过程控制完成版.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 过程控制系统过程控制系统课程设计 论文 课程设计 论文 题目题目 油品油品 汽油汽油 管道调和系统的设计管道调和系统的设计 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 测控测控082082 学学 号 号 080301041 学生姓名 学生姓名 赵宇恒赵宇恒 指导教师 指导教师 霍春宝霍春宝 起止时间 起止时间 2011 12 19 2011 12 302011 12 19 2011 12 30 本科生课程设计 论文 I 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 测控技术与仪器 学 号080301041学生姓名赵宇恒专业班级测控082班 设计题目油品 汽油 管道调和系统的设计 课程设计 论文 任务 设计任务设计任务 管道调和是石油炼油厂储运系统中的一个重要组成部分 油品调和直接决定着油品的 质量 影响销售价格和工厂的经济效益 为了获得较大的经济效益 一般对产品质量要求 严 不仅对组分油质量要求稳定 同时对油品调和精度要求也高 调和比控制严格 而且 根据不同产品需要经常变化 调和工艺要求采用管道自动调和 既缩短了调和时间 也提 高了经济效益 试设计汽油管道调和系统 在重整汽油和催化汽油中 加入 CMT 环戊二 烯三羰基锰 的添加量 可提高辛烷值 2 3 个单位 设计要求 设计要求 1 确定控制方案并绘制原理结构图 方框图 2 选择传感器 变送器 控制器 执行器 给出具体型号和参数 3 确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式 4 若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图 5 按规定的书写格式 撰写 打印设计说明书一份 设计说明书应在 4000 字以上 技术参数 技术参数 1 提高辛烷值 2 3 个单位 汽油与 CMT 比例 10000 1 2 汽油流量范围 0 1t s 3 控制精度 0 1 级最大偏差 5 工作计划 1 布置任务 查阅资料 理解掌握系统的控制要求 2 天 分散完成 2 确定系统的控制方案 绘制原理结构图 方框图 1 天 实验室完成 3 选择传感器 变送器 控制器 执行器 给出具体型号和参数 2 天 分散完成 4 确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式 实验室 1 天 5 上机实现系统的模拟运行 答辩 3 天 实验室完成 6 撰写 打印设计说明书 1 天 分散完成 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 II 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 本科生课程设计 论文 III 摘 要 比例控制系统是最为常见的控制系统 要求保持两种或多种物料按一定比例 关系混合在一起 主要由流量变送器 调节器 执行器 被控对象四个部分 本 设计采用单闭环比值控制系统 流量变送器的值给入比值器 K 再给入控制器 被控管道的流量也通入控制器 最终一同控制调节阀开度 从而控制被控管道流 量大小 关键词 流量变送器 执行器 控制器 单闭环控制系统 本科生课程设计 论文 IV 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 过程控制技术的发展 1 1 2 管道调和技术的发展 1 第 2 章 方案论证 3 2 1 任务分析 3 2 2 开环比例控制系统 3 2 3 单闭环比例控制系统 3 第 3 章 仪表选型 5 3 1 流量变送器的选择 5 3 2 执行器的选择 5 3 3 控制器的选择 6 3 4 控制规律的选择 6 3 5 控制器的正 反作用的选择 8 第 4 章 系统仿真 9 4 1 PID 对控制的影响 9 4 2 PID 控制器的参数整定 9 第 5 章 设计总结 12 参考文献 13 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 过程控制技术的发展 过程控制通常是指连续生产过程的自动控制 是自动化技术最重要的组成部 分之一 其应用范围覆盖石油 化工 制药 生物 医药 水利 电力 冶金 轻工 纺织 建材 核环境等许多领域 在国民经济中占有极其重要的地位 过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数进行控制 使其保持恒定或 按一定规律变化 在保证产品质量和生产安全的前提下 使连续型生产过程自动 地进行下去 连续生产过程的特征是 呈流动状的各种原料中连续流动过程中 伴随着物理变化 化学反应 生化反应 物质能量的转换与传递 连续型生产过 程常常要求苛刻的工艺条件 如高温 高压等 现场存在易燃 易爆或有害泄漏 等危险 生产条件恶劣 需要有保护人身与生产设备安全的特别措施等 在大型 的连续生产系统中 影响生产过程的因素和条件一般不止一个 各自所起到作用 也不同 这就决定了过程控制的复杂性和多样性 鉴于控制过程复杂多样 过程控制方案种类丰富 过程控制系统有多种分 类方法 按所控制的参数来分 有温度控制系统 压力控制系统 流量控制系统 等 按控制系统所处理的信号方式来分 有模拟控制系统与数字控制系统 按控 制器类型来分 有常规仪表控制系统与计算机控制系统 而计算机控制系统还可 分为 DDC DCS 和现场总线控制系统 FCS 按控制系统的结构和所完成的功 能来分 有串级控制系统 均匀控制系统 自适应控制系统等 按控制规律来分 有比例控制 比例积分控制 比例微分控制 比例积分微分控制系统等 按控制 系统组成回路的情况来分 有单回路与多回路控制系统 开环与闭环控制系统 按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等 以上的分类方法只反映了 过程控制某一方面的特点 到底采用哪种分类方法并无原则性的规定 下面介绍 两种常见的分类方法 按设定值的形式不同分为定制控制系统 随动控制系统 程序控制系统 按系统的结构特点分为反馈控制系统 前馈控制系统 前馈 反 馈复合控制系统 1 2 管道调和技术的发展 本科生课程设计 论文 2 管道调合技术就是用炼厂生产的一些国标或非标油品 油田生产中产生的轻 烃 凝析油 及化工产品经过精制装置精制处理后 辅以一些添加剂 调合成符 合客户要求的国标汽 柴油 以达到最大程度降低成本 节约石油资源的一门应 用技术 在我国 每年都有生产几百吨石脑油产品 由于石脑油辛烷值低 RON 只有 40 60 左右 除小部分进入重整装置生产高辛烷值汽油组份外 大部分石 脑油只能以乙烯裂解原料出售 价格低且不稳定 如果我们采取调合技术 将石脑 油通过精制脱去硫 并与高辛烷值组份混合 再加入抗爆剂 就可调合出 90 和 93 汽油 这就可以为国家节约数量可观的石油资源 本科生课程设计 论文 3 第 2 章 方案论证 2 1 任务分析 本次设计为油品调和 汽油与催化剂通过一定的比例相混合 要求精度高 比例可以自由控制 本设计一共设计了两种方案 一种开环比例控制系统 一种 是单闭环比例控制系统 2 2 开环比例控制系统 开环比例控制系统是最简单的比例控制方案 图 2 1 使其原理图 Q1 是主 流量 Q2 是副流量 当 Q1 变化时 通过流量变送器 FT 检测主物料流量 Q1 由 控制器 FC 及安装在从物料管道上的执行器来控制副流量 Q2 使其满足 Q2 KQ1 的要求 图 2 1 开环比值控制系统 该系统副流量无抗干扰能力 当副流量管线压力等改变时 就不能保证所要 求的比值 虽然结构简单 投资少 基本满足要求 但也不能选用此系统 2 3 单闭环比例控制系统 单闭环比例控制系统不仅满足 Q2 KQ1 而且还在开环比例控制基础上 通过 增加一个副流量闭环系统组成 如图 2 2 所示 本科生课程设计 论文 4 图 2 2 单闭环比值控制系统构成 单闭环比值控制系统的优点是它不但能实现副流量随主流量变化 而且可以 克服副流量自身干扰对比值的影响 主副流量的比值比较精确 结构比较简单 应用广泛 故选此系统 系统框图如图 2 3 所示 图 2 3 单闭环比值控制系统框图 本科生课程设计 论文 5 第 3 章 仪表选型 3 1 流量变送器的选择 流量变送器通常由两部分组成 传感器和信号转换器 本设计的流量变 送器采用涡轮变送器 ZL 03210043 4 涡轮变送器又称涡轮流量计 采用涡 轮进行测量 它先将流速转换为涡轮的转速 再将转速转换成与流量成正比的 电信号 这种流量计用于检测瞬时流量和 总的积算流量 其输出信号为频率 易于数字化 此流量计的感应线圈和永久磁铁一起固定在壳体上 当铁磁性 涡轮叶片经过磁铁时 磁路的磁阻发生变化 从而产生感应信号 信号经放大 器放大和整形 送到计数器或频率计 显示总的积算流量 同时将脉冲频率经 过频率 电压转换以指示瞬时流量 叶轮的转速正比于流量 叶轮的转数正比 于流过的总量 涡轮流量计的输出是频率调制式信号 不仅提高了检测电路的 抗干扰性 而且简化了流量检测系统 它的量程比可达10 1 精度在 0 2 以内 惯性小而且尺寸小的涡轮流量计的时间常数可达0 01 秒 广泛应用 于石油 有机液体 无机液 液化气 天然气和低温流体等 此流量计输出为 4 20mA 两线制电流输出 供电电压为 DC5 24V 传输 距离为 1000m 流量范围为 0 2t s 因此符合本设计要求选用此流量计 ZL 03210043 4 变送器基本参数 公称口径 DN100 DN2000 精度等级 0 5 级 环境温度 20 50 介质温度 测量液体 20 120 公称压力 1 6 Mpa 2 5Mpa 6 4Mpa 25Mpa 防爆等级 ExdIIBT4 连接方式 螺纹连接 法兰夹装 法兰连接 插入式等 3 2 执行器的选择 在现代工业中 电动设备比气动设备普遍 因为气动设备需要花费较大的投 资而且传递速度较慢 但气动设备的优越性不可忽视 首先是在安全防爆上 气 本科生课程设计 论文 6 动设备不会产生电火花及发热问题 而且气动设备在发生管路堵塞 气流短路 机件卡涩等故障时绝对不会发热损坏 在耐潮湿和恶劣环境方面也比电动设备强 本设计为汽油管道 所以采用气动执行器 通过调节阀的选择原则及本系统的要求 选择 omal 公司生产的 DA SR 系列 调节阀 该阀结构简单 操作方便 选用调温范围广 响应时间快 密封性能可靠 并 可在运行中随意进行调节 因而广泛应用于化工 石油 食品 轻纺等部门 1 调节阀技术参数 1 公称通径 阀座直径 mm 10 12 15 25 80 100 125 150 2 公称压力 Mpa 1 0 1 4 4 0 6 4 3 固有流量特性 直线 等百分比 4 信号范围 0 10V 或 4 20mA 5 作用方式 气开 气关 2 主要性能指标 1 基本误差 2 5 2 额定行程偏差 1 5 3 额定流量系数偏差 10 为了防止物料的浪费 调节阀采用气开式 一旦调节阀失去能源 断气 阀将处于关闭状态 不致浪费物料 3 3 控制器的选择 采用沈阳双联仪表有限公司生产的 AI 系列全通用人工智能调节仪表 其中 SA 18 智能调节仪控制挂件为 AI 741 AI 741 型仪表为 PID 控制型 输出为 4 20mADC 信号 AI 系列仪表通过 RS485 串口通信协议与上位计算机通讯 从 而实现系统的实时监控 3 4 控制规律的选择 控制器的作用是对来自变送器的测量信号与给定值比较所产生的偏差 e t 进 行比例 P 比例积分 PI 比例微分 PD 或比例积分微分 PID 运算 并输出信 号到执行器 选择控制器的控制规律是为了使控制器的特性与控制过程的特性能 很好配合 使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求 本科生课程设计 论文 7 比例控制规律 P 是一种最基本的控制规律 其适用范围很广 在一般情况 下控制质量较高 但有余差 此外 当过程惯性时延较大时 由于纯比例作用在 起始段动作不够灵敏 因而超调量较大 同时加长了过渡过程时间 于是纯比例 作用的应用受到了限制 对于过程控制通道容量较大 纯时延较小 负荷变化不 大 工艺要求又不太高的场合 可选用比例控制作用 比例控制规律 P 的微分方程数学模型为 3 1 tektu p 比例积分 PI 控制规律 由于引入积分作用能消除余差 所以当过程容量较 小 负荷变化较大 工艺要求无余差时 采用比例积分控制规律可以获得较好的 控制质量 但是当过程控制通道的纯时延和容量时延都较大时 由于积分作用容 易引起较大的超调 可能出现持续振荡 所以要尽可能避免用比例积分控制规律 不然会降低控制质量 通常对管道内的流量或压力控制 采用比例积分作用其效 果甚好 所以应用较多 比例积分 PI 控制规律的微分方程数学模型为 3 2 tdte T tektu t i p 0 1 比例微分 PD 控制规律 由于引入微分 具有超前作用 对于被控过程具有 较大容量时延的场合 会大大改善系统的控制质量 但是对于时延很小 扰动频 繁的系统 由于微分作用会使系统产生振荡 严重时会使系统发生事故 所以应 尽可能不用微分作用 比例微分 PD 控制规律的微分方程数学模型为 3 3 dt tde Ttektu dp 比例积分微分 PID 作用是一种理想的控制作用 一般均能适应不同的过程特 性 当要求控制质量较高时 可选用这种控制作用的控制器 比例积分微分 PID 控制规律的微分方程数学模型为 3 4 dt tde Ttdte T tektu d t i p 0 1 其中 为控制器的输出号 放大倍数 积分时间常数 u t pk iT 微分时间常数 设定值与测量值偏差信号 dT e t 通过以上几种调节规律的分析 氨冷却器的作用是使物料经过换热 出口温 度达到一定的要求 这里物料出口温度是工艺的操作指标 温度控制器是在正常 情况下工作的 由于温度对象的容量滞后比较大 因此 温度控制器应该选择比 本科生课程设计 论文 8 例积分微分的控制规律 系统中液位控制器为非正常情况下工作的控制器 为了 在液位上升到安全限度时 液位控制器能迅速地投入工作 液位控制器应选为窄 比例式的 3 5 控制器的正 反作用 的选择 因为变送器为正作用 调节阀采用气开式 也为正作用 并且被控过程为正 作用 且整个回路最终构成负反馈 所以控制器采用反作用 本科生课程设计 论文 9 第 4 章 系统仿真 4 1 PID 对控制的影响 1 比例 P 调节 在 P 调节中 调节器的输出信号与偏差信号成比例 即 比例调节是有差调节 比例调节的残差随着比例带的加大而加大 称为比例带 其中 KP 为比例系数 人们希望尽量减小比例带 然而 减小比例 带就等于加大调节系统的开环增益 其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定 稳定性是任何闭环系统的首要要求 比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定 裕度 比例带具有一个临界值 此时系统处于稳定边界的情况 进一步减小比例 带系统就不稳定了 2 积分 I 调节 在 I 调节中 调节的输出信号的变化速度 与偏差信号 e 成正比 即 称为积分速度 其中 TI 为积分时间常数 增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度 直至出现发散的振荡过程 I 调 节是无差调节 只有当被调量偏差为零时 I 调节的输出才保持不变 I 调节的 稳定作用比 P 调节差 如果只采用 I 调节不可能得到稳定的系统 且振荡频率较 低 3 微分 D 调节 D 调节中的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比 即 TD 为微分时间 微分的作用在于改善系统的动态特性 单纯的微分调节器是不能工 作的 因此微分调节只能起辅助的调节作用 与 P 结合 PD 或与 PI 构成 PID 调节 总之 PID 控制器中 比例环节主要减少偏差 积分环节主要用于消除静差 提高系统的无差度 微分调节能加快系统的动作速度 减少调节时间 4 2 PID 控制器的参数整定 控制器的参数整定对系统的控制质量起到了决定性的作用 确定控制器最佳 过渡过程中的比例带 积分时间 TI 和微分时间 TD 的数值称为控制器参数整定 p uK e 1 p K d du dt 0 du S e dt D de uT dt 本科生课程设计 论文 10 控制器参数整定的方法 在工程上常用的有以下几种工程整定法 1 经验法 其整定参数的顺序是 先整定比例带 待过渡过程稳定后再加 入积分作用以消除余差 最后加入微分 以加快过渡过程 进一步提高控制 质量 PID 控制器的经验法整定 先将 TD 置为 0 置 TI 为 先整定比例 带使之达到 4 1 衰减过程 然后将比例带放大 10 20 而积分时间 TI 由大到小逐步加入 直至达到 4 1 的衰减过程 然后将比例带减小到比原 值小 10 20 的位置 而积分时间也适当减小 再把 TD 由小到大加入 观察曲线 直到满意的过程为止 2 稳定边界法 这是一种闭环的整定方法 具体步骤如下 置控制器积分时 间逐渐减小比例带 直到系统出现等幅振荡 即临界振荡过程如图 4 1 录此时的临界比例带 K 及两个波峰的时间 TK 利用 K 和 TK 值 按稳定 边界法计算表给出的相应公式求出控制器的稳定参数 TI TD 3 衰减曲线法 它是在经验法和稳定边界潜藏顾虑 针对它们的不足 反复 实验而得出的一种参数整方法 具体步骤如下 将控制器积分时间 TI 为最 大值 微分时间为 0 在纯比例作用下 系统试运行 待系统稳定后 作设 定值阶