目錄TOC\o"1-5"\h\z1 引言 22系統(tǒng)變量的確定 23控制方案的確定 24被控對象的特性 35調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的確定 5PID調(diào)節(jié)原理 5PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 6各個環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)及各個參數(shù)的確定 6整定過程 76儀表的選型 106.1調(diào)節(jié)器的選用 10執(zhí)行器的選擇 116.3液位變送器 127總結 14一引言在一般的化工實驗和生產(chǎn)過程的自動控制中，常要進行液位的控制。根據(jù)工藝要求需要連續(xù)控制容器內(nèi)流入和流出物料的平衡情況，使液位保持在工藝要求的范圍內(nèi)。本題目選用雙容水箱作為控制對象，控制方案采用單回路控制，單回路控制系統(tǒng)又被稱為簡單控制系統(tǒng)，它是由一個被控對象、一個檢測元件及傳感器（或變送器）、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的控制對象圖如下：圖1.1二系統(tǒng)變量的確定在定性地確定目標后，通常需要用工業(yè)過程的被控變量來定量的表示控制目標，被控變量也是工業(yè)過程的輸出變量，根據(jù)被控變量的選用原則，這里選擇水箱2的液位高度H2作為被控變量。工業(yè)過程的輸入變量有兩類：控制（或操作）變量和擾動變量。在生產(chǎn)過程中，干擾是客觀存在的他是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的因素，而操作變量是克服干擾的影響，是控制系統(tǒng)重新穩(wěn)定運行的因素。因此，正確選擇操作變量可是控制系統(tǒng)有效克服干擾的影響。本題中選擇水箱1的入水管流量Q1為操縱變量三控制方案的確定本題選用單回路控制，單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，它的結構簡單，易于分析設計，并且能滿足一般生產(chǎn)過程的控制要求，因此在生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應用。系統(tǒng)方框圖如下：擾劫、繪宅— 1 —S調(diào)節(jié)器f電動閥—?上小水箱—?下小水箱丁_ 圖3.1四被控對象的特性輸入變量q1,輸出變量q2時,雙容對象的動態(tài)特性描述如下:根據(jù)物料平衡關系對水箱1：q-q=A虬,q=上兩式經(jīng)拉氏變換得1 2 1dt2R2Q(s)-Q(s)=AsH(s),Q(s)=Hi(()1 2 1 1 2 R2對水箱2:經(jīng)拉氏變換得q-q=A絲，q=匕經(jīng)拉氏變換得2 3 2dt3R3Q(s)-Q(s)=AsH(s),Q(s)=H^2 3 2 2 3 R2由(1)、(2)兩式得此雙容對象的動態(tài)特性:H2(s)=KQ1(s) (T1s+1)(T2s+1)式中：A1,A2 兩液槽的容量系數(shù)R,R 閥2,3的阻力系數(shù)T=A1R2 水箱2的時間常數(shù)T=AR 水箱3的時間常數(shù)

雙容對象的比例放大系數(shù)K=R3雙容對象的比例放大系數(shù)若雙容對象調(diào)節(jié)閥1開度所引起的流入量還存在純延遲，則其傳遞函數(shù)可推導為：H2(s)二K tQ1(s) (T1s+1)(T2s+1)'如圖1所示，被控對象是由兩個水箱串聯(lián)連接，由于有兩個儲水的容積，故稱其為雙容對象。被調(diào)量是下水箱的液位，當輸入量有一階躍增量變化時，兩水箱的液位變化曲線如圖2所示。由圖2可見，上水箱的響應曲線為一單調(diào)的指數(shù)函數(shù)，下水箱液位的響應曲線呈S形狀。顯然，多了一個水箱，液位響應就更加滯后。由S型曲線的拐點P處做一切線，它與時間軸的交點為A，OA則表示了對象響應的滯后時間，雙容對象兩個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)可按下述方法來確定。在圖4.1所示的階躍響應曲線上求取：h(t)=0.4h(s)時曲線上的占B和對應的時間L-2 1 2 1,h(t)=0.8h(s)時曲線上的占C和對應的時間t22 2 2然后，利用下面的近似公式計算式Kh(s)輸入穩(wěn)態(tài)量=R°—階躍輸入量t+t2.16TT t———一=(1.74—-0.55) 0.32<t/1<0.46(T+T)2 12 12由上述兩式中即可求出T和由上述兩式中即可求出T和T，從而最終確定雙容對象的傳遞特性。圖4.1上下水箱階躍響應特性曲線五調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的確定本設計采用工業(yè)設計中最常用的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律即比例積分微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。5.1PID調(diào)節(jié)原理圖5.1PID控制基本原理圖PID控制器是一種線性負反饋控制器，根據(jù)給定值r(t)與實際值y(t)構成控制偏差：e(t)=r(t)-y(t)。PID控制規(guī)律為：U(t)=Kp[e(t)+—je(t)+Td^^]Ti dt0或以傳遞函數(shù)形式表示:w（s）=四里=kp（1+—+Tds）E（s） Tis式中，KP:比例系數(shù)TI:積分時間常數(shù)TD:微分時間常數(shù)PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：比例控制（P）：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系，能較快克服擾動，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。但當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（2） 積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差的累積取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會越大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。但是過大的積分速度會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。（3） 微分控制（D）：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）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。所以在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，在這里采用比例積分控制，其中比例環(huán)節(jié)可以顯著改善系統(tǒng)性能，積分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)余差。特別對于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對象，比例積分控制能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。具體確定過程見參數(shù)整定。5.2PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定（1）各個環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)及各個參數(shù)的確定雙容液位對象:水箱1的時間常數(shù)T1=5min水箱2的時間常數(shù)t2=10min雙容液位對象的比例放大系數(shù)K=0.5調(diào)節(jié)閥近似為比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)K=2

測量變送環(huán)節(jié)同樣近似為比例系數(shù)為1的比例環(huán)節(jié)(2)整定過程控制方框圖：圖5.1只考慮比例控制，令比例放大系數(shù)K=5,t=s，Td=0圖5.2

由圖中可以看出，系統(tǒng)響應曲線為衰減振蕩曲線，響應的超調(diào)量有些大.減小比例系數(shù)放大，令比例放大系數(shù)K=1,t=s，Td=Q圖5.3由圖中可以看出系統(tǒng)響應曲線振蕩減弱，超調(diào)量減小.但是相應系統(tǒng)余差在增大，因此有必要引入積分控制以消除余差.令比例放大系數(shù)K=1,t=0.08,T=0

圖5.4引入積分環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)余差被消除,超調(diào)量很小。令比例放大系數(shù)K=1,t=0.08,T=1,系統(tǒng)動態(tài)響應如下:

圖5.55.3綜上所述，系統(tǒng)控制規(guī)律采用比例積分控制可以得到較為優(yōu)良的系統(tǒng)動態(tài)響應特性。增加微分環(huán)節(jié)后系統(tǒng)特性改善不明顯，微分時間選擇不當還會造成系統(tǒng)的振蕩。因此調(diào)節(jié)規(guī)律采用比例積分控制。六儀表的選型6.1調(diào)節(jié)器的選用調(diào)節(jié)器選擇SZD-B型單沖量液位調(diào)節(jié)儀，這種液位調(diào)節(jié)儀為P1連續(xù)給水調(diào)節(jié)裝置，主要適用于1?35Th/,壓力＜2.5Mpa的各種鍋爐鍋筒水位自動調(diào)節(jié)。圖6.1主要技術參數(shù)1、 適用介質(zhì)：非腐蝕性液體比重＞0.82、 工作壓力：傳感器＜2.5Mpa3、 使用溫度：傳感器＜250^儀表0?50°C4、 電源電壓：AC220V±10%,50Hz±2%5、 液位顯示范圍：-50?+50mm或±50mm（可調(diào)）6、 蒸汽流量輸入信號：0?10mA或4?20mA7、 閥位反饋信號：0?10mA或4?20mA（DKZ310或DKJ310）電位器（ZAZ執(zhí)行器）8、 液位輸出信號：0?10mA（對應液位-50?+50mm或0?100mm）負載＜1.5KQ（對應信號0?10mA）9、 報警觸點輸出：?220V,5A開關閥觸點輸出：?220V,5A10、 傳感器法蘭中心距：300±2,350±2,400±2,440±2mm（選用規(guī)格）11、 調(diào)節(jié)閥通徑：Dg16,Dg20,Dg32,Dg40（選用規(guī)格）6.2執(zhí)行器的選擇本題目系統(tǒng)中執(zhí)行器為電動調(diào)節(jié)閥，在這里選用FNZDLP智能型電子式精小型調(diào)節(jié)閥，他接受來自調(diào)節(jié)儀表及計算機等單元的電信號或操作單元的手動信號，并根據(jù)此信號的大小來自動控制閥的開度，從而達到對溫度、壓力、液位、流量等參數(shù)的調(diào)節(jié)。智能型電子式精小型調(diào)節(jié)閥由3810L系列智能型電子式電動執(zhí)行器通過支架與單座、套筒調(diào)節(jié)閥連接在一起組成。當輸入端無信號時，執(zhí)行器穩(wěn)定在預選的零位，調(diào)節(jié)閥處于全開或全閉的位置，執(zhí)行器的輸出軸通過開和螺母與調(diào)節(jié)閥的閥桿相連，當輸入端有信號時輸出軸即通過輸入信號按一定比例處在一定的位置，調(diào)節(jié)閥即處于所需開度，從而達到了調(diào)節(jié)和控制的目的。智能型電子式精小型調(diào)節(jié)閥分為電開式和電閉式兩種，通過選擇電子式電動執(zhí)行器的正、反作用開關來實現(xiàn)電開式和電閉式調(diào)節(jié)。表6.1I、FNZOIpLh智能些回.子式電動精小型調(diào)七調(diào)的規(guī)格和主要技術參數(shù)I見表I)表I公稱通徑仍 20 25 40 50 65 ㈱ 100150 200直技1S2.54,46S11 17.527.5 44 59HO176額定流2753W544等百呈系數(shù) 162.5 4 63 10 18 254a53IQQ160分比2503W434額定行程rim IB 25 4060公稱壓力PH 16、4口、64同有流童恃惜 直踐、等百分比固有可婿比 50f1詢?nèi)胄盘杕A DC4-20mA或DC1-5V相對濕度 95制以'下電源壓力 AC220V50He州詩環(huán)境溫度T -10-+60介質(zhì)溫度匚 -20-+200.-40-+250.-40-+^50.-60—-M502FN2DLP 智睡電子式回動精小型調(diào)節(jié)閥的主要性在參數(shù)(見表”表？基本誤差 ±2.5%TOC\o"1-5"\h\z回 羞 10',死 區(qū) 3.0'單座閥，1UF閥的額定容量'俯* 套筒閥：1丁％祠的額定容最額定行程偏差 實調(diào)行程孑顛定行程^定流量系救偏差 ±10好固有流景特性 斜率士跚％6.3液位變送器變送器選擇1151/3051LT法蘭式液位變送器，該產(chǎn)品具有設計原理先進、品種規(guī)格齊全、安裝使用簡便等特點。由于該機型外觀上完全融合了目前國內(nèi)最為流行，并被廣泛使用的兩種變送器（羅斯蒙特3051與橫河EJA）的結構優(yōu)點，讓使用者有耳目一新的感覺，同時與傳統(tǒng)的系列產(chǎn)品在安裝上可直接替換，有很強的通用性和替代能力。為適合國內(nèi)自動化水平的不斷提高和發(fā)展，該系列產(chǎn)品除設計小巧精致外，更推出具有HART現(xiàn)場總線協(xié)議的智能化功能。1151/3051LT型法蘭式液位變送器，可對各種容器進行精確的液位和密度測量，有平法蘭和插入式法蘭供選擇，法蘭有3英寸或4英寸，規(guī)格有1501b和3001b的法蘭，也可根據(jù)用戶定制法蘭，法蘭膜片材料可選。圖6.2智能型特點：?超級的測量性能，用于壓力、差壓、液位、流量測量?數(shù)字精度：+（-）0.05%?模擬精度:+（-）0.75%+（-）0.1%F.S?全性能：+（-）0.25F.S?穩(wěn)定性：0.25%60個月?量程比：100：1?測量速率：0.2S?小型化（2.4kg）全不銹鋼法蘭，易于安裝?過程連接與其它產(chǎn)品兼容，實現(xiàn)最佳測量?世界上唯一采用H合金護套的傳感器（專利技術），實現(xiàn)了優(yōu)良的冷、熱穩(wěn)定性?采用16位計算機的智能變送器?標準4-20mA，帶有基于HART協(xié)議的數(shù)字信號，遠程操控?支持向現(xiàn)場總線與基于現(xiàn)場控制的技術的升級。測量范圍差壓：0~1.3-1MPa選型方式：表6.21151/3051LT法蘭式液位變送器代碼量程范圍30-1.3?7.5KPa40-4-40KPa50-40?200KPa60-0.16KPa?1MPa7總結為期兩周的課程設計結束了，這次的課程設計讓我收獲很多。我對《過程裝備控制技術及應用》這門課程知識零散的理解，通過這次的課程設計，我對這門課程的認識有了質(zhì)的變化，以前感覺只是對每個知識點單獨的學習，通過這次課程設計，我把整本書上下內(nèi)容聯(lián)系了起來。這次課程設計對我們的能力要求有了進一步的提高，老師