門的執行機構向上向下，還是只介質的流向和閥門的流向相同還是相反；正反作用閥門主要是針對閥門組的控制，同一個信號控制多個閥門，有的需要開有的需要關，只能選用不同作用的閥門來實現。我們討論閥門正反特性的時候，默認閥門作為一個完整的功能來討論的，而一個完整的閥門正反特性由閥門定位器、執行機構、閥門正裝反裝這3個串行元件的特性共同組成。閥門定位器作為控制回路中的一個串行元件，它的正反作用對于回路的正反作用當然有影響。我們所有的閥門在選型時都默認為正作用。從理論上說，智能電氣閥門定位器可以調校為正作用或者反作用，但是我們在做回路分析時，我們只是以閥門的特性為研究對象，即根據回路特性確定閥門為正作用或者反作用，如果閥門定位器選擇反作用，那么也就意味著閥門的執行機構和閥門結構正反作用要調整，也就是說，閥門從結構上做不到氣源故障安全位置。第六部分：參考文獻陳夕松，汪木蘭過程控制系統北京：科學出版社,20