过程控制专业课程设计流量比值控制.doc

一．设计任务分析
1.1设计任务描述
在理解、熟悉和掌握双闭环流量比值控制系统工艺流程和生产过程静态和动态特性基本之上，依照生产过程对控制系统所提出安全性、经济性和稳定性规定，应用控制理论对控制系统进行分析和综合，最后采用计算机控制技术予以实现。
1.2设计目
通过对一种完整生产过程控制系统课程设计，使咱们进一步加深对《过程控制系统》课程中所学内容理解和掌握，提高咱们将《过程检测与控制仪表》、《自动控制原理》、《微机控制技术》和《过程工程基本》等课程中所学到知识综合应用能力。锻炼学生综合知识应用能力，让学生理解普通工程系统设计办法、环节，系统集成和投运。从而培养学生分析问题和解决问题能力。
1.3设计规定
1.从构成、工作原理上对工业型流量传感器、执行机构有一深刻理解和结识。
2.分析控制系统各个环节动态特性，从实验中获得各环节特性曲线，建立被控对象数学模型。
3.依照其数学模型，选取被控规律和整定调节器参数。
4.在Matlab上进行仿真，调节控制器参数，获得最佳控制效果。
5.理解和掌握自动控制系统设计与实现办法，并在THJ-2型高档过程控制系统平台上完毕本控制系统线路连接和参数调试，得到最佳控制效果。
6.分析仿真成果与实际系统调试成果差别，巩固所学知识。
1.4本次设计详细规定
1.控制电磁阀开度实现流量单闭环PI调节。
2.通过变频器控制电磁阀运营实现流量单闭环PI调节
3.用比例控制系统使副回路流量跟踪主回路流量，满足一定工艺生产规定
二． 总体设计方案
2.1方案论证
依照实际生产状况，比值控制系统可以选取不同控制方案，比值控制系统控制方案重要有开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统几种。
方案一：
单闭环控制系统原理设计系统框图如图2.1所示。
检测/变送器1

控制器
变频器
泵
检测/变送器2

比值器
-
KCL
H₂SO₄

图2.1 单闭环流量比值控制系统原理图
单闭环流量比值控制系统与串级控制系统相似，但功能不同。可见，系统中没有主对象和主调节器，这是单闭环比值控制系统在构造上与串级控制不同地方，串级控制中副变量是调节变量到被控变量之间总对象一种中间变量，而在比值控制中，副流量不会影响主流量，这是两者本质上区别。
方案二：
在单闭环控制系统基本上，增长一种主流量闭环控制系统，单闭环比值控制系统就成为双闭环比值控制系统，其方框图如图2.2所示。

KCL
H₂SO₄

-
+
-
+
主控制器
螺旋输送机变频器
螺旋输送机
检测/变送器1
比值器
副控制器
硫酸泵变频器
硫酸泵
检测/变送器2

图2.2 双闭环流量比值控制系统原理图
双闭环较之于单闭环而言更加复杂，选用设备也更多，但对于实际生产，生产效率和质量十分重要，因而对系统稳定性和精准度规定较高。双闭环比值控制系统能实现积极量抗扰动、定植控制，使主、从动量均比较稳定，从而使总物料也比较平稳，这样，系统总负荷也将是稳定。
通过度析，当系统处在稳态时，比值关系是比较精准；在动态过程中，比值关系相对而言不够精准。此外，如果主流量处在不变状态，副流量控制系统又相称于一种定值控制系统。
方案二双闭环流量比值控制系统，是在主流量也需要控制状况下，增长一种主流量闭环控制系统构成，由于增长了主流量闭环控制系统，主流量得以稳定，从而使得总流量能保持稳定。
双闭环比值控制系统重要应用于总流量需要经常调节场合。如果没有这个规定，两个单独闭环控制系统也能使两个流量保持比例关系，仅仅在动态过程中，比例关系不能保证。

2.2 方案选取
通过方案论证可知，单闭环流量比值控制系统合用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料间比值规定较精准生产过程。而双闭环流量比值控制系统合用于主副流量扰动频繁，负荷变化较大，同步保证主、副物料总量恒定生产过程。
该设计针对控制对象，主流量选取为氯化钾液体，而副流量则选取是硫酸液体，实际生产中，由于这两种化学成分并不十分稳定，因而也许导致扰动频繁，并且属于负荷变化较大。
通过度析，选取方案二双闭环流量比值控制系统来设计该生产控制系统更为适当。
2.3双闭环比值控制系统构造
在当代工业生产过程中，经常遇到生产工艺规定两种或各种物料流量成一定比例关系问题，一旦比例失调，就会影响生产正常进行，影响产品质量，挥霍原料，消耗动力，导致环境污染，甚至产生生产事故。如硝酸生产中氨氧化炉，其进料是氨气和空气，两者流量必要具备一种适当比例，由于氨在空气中含量，低温时在15～28％之间，高温时在14～30％之间均有也许产生爆炸危险，严格控制其比例，使其不进入爆炸范畴，对于安全生产来说十分重要。这种用来实现两个或两个以上参数之间保持一定比值关系过程控制系统，均称为比值控制系统。
本设计被控对象为电动阀支路流量和变频器－磁力泵支路流量，每个支路上分别装有流量传感器对支路流量进行测量，电动阀支路流量是系统积极量Q1，变频器—磁力泵支路流量是系统从动量Q2。规定从动量Q2能跟随积极量Q1变化而变化，并且两者间保持一种定值比例关系，即Q2／Q1＝K，同步规定保证积极量与从动量保持总量恒定。
双闭环比值控制系统构造图，如图2.3
给定值
扰动
调节器1
电动阀
管道
流量变送器1
调节器2
变频器
磁力泵
管道
K
流量变送器2

扰动
Q2（流量）
Q1（流量）

图2.3双闭环比值控制系统构造图
2.4双闭环比值控制系统特点与分析
双闭环比值控制系统能实现积极量抗扰动、定值控制，使从动量均比较稳定，从而使总物料也比较平稳，这样，系统总负荷也将是稳定。
双闭环比值控制系统另一长处是升降负荷比较以便，只需缓慢变化积极量控制给定值，这样从动量自动跟踪升降，并保持本来比值不变。
双闭环比值控制系统中两个控制回路是通过比值器发生联系，若除去比值器，则为两个独立单回路系统。事实上，若采用两个独立单回路系统同样能实现它们之间比值关系，但只能保证静态比值关系。当需要实现动态壁纸关系时，比值器就不能省。
双闭环比值控制所用设备较多、投资较高，并且运营投入比较麻烦，只有在工业特定规定（如严格控制两种物料比例）状况下使用。
三． 实验装置阐明及使用
3.1系统简介
“THJ-2型高档过程控制系统实验装置”是基于工业过程物理模仿对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体多功能实验装置。该系统涉及流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈—反馈控制，比值控制，解耦控制等各种控制形式。
3.2系统构成
本实验装置由被控对象和控制仪表两某些构成。系统动力支路分两路：一路由三（380V交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀构成；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀构成。
压力传感器、变送器：采用工业用扩散硅压力变送器，含不锈钢隔离膜片，同步采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱液位进行检测，其精度为0.5级，由于为二线制，故工作时需串接24V直流电源。
温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管水温。通过调节器温度变送器，可将温度信号转换成4～ 20mADC电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。
流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对电动调节阀支路、变频支路及盘管出口支路流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10，流量范畴：0～1.2m3/h，精度：1.0%。输出：4～20mA原则信号。本装置用了三套涡轮流量传感器、变送器。
电动调节阀：采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具备精度高、控制单元与电动执行机构一体化、操作以便等长处，控制信号为4～20mA DC或1～5V DC，输出4～20mA DC阀位信号，使用和校正非常以便。
变频器：本装置采用日本三菱变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，～220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。
水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。本装置采用两只磁力驱动泵。一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。
可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA原则电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉温度。
电磁阀：在本装置中作为电动调节阀旁路，起到阶跃干扰作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃。
图3.1装置总貌图

3.3 操作前准备
实验前，要对被控对象及其控制系统所涉及仪器仪表有清晰结识。
先将储水箱中贮足水量，电动调节阀可以通过阀F1-1、磁力泵、F1-2、F1-8流至下水箱。变频器—磁力泵支路可以通过阀F2-1、变频器控制磁力泵、阀F2-5流至下水箱。两个支路流量传感器分别为FT1与FT2。详细管道开关及器件位置如图所示：

图3.2管道开关及器件位置图
AI智能调节仪1设立参照：;Sn=33;CF=0;ADDR=1;SV=15；diH=100;dil=0；调节仪2：Sn=32;CF=8;ADDR=2；diH=100;dil=0;
电动调节阀使用：电动阀上电后切不可用手来旋转黑色手轮，断开控制信号后，阀位有保持功能，也不可旋转手轮，只有在断开AC220V后，才可使用手动，在普通状况下不必手动。
3.4 控制面板接线阐明
控制面板如图3.3所示

图3.3控制面板图
①强电某些：三相电源输出u、v、w 接到380v磁力泵输入u、v、w端；变频器输出端A、B、C接到220v磁力泵输入A、B、C端；单相ⅠL、N并联接到调节仪1和调节仪2L、N端；单相ⅡL、N端接到电动调节阀电源L、N端；单相ⅢL、N端接到比值器电源L、N端；
②弱电某些：电动阀支路流量FT1信号并联接到调节仪11、2输入端和比值模块电压输入1+、-端，比值模块电压输出+、-端相应接到调节仪21、2端，FT2信号+、-端相应接到调节仪23、2输入端；调节仪1输出7、5端相应接到电动调节阀控制信号+、-端，调节仪2输出7、5端相应接到变频器4～20mA控制信号输入+、-端，变频器STF端、SD端和RH端短接；24v电源输出+、-端接到流量计电源输入+、-端。
变频器使用：启动变频器后，其批示灯会自动工作在“EXT”外部控制状态下，当咱们设立好参数（P30=1，P53=1，P62=4）选取正转（将STF和SD短接）再将DC4~20mA控制信号给到变频器信号输入端子去，就可以自动控制了，其中0~5V电压输入不可用。
手动控制频率时，可在控制信号线和正反转短接线都拔下状况下，按下“PU/EXT”按钮，就可将变频器工作状态从EXT切到PU状态下，将频率调到某一值，按下“SET”键，这时会有F和设定值交替闪烁3秒状态，表达设定成功，按下“RUN”键，变频器会自动运营到设定频率，在运营状态下，可通过旋转频率设定器来调节当前运营频率。注意切不可在变频器带电机运营时，拔下任一根强电输入输出线，导致变频器在运营状态下突然断电或电机缺相，先将变频器停止（按下“STOP” ）键，再在断开变频器输入电源状况下接线。
磁力驱动泵1为380V磁力驱动泵，磁力驱动泵2为220V磁力驱动泵。本实验采用变频器控制泵打水，因此用到泵为220V磁力驱动泵，启动实验设备前谨记保证F2-1阀门处在打开状态。
AI智能调节仪某些设立参数解释：
Sn（输入规格）
Sn=32：0.2—1V（100mV-500mV）
Sn=33：1-5V电压输入
dip（小数点位）
dil（输入下限显示值）
dih（输入上限显示值）
oPL（调节器输出下限值）
oPH（调节器输出上限值）
CF（系统功能选取）
CF=0为反作用调节方式
CF=8为有分段功能限制功能反作用调节方式
Addr（通讯地址）
run（运营状态及上电信号解决）
run=0手动调节状态
run=1自动调节状态
四． 单回路参数整定
由于电动阀跟变频器控制下磁力泵过程传递函数是未知，因而咱们必要对这测出这两个被控对象特性。
4.1 被控对象特性测试办法
通过度析建模可知，其数学模型为：=
若令Q1(s)作为阶跃扰动，即Q1(s)=，
则H（S）=×=K-
对上式取拉氏反变换得h(t)=KX0(1-)

式中T=RC位时间常数，K为放大系数。
当t→∞时,h(∞)=KX0，因而有K=h(∞)/X0.
当t=T时，则有：h(T)=KX0(1-e-1)=0.632KX0=0.632h(∞)
由上可知一阶惯性环节响应曲线是一单调上升指数函数，如图7所示。当由实验求得图4.1所示阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值63%。所相应时间，就是时间常数T。

图4.1阶跃响应曲线
4.2 电动阀传递函数测试
图为电动阀输入与输出特性方框图：
电动阀
流量变送器1
管道
手动输出
相应曲线

图4.2电动阀输入与输出特性方框图
在t0时给电动阀输入量，得出相应曲线。如图4.3所示

图4.3 电动阀输入量特性曲线图
当t—>∞时，h（∞）=K，因而有K=h（∞）/ =输出稳态值/阶跃输入。故K=3.7668/0.4=9.41
为了以便计算(t1)=0.39，(t2)=0.63,则可得

可求得=1.572s

而H(S)=
故H(S)=
4．3 变频器——磁力泵传递函数测试
图为变频器——磁力泵输入与输出特性方框图：

图4.4磁力泵输入与输出特性图
与电动阀传递函数相似，得出其相应曲线如图4.5所示：

图4.5 磁力泵输入与输出特性曲线图
同理，当t—>∞时，h（∞）=K，因而有K=h（∞）/ =输出稳态值/阶跃输入。故K=6.3229/0.4=15.807
为了以便计算(t1)=0.39，(t2)=0.63,则可得

可求得=2.88s

而H(S)=
故H(S)=
4．4用MATLAB进行仿真
如图4.6所示为电动阀、变频器——磁力泵两个回路在MATLAB仿真：

图4.6 MATLAB仿真原理图
其中两个回路比例度&分别为40%和50%，I值都为0.5，仿真响应曲线如图4.7和图4.8所示：

图4.7主变量流量曲线图 图4.8副变量流量曲线图阐明：左图为电动阀回路相应曲线，右图为变频器——磁力泵响应曲线，图中对Y轴上进行了放大，以更好地显示波形在1附近变化状况，由观测可得，这种PI设立基本可以使响应曲线稳定在1左右。
五． 比值控制系统参数调节
5.1比值系数计算
设流量变送器输出电流与输入流量间成线性关系，当流量Q由0→Qmax变化时，相应变送器输出电流为4→20mA。由此可知，任一瞬间积极流量Q1和从动流量Q2所相应变送器输出电流分别为
I1=
I2=
式中Q1max和Q2max分别为Q1和Q2最大流量值。
设工艺规定Q2/Q1=K，则式（1）可改写为
Q1=Q1max
同理式（2）也可改写为
Q2=Q2max
于是求得
=
折算成仪表比值系数为：
K′ = K

5.2 比值控制系统参数整定
按单回路镇定办法分别镇定调节器1、2PID参数，但在详细操作中先整定调节器1参数，待主回路系统稳定后，在整定从动回路中调节器2（CF=8，即外给定）参数。
在主回路运用上面提到PI值，输出流量调剂时间稍长，系统在长时间运营后来有一点偏差，因而稍为减小P作用，恰当加大I值。依照工艺规定，从余差、衰减率、最大偏差、过渡时间考虑设立，主从回路PI现场整定如下表所示：

比例度&（%）
积分值I
电动阀调节器1
60
0.25
变频器——磁力泵回路调节器2
70
0.25
六． 成果分析
6.1给定阶跃响应曲线

图6.1给定阶跃响应曲线图
图6.1为主回路曲线，红线表达给定值变化，从给定流量20上升到30作为输入，绿线表达输出值变化，由图可以看出输出值在输入值变化一段时间后能自动跟踪输入值，并且偏差不大，基本符合规定。

图6.2从动回路曲线图
图6.2为从动回路曲线，红线是自动跟踪主回路输出值作为从动回路输出值，实现自动控制。在比例控制系统中，采用了K=1比值控制，因而主回路输出值与从动回路输出值比值为1：1。紫色线是从动回路输出量，由图能清晰地看到输出流量基本与输入值重叠，从动回路迅速性较好。变化K大小，能变化系统两种流量比值。
6.2加入扰动时响应曲线

图6.3加入扰动时响应曲线图
加入扰动后来，系统电动阀在流量信号反馈前保持本来开度，因而图形浮现一定波动，在输入量不变状况下，系统能不久地进行自动调节，最后达到平衡状态。

图6.4
在主回路输出Q1浮现波动状况下，影响了从动回路输入量，导致输出量跟随输入量Q1变化，当Q1稳定是，Q2也不久地趋于稳定。
6.3双闭环比值控制系统实际操作调试成果

图3-4-3 双闭环比值控制系统实际操作调试成果
6.4双闭环比值控制系统实际操作输出曲线

图3-4-3 双闭环比值控制系统实际操作输出曲线
七． 心得体会
本次课程设计，通过教师悉心指引和同窗们互相配合跟互相协助，顺利完毕了本次设计，这次课程设计，收获了诸多，在查阅有关资料时候，学到了许多课本以外应用性知识。在整个课程设计过程中，接触到了此前从来都没有接触过设备。学习了新设备运用。通过2个星期学习与调试，基本完毕双闭环流量比值控制。这两星期中浮现过诸多诸多问题，如特性曲线显示不平稳，锅炉加热管烧坏，两条回路比例无法调节等问题，通过逐个检查，排除障碍，最后得到实验成果。通过这次课程设计，使我对THJ-2型高档过程控制系统实验装置有了基本理解，对过程控制技术原理及应用有了个进一步理解，对单回路控制，比值控制，双闭环回路控制有了进一步进一步研究。加强了我对过程控制技术结识，明白了过程控制系统技术在实际应用重要性。

八．参照文献
[1] 王再英，刘淮霞，陈毅静.过程控制系统与仪表[M].北京：机械工业出版社，
[2] 卲裕深，戴先中 .过程控制工程. 北京：机械工业出版社，.5
[3] 孙炳达.自动控制原理.北京：机械工业出版社，.8