过程控制系统课程设计指导书

过程控制系统课程设计指导书 林梅金 张彩霞 肖红军编 佛山科学技术学院机电与信息学院 2007 年 9 月 目录目录 第一部分 课程设计的目的与要求 1 第二部分 课程设计的总体描述 3 一 实验装置说明 3 二 被控对象特性测试举例 10 第三部分 课程设计选题 13 课题一 锅炉夹套与被加热介质的温度控制 13 课题二 双闭环流量比值控制 20 课题三 温度的滞后控制 27 课题四 流量的滞后控制 30 1 第一部分第一部分 课程设计的目的与要求课程设计的目的与要求 一一 前言前言 过程控制通常是指石油 化工 电力 冶金 轻工 建材 核能等工业生 产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制 它是自动化技术的重 要组成部分 在现代化工业生产过程中 过程控制技术正在为实现各种最优的 技术经济指标 提高经济效益和劳动生产率 改善劳动条件 保护生态环境等 方面起着越来越大的作用 二二 课程设计目的课程设计目的 在本课程设计中 通过一个完整的生产过程控制系统的设计 使学生在进 一步加深理解和掌握 过程控制系统 课程中所学内容的基础之上 着重训练 学生将 过程检测与控制仪表 自动控制原理 微机控制技术 和 过程 工程基础 等课程中所学到知识进行综合应用 锻炼学生的综合知识应用能力 让学生了解一般工程系统的设计方法 步骤 系统的集成和投运 三三 课程设计要求课程设计要求 按课程设计指导书提供的课题 根据给出的设计任务 自己设计系统结构 分析系统的特点和系统特性 按 可选 的被控对象设计相应的控制系统 并 在实验室连接系统部件 构造硬件系统 可以自己跳线 连线 并连好对象 控制器 计算机 通过用控制器 监控计算机和实验对象的联机调试 执行 观察结果 达到预期应用功能和控制目的 比较不同方案的应用效果 完整的 设计任务书 1 能够查阅工艺过程相关资料 2 依据工艺要求分析 比较 设计方案 对其合理性 工作原理及工作过程做 出说明 3 被控对象以及仪器仪表的描述 4 控制方案的选择及其论述 控制系统方框图及其说明 2 5 完成对象的特性曲线的测试 建立对象的数学模型 6 Matlab 仿真 记录调节器参数值以及仿真结果曲线 7 画出控制系统连线示意图及说明 记录最佳控制结果的调节器参数以及结果 曲线 8 仿真结果与实际操作调试结果的比较说明 9 设计体会 10 撰写规范化的说明书一份 3 第二部分第二部分 课程设计的总体描述课程设计的总体描述 一 实验装置说明 一 系统简介 一 系统简介 THJ 2 型高级过程控制系统实验装置 是基于工业过程的物理模拟对象 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的多功能 实验装置 该系统包括流量 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 解耦控制等多种 控制形式 二 系统组成 二 系统组成 本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成 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 动调节阀组成 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组成 1 被控对象 被控对象 由不锈钢储水箱 上 中 下三个串接有机玻璃圆筒形水箱 4 5 千瓦电 加热锅炉 由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成 冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管道组成 水箱 水箱 包括上水箱 中水箱 下水箱和储水箱 上 中 下水箱采用优质 淡蓝色圆筒型有机玻璃 上 中水箱尺寸均为 d 25cm h 20 cm 下水箱尺寸 为 d 35cm h 20 cm 水箱结构非常独特 有三个槽 分别是缓冲槽 工作槽 出水槽 上 中 下水箱可以组合成一阶 二阶 三阶液位单回路控制实验和 双闭环 三闭环液位串级控制等实验 储水箱是采用不锈钢板制成 尺寸为 长 宽 高 68cm 52 43 完全能满足上 中 下水箱的实验需要 模拟锅炉 模拟锅炉 本装置采用模拟锅炉进行温度实验 此锅炉采用不锈钢精制而 成 由二层组成 加热层 内胆 和冷却层 夹套 做温度单回路实验时 冷 却层的循环水可以使加热层的热量快速散发 使加热层的温度快速下降 冷却 层和加热层都有温度传感器检测其温度 4 盘管 盘管 长 37 米 43 圈 可做温度纯滞后实验 在盘管上有三个不同的温 度检测点 它们的滞后时间常数不同 在实验过程中根据不同的实验需要选择 不同的滞后时间常数 盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆 也可以经过涡轮 流量计完成流量滞后实验 2 检测装置 检测装置 压力传感器 变送器 压力传感器 变送器 采用工业用的扩散硅压力变送器 含不锈钢隔离膜 片 同时采用信号隔离技术 对传感器温度漂移跟随补偿 压力传感器用来对 上 中 下水箱的液位进行检测 其精度为 0 5 级 因为为二线制 故工作时 需串接 24V 直流电源 温度传感器 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 锅炉夹套以及盘管的水温 经过调节器的温度变送器 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 转换器 流量传感器分别用来对电动调节阀支路 变频支路 及盘管出口支路的流量进行测量 涡轮流量计型号 LWGY 10 流量范围 0 1 2m3 h 精度 1 0 输出 4 20mA 标准信号 本装置用了三套涡轮流 量传感器 变送器 3 执行机构 执行机构 电动调节阀 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的调节 电 动调节阀型号为 QSVP 16K 具有精度高 控制单元与电动执行机构一体化 操作方便等优点 控制信号为 4 20mA DC 或 1 5V DC 输出 4 20mA DC 的阀 位信号 使用和校正非常方便 变频器 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 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 可移相可移相 SCRSCR 调压装置 调压装置 采用可控硅移相触发装置 输入控制信号为 4 20mA 标准电流信号 输出电压用来控制加热器加热 从而控制锅炉的温度 5 电磁阀 电磁阀 在本装置中作为电动调节阀的旁路 起到阶跃干扰的作用 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 4 控制器 控制器 本实验装置基本配置的控制器有调节仪表 比值器 前馈 反馈补偿器 解 耦装置 调节仪表 调节仪表 本系统实验装置采用上海万迅仪表有限公司的 AI 系列仪表 其主要特点有 1 全球通用的 85 246VAC 范围开关电源或者 24VDC 电源供电 并具备多种 外形尺寸 2 输入采用数字校正系统 内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格 测量 精确稳定 3 采用先进的 AI 人工智能调节算法 无超调 具备自整定 AT 功能 本装置有 4 台调节器 其中三台型号是 AI 818 另一台型号是 AI 708 1 技术规格 a 热电偶 K S R E J T B N b 热电阻 Cu50 Pt100 c 线性电压 0 5V 1 5V 0 1V 0 100mV 0 20mV 等 d 线性电流 需外接分流电阻 0 10mA 0 20mA 4 20mA 等 2 测量范围 e K 50 1300 S 50 1700 R 50 1650 T 200 550 E 0 800 J 0 1000 B 0 1800 N 0 1300 f Cu50 50 150 Pt100 200 600 3 测量精度 g 0 2 级 热电阻 线性电压 线性电流及热电偶输入且采用铜电阻补偿 或冰点补偿冷端时 h 0 2 FS 2 0 热电偶输入且采用仪表内部元件测温补偿冷端时 6 4 响应时间 i 0 5 秒 设置数字滤波参数 dL 0 时 j 注 仪表对 B 分度号热电偶在 0 600 范围时可以进行测量 但测量 精度无法达到 0 2 级 在 600 1800 范围可保证 0 2 级测量精度 5 AI 人工智能调节 包含模糊逻辑 PID 调节及参数自整定功能的先进控制算 法 6 输出规格 模块化 k 继电器触点开关输出 常开 常闭 250VAC 1A 或 30VDC 1A l 可控硅无触点开关输出 常开或常闭 100 240VAC 0 2A 持续 2A 20mS 瞬时 重复周期大于 5S m SSR 电压输出 12VDC 30mA 用于驱动 SSR 固态继电器 n 可控硅触发输出 可触发 5 500A 的双向可控硅 2 个单向可控硅反并 联连接或可控硅功率模块 o 线性电流输出 0 10 mA 可 4 20 mA 可定义 安装 X 模块时输出电压 10 5V X4 模块输出电压 7V 7 报警功能 上限 下限 正偏差 负偏差等 4 种方式 最多可输出 3 路 有上电免除 报警选择功能 8 手动功能 自动 手动双向无扰动切换 仅 A1 808 808P 系列具备此功能 9 电源 100 240VAC 15 10 50 60HZ 电源消耗 5W 10 环境温度 0 50 比值器 前馈比值器 前馈 反馈装置反馈装置 此控制器与调节器一起使用既可以实现流量的单闭环比值 双闭环比值控 制系统实验 又可以实现液位与流量 温度与流量的前馈 反馈控制系统实验 解耦控制装置解耦控制装置 此控制器与调节器一起使用可以实现锅炉内胆与锅炉夹套的温度 上水箱 液位与出口温度的解耦控制系统实验 7 三 仪表综合控制台 三 仪表综合控制台 仪表控制台面板由三部分组成 1 电源控制屏面板 充分考虑人身安全保护 带有漏电保护空气开关 电压 型漏电保护器 电流型漏电保护器 2 仪表面板 1 块变频调速器面板 3 块 AI 818A 智能调节仪面板 1 块 AI 708A 智能位式调节仪 解耦装置面板 比值器 前馈 反馈装置面板 各装置外接线端子通过面板上自锁紧插孔引出 3 I O 信号接口面板 该面板的作用主要是将各传感器检测及执行器控制信 号同面板上自锁紧插孔相连 再通过航空插头同对象系统连接 便于学生 自行连线组成不同的控制系统 进行几十种过程控制系统的实验 四 系统特点 四 系统特点 1 被控参数全面 涵盖了连续性工业生产过程中的液位 压力 流量及温度 等典型参数 2 本装置由控制对象 智能仪表综合控制台 计算机三部分组成 系统结构 布局合理 造型美观大方 3 直实性 直观性 综合性强 控制对象组件全部来源于工业现场 4 具有广泛的扩展性和后续开发功能 所有 I O 信号全部采用国际标准 IEC 信号 可通过信号接口电缆与任何后续智能化控制平台连接 5 执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构 又有变频器 可控硅移相调压 装置 接触器位式控制装置等 6 调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外 还可以通过对象中电磁阀和 手动操作阀制造各种扰动 7 一个被调参数可在不同动力源 不同执行器 不同的工艺管路下演变成多 种调节回路 以利于讨论 比较各种调节方案的优劣 8 系统设计时使 2 个信号在本对象中存在着相互耦合 二者同时需要对原独 立调节系统的被调参数进行整定 或进行解耦实验 以符合工业实际的性 能要求 9 能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验 10 各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现 8 11 实验数据及图表在 MCGS 软件系统中很容易存储及调用 以实验者进行实 验后的比较和分析 五 系统软件 五 系统软件 MCGS Monitor and Control Generated System 是一套基于 Windows 平台 的 用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统 可运行于 Microsoft Windows95 98 NT 2000 等操作系统 MCGS5 1 为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台 能够完 成现场数据采集 实时和历史数据处理 报警和安全机制 流程控制 动画显 示 趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能 使用 MCGS5 1 用户无须具备计算机编程的知识 就可以在短时间内轻而 易举地完成一个运行稳定 功能成熟 维护量小且具备专业水准的计算机监控 系统的开发工作 MCGS5 1 具有操作简便 可视性好 可维护性强 高性能 高可靠性等突 出特点 已成功应用于石油化工 能源原材料 农业自动化 航空航天等领域 经过各种现场的长期实际运行 系统稳定可靠 六 装置的安全保护体系 六 装置的安全保护体系 1 三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置的三相四线制断路器进入系统 电源后又分为三相电源支路和三个不同相的单相支路 每一支路都带有各 自三相 单相断路器 总电源设有三相通电指示灯和 380V 三相电压指示 表 三相带灯熔断器作为断相指示 2 控制屏电源由接触器通过起 停按钮进行控制 3 屏上装有一套电压型漏电保护装置和一套电流型漏电保护装置 控制屏内 或强电输出 包括实验中的连线 若有漏电现象 即告警并切断总电源 确保实验进程安全 4 控制屏设有服务管理器 即定时器兼报警记录仪 为学生实验技能的考 核提供一个统一的标准 5 各种电源及各种仪表均有可靠的保护功能 6 实验强电接线插头采用封闭式结构 防止触电事故的发生 7 强弱电连线插头采用不同的结构插头 防止强弱电混接 9 10 实验装置总貌图实验装置总貌图 11 二 被控对象特性测试举例 被控对象数学模型的建立通常用下列二种方法 一种是分析法 即根据过 程的机理 物料或能量平衡关系求得它的数学模型 另一种是用实验的方法确 定 本部分内容主要介绍被控对象为单容水箱对典型输入信号的响应曲线来确 定它的数学模型的具体方法 一 实验目的 一 实验目的 1 掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法 并记录相应液位的响应曲线 2 根据实验得到的液位阶跃响应曲线 用相关的方法确定被测对象的特征参 数 T 和传递函数 二 实验设备 二 实验设备 1 THJ 2 型高级过程控制系统实验装置 2 计算机及相关软件 3 万用电表一只 三 实验原理 三 实验原理 图 1 a 单容水箱特性测试结构图 调节器 手动输出 电动阀 下水箱 G S 干扰 h 液位 b图1 方框图 图 1 为单容自衡水箱特性测试及其方框图 阀门 F1 1 F1 2 和 F1 8 全开 12 设下水箱流入量为 Q1 改变电动调节阀 V1 的开度可以改变 Q1 的大小 下水 箱的流出量为 Q2 改变出水阀 F1 11 的开度可以改变 Q2 液位 h 的变化反映 了 Q1 和 Q2 不等而引起水箱中蓄水或泻水的过程 若将 Q1 作为被控过程的输 入变量 h 为其输出变量 则该被控过程的数学模型就是 h 与 Q1 之间的数学表 达式 由分析法建模可知 单容水箱的数学模型为 0 1 W s H s Q s 1 K TS 式中 T RC 为水箱的时间常数 K 为放大系数 K R C 为水箱的容量系数 若令 Q1 s 作阶跃扰动 即 Q1 s 则 0 X s H S K 1 K T S T 0X S 0X S 0X 1 K S T 对上式取拉氏反变换得 h t KX0 1 t T e 当 t 时 h KX0 因而有 K h X0 输出稳态值 阶跃输入 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的响应曲线是一单调上升的指数函数 如图 2 所示 当由实验求得图 2 所示的阶跃响应曲线后 该曲线上升到稳态值的 63 图 2 单容水箱的单调上升指数曲线 所对应的时间 就是水箱的时间常数 T 该时间常数 T 也可以通过坐标原 点对响应曲线作切线 切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数 T 由响 13 应曲线求得 K 和 T 后 就能求得单容水箱的传递函数 如果对象的阶跃响应曲 线为图 3 则在此曲线的拐点 D 处作一切线 它与时间轴交于 B 点 与响应稳 态值的渐近线交于 A 点 图中 OB 即为对象的滞后时间 BC 为对象的时间常 数 T 所得的传递函数为 H S 1 s Ke Ts 图 3 单容水箱的阶跃响应曲线 四 实验内容与步骤 四 实验内容与步骤 1 按图 1 接好实验线路 并把阀 V1 和 V2 开至某一开度 且使 V1 的开度大 于 V2 的开度 2 接通总电源和相关的仪表电源 并启动磁力驱动泵 3 把调节器设置于手动操作位置 通过调节器增 减的操作改变其输出量的 大小 使水箱的液位处于某一平衡位置 4 手动操作调节器 使其输出有一个正 或负 阶跃增量的变化 此增量不 宜过大 以免水箱中水溢出 于是水箱的液位便离开原平衡状态 经过 一定的调节时间后 水箱的液位进入新的平衡状态 如图 4 所示 图 4 单容箱特性响应曲线 5 启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线 6 把由实验曲线所得的结果填入下表 液位 h 参数值 测量值KT 14 正向输入 负向输入 平均值 15 第三部分第三部分 课程设计选题课程设计选题 课题一锅炉夹套与被加热介质的温度控制 一 设计任务的描述 在了解 掌握和熟悉锅炉夹套与内胆温度控制系统的工艺流程和生产过程 的静态和动态特性的基础之上 根据生产过程对控制系统所提出的安全性 经 济性和稳定性要求 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 二 设计的要求 1 从组成 工作原理上对工业型传感器 执行机构有一深刻的了解和认识 2 分析控制系统各个环节的动态特性 从实验中获得各环节的特性曲线 建 立被控对象的数学模型 3 根据其数学模型 选择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 了解和掌握自动控制系统设计与实现方法 并在 THJ 2 型高级过程控制系 统平台上完成本控制系统线路连接和参数调试 得到最佳控制效果 6 分析仿真结果与实际系统调试结果的差异 巩固所学的知识 三 本设计提示 1 控制方案设计的提示 对于过程控制系统的工程设计与应用而言 控制方案的设计是核心 在 过程控制工程 的学习中我们学到了简单控制系统和复杂控制系统 在大多 数情况下 具有单回路的简单控制系统完全可以满足工艺生产的要求 但是也 有另外一些情况 譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制 而工艺对调节 质量的要求又很高 或者调节对象的动态特性虽然并不复杂 但控制任务却比 较特殊 则单回路控制系统就无能为力 此时需要一种合适的复杂控制系统来 满足运行的需要 控制方案的选择要根据设计任务和技术指标要求 综合考虑安全性 稳定 16 性 经济性和技术实施的可行性进行反复比较得来的 本部分设计内容包括以 下五点 1 根据实际生产过程 选择合适的控制系统结构根据实际生产过程 选择合适的控制系统结构 控制系统结构的选择是控制方案中最重要的一个步骤 在过程控制系统的 学习中我们学习到控制系统结构有单回路控制 串级控制 双回路控制 比值 控制 特殊多变量控制 前馈控制与大滞后控制 补偿控制 分程与选择控 制 非线性切换控制 多变量解耦控制 多输入多输出解耦 等等 选择合适的控制系统结构 首先要综合被控对象的特征以及各个控制结构 性能分析 然后从众多的控制结构中选择一种 以期运行后能满足系统的性能 指标 以下以选择了串级控制为控制系统结构为例进行阐述 I 串级控制系统的结构 串级控制系统的结构图如下 主调节器 副调节器调节阀 副对象 主对象 副变送器 主变送器 主参数设定主参数 副参数 一次扰动 二次扰动 从图中可以看出 串级系统和简单系统有一个显著的区别 即其在结构上 形成了两个闭环 一个闭环在里面 被称为副环或者副回路 在控制过程中起 着 粗调 的作用 一个在外面 被称为主环或主回路 用来完成 细调 任 务 以最终保证被调量满足工艺要求 无论主环或副环都有各自的调节对象 测量变送元件和调节器 在主环内的调节对象 被测参数和调节器被称为主调 节对象 主参数和主调节器 在副环内则相应地被称为副调节对象 副参数和 副调节器 应该指出 系统中尽管有两个调节器 它们的作用各不相同 主调 节器具有自己独立的设定值 它的输出作为副调节器的设定值 而副调节器的 输出信号则是送到调节阀去控制生产过程 比较串级系统和简单系统 前者只 比后者多了一个测量变送元件和一个调节器 增加的仪表投资并不多 但控制 效果却又可以显著的提高 17 II 串级控制系统的特点与分析 在分析串级控制系统之前 先把扰动以其作用位置的不同分为两类 一般 把包括在副回路内的扰动称为二次扰动 而把作用于副环之外的扰动称为一次 扰动 这两类扰动对串级控制效果有本质的差别 分析串级控制系统可知串级 控制系统具有较好的控制性能的原因归纳为 首先是副环具有快速作用 它能够有效地克服二次扰动的影响 可以说串 级系统主要是用来克服进入副回路的二次干扰的 与单回路控制系统相比 被 调量受二次干扰的影响往往可以减小 10 100 倍 这要视主环与副环中容积分 布情况而定 其次 由于副环起了改善对象动态特性的作用 因此可以加大主调节器的 增益 提高系统的工作频率 最后 由于副环的存在 使串级系统有一定的自适应能力 众所周知 生 产过程往往包含一些非线性因素 因此 在一定负荷下 即在确定的工作点情 况下 按一定控制质量指标整定的调节器参数只适应于工作点附近的一个小范 围 如果负荷变化过大 超出这个范围 那么控制质量就会下降 在单回路控 制中若不采取其它措施是难以解决的 但在串级系统中情况就不同了 负荷变 化引起副回路内各环节参数的变化 可以较少或不影响系统的控制质量 III 采用串级控制前后比较实例 1 c Gs 2 c Gs v G s 2 p Gs 1 p Gs 2 d Gs 2 m Gs 1 m Gs 1 R s 2 R s 2 D s 1 Y s 2 Y s 2 p Gs 设串级系统的方框图如上所示 其中主 副对象的传递函数分别为 1 1 301 31 p Gs ss 2 2 1 101 1 p Gs ss 18 主 副调节器的传递函数分别为 11 1 1 cc I GK T s 22cc GK 估算结果如下表 简单控制系统串级控制系统 控制品质指标KC1 3 7 TI 38 KC2 10 KC1 8 4 TI 12 8 衰减率0 750 75 残偏差00 系统工作频率0 0870 23 二次扰动下的短期最大 偏差 0 240 011 一次扰动下的短期最大 偏差 0 30 11 从表中可以看到 由于采用了串级控制 系统工作频率由单回路的 0 087 增加到 0 23 加快了 2 6 倍 二次扰动下的短期最大偏差由单回路控制时的 0 24 减小到 0 011 大约减小了 22 倍多 即使一次扰动下 短期最大偏差也由 单回路控制时的 0 3 减小到 0 11 减小了近三倍 可见串级系统对控制效果的 改善是十分明显的 但是必须指出 上述的估算结果没有考虑非线性因素的影 响 实际上 由于串级系统的副调节器增益往往很大 调节阀的动作幅度也相 应增大 有时可能处于饱和状态 因此串级控制系统的实际效果要比表中估算 的结果略为差一些 IV 串级系统设计中的几个问题 副回路的设计 副回路的设计 串级系统的种种优点都是因为增加了副回路的缘故 可以说 副回路的设 计质量是保证发挥串级系统优点的关键所在 从结构上看 副回路也是一个单 回路 问题的实质在于如何从整个对象中选取一部分作为副对象 然后组成一 个副控制回路 这也是可以归纳为如何选取副参数 下面是有关副回路设计的 两个原则 副参数的选择应使副回路的时间常数小 调节通道短 反应灵敏 19 副回路应包含被控对象所受到的主要干扰 串级系统对二次干扰有较强的克服能力 为了发挥这一特殊作用 在系统 设计时 副参数的选择应使得副环尽可能多的包括一些扰动 当然也不能走极 端 试图把所有扰动都包括进去 这样将使得主调节器失去作用 也就不成其 为串级控制了 因此 在要求副回路调节通道短 反应快与尽可能多的纳入干 扰这两者之间存在着矛盾 应在设计时加以协调 主副回路工作频率的选择 主副回路工作频率的选择 为了保持串级控制系统的控制性能 应避免闭合副环进入高增益取 即主 回路周期 Td1为 1 3 Td2的区域 还句话说 应该使主回路周期小于 Td2 因 此上述调节可以用下列不等式来描述 即 Td1 3Td2 这个结论是从发挥串级系 统特点的角度得到的 此外还应根据主 副回路之间的动态关系来分析 由于 主 副回路是两个相互独立又密切相关的回路 在一定条件下 如果受到某种 干扰的作用 主参数的变化进入副环时会引起副环中副参数波动振幅的增加 而副参数的变化传送到主环后 又迫使主参数的变化幅度增加 如此往复 就 会使主副参数长时间地大幅度地波动 这就是所谓的串级系统的共振现象 一 旦发生了共振 系统就会失去控制 不仅控制品质恶化 如不及时处理 甚至 可以导致生产事故 引起严重的后果 2 根据生产工艺要求 合理选择系统性能指标根据生产工艺要求 合理选择系统性能指标 参见 过程控制工程 P142 3 合理选择被控参数和控制参数合理选择被控参数和控制参数 同上 4 合理设计控制器的控制规律合理设计控制器的控制规律 参加 过程控制工程 P153 5 过程参数的测量与变送 控制执行器的选择过程参数的测量与变送 控制执行器的选择 参加 过程控制工程 P149 2 锅炉内胆温度特性测试提示 锅炉内胆水温特性的测取 首先通过调节器 手动 输出 控制三相电加 热管的端电压 从而达到控制锅炉内胆水温的目的 锅炉内胆水温的动态变化 过程可用一阶常微分方程来描述 即其数学模型为一阶惯性环节 可以采用两 20 种方案对锅炉内胆的温度特性进行测试 1 锅炉夹套不加冷却水 加满锅炉内胆的水 手动操作调节器的输出 使可控整流电源的输出电压 为 80 100V 此电压加在加热管两端 内胆中的水温因之而逐渐上升 根据热 平衡的原理 当内胆中的水温上升到某一值时 水的吸热和放热作用完全相等 从而使内胆中的水温达到平衡状态 2 锅炉夹套加冷却水 当锅炉夹套中注满冷却水 这相当于改变了锅炉内胆环境的温度 使其散 热作用增强 显然 在这种状况下 如果用夹套无水时一样大小的可控电压去 加热 在平衡状态时 内胆的水温必然要低于前者 如果要使内胆的水温达到 夹套无水时相同的值 则需要提高可控硅的整流电压 增加调节器的输出值 3 建立对象的数学模型的提示 过程的数学模型是设计过程控制系统 确定控制方案 分析质量指标 整 定调节器参数等的重要依据 建立过程数学模型的基本方法 一般来说有机理 分析法和试验法两种 机理分析法虽然具有很大的普遍性 但是 许多工业过程其内部机理较复 杂 所以对这些过程进行建模 单独采用其中一种方法 想要比较精确的建立 其模型 是比较困难的 所以 在实际应用时 往往采用两种方法相结合来求 得对象的数学模型 通常对被控对象的组成部分进行机理分析 分析对象是由哪些部分串联或 并联组成最终可以得出对象模型的结构 然后根据试验建模法再求得模型结构 中的参数 试验法在实际的应用中的关键的一个环节是过程响应曲线的获得 其中获 得的方法有阶跃响应曲线法和矩形脉冲响应曲线法两种 4 设备使用说明提示 实验前 要对被控对象及其控制系统所涉及的仪器仪表有清楚的认识 先将储水箱中贮足水量 锅炉内胆的的进水阀为 F1 12 夹套进水阀 F1 13 锅炉内胆和夹套的出水阀分别为 F2 12 和 F2 11 锅炉内胆温度传感器为 PT100 TT1 夹套温度温度传感器为 PT100 TT2 AI 智能调节仪表中 Sn 设置 21 为 21 变频器使用 手动控制频率时 可在控制信号线和正反转短接线都拔下的 情况下 PU EXT 按钮 可将变频器的工作状态从 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 秒的状态 表 示设定成功 按下 RUN 键 变频器会自动运行到设定频率 在运行状态下 可通过旋转频率设定器来调整当前运行频率 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 所以用到的泵为 220V 磁力驱动泵 开启实验设备 前谨记保证 F2 1 阀门处于打开的状态 预防烧干锅 三相电加热管由 SCR 移相调压模块驱动供电 在加热前先观 察锅炉内胆中是否有水 水是否超过警戒水位线 四 课程设计报告的要求 1 完整的设计任务书 2 被控对象以及仪器仪表的描述 3 控制方案的选择及其论述 控制系统方框图及其说明 4 完成对象的特性曲线的测试 建立对象的数学模型建立对象的数学模型 5 Matlab 仿真 记录调节器参数值以及仿真结果曲线 6 控制系统连线示意图及说明 记录最佳控制结果的调节器参数以及结果曲线控制系统连线示意图及说明 记录最佳控制结果的调节器参数以及结果曲线 7 仿真结果与实际操作调试结果的比较说明仿真结果与实际操作调试结果的比较说明 8 设计体会 9 参考文献 22 课题二双闭环流量比值控制 一 设计任务的描述 在了解 熟悉和掌握双闭环流量比值控制系统的工艺流程和生产过程的静 态和动态特性的基础之上 根据生产过程对控制系统所提出的安全性 经济性 和稳定性要求 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 二 设计的要求 1 从组成 工作原理上对工业型流量传感器 执行机构有一深刻的了解和认 识 2 分析控制系统各个环节的动态特性 从实验中获得各环节的特性曲线 建 立被控对象的数学模型 3 根据其数学模型 选择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 了解和掌握自动控制系统设计与实现方法 并在 THJ 2 型高级过程控制系统 平台上完成本控制系统线路连接和参数调试 得到最佳控制效果 6 分析仿真结果与实际系统调试结果的差异 巩固所学的知识 三 本设计提示 1 控制方案设计的提示 对于过程控制系统的工程设计与应用而言 控制方案的设计是核心 在 过程控制工程 的学习中我们学到了简单控制系统和复杂控制系统 在大多 数情况下 具有单回路的简单控制系统完全可以满足工艺生产的要求 但是也 有另外一些情况 譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制 而工艺对调节 质量的要求又很高 或者调节对象的动态特性虽然并不复杂 但控制任务却比 较特殊 则单回路控制系统就无能为力 此时需要一种合适的复杂控制系统来 满足运行的需要 控制方案的选择要根据设计任务和技术指标要求 综合考虑安全性 稳定 性 经济性和技术实施的可行性进行反复比较得来的 本部分设计内容包括以 23 下五点 1 根据实际生产过程 选择合适的控制系统结构根据实际生产过程 选择合适的控制系统结构 控制系统结构的选择是控制方案中最重要的一个步骤 在过程控制系统的 学习中我们学习到控制系统结构有单回路控制 串级控制 双回路控制 比值 控制 特殊多变量控制 前馈控制与大滞后控制 补偿控制 分程与选择控 制 非线性切换控制 多变量解耦控制 多输入多输出解耦 等等 选择合适的控制系统结构 首先要综合被控对象的特征以及各个控制结构 性能分析 然后从众多的控制结构中选择一种 以期运行后能满足系统的性能 指标 在现代工业生产过程中 经常遇到生产工艺要求两种或多种物料流量成一 定比例关系的问题 一旦比例失调 就会影响生产的正常进行 影响产品质量 浪费原料 消耗动力 造成环境污染 甚至产生生产事故 如硝酸生产中的氨 氧化炉 其进料是氨气和空气 两者的流量必须具有一个合适的比例 因为氨 在空气中的含量 低温时在 15 28 之间 高温时在 14 30 之间都有可能产 生爆炸的危险 严格控制其比例 使其不进入爆炸范围 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的过程控制 系统 均称为比值控制系统 以下以选择了双闭环比值控制为控制系统结构为 例进行阐述 双闭环比值控制系统的结构 双闭环比值控制系统的结构图如下 从图中可以看出 双闭环比值系统和简单系统有一个显著的区别 即其在 结构上由一个定值控制的主动量回路 Q1 和一个随主动量变化的从动量随动 24 控制回路 Q2 组成 并通过比值器发生联系 凡是两个或多个参数自动维持 一定比值关系的过程控制系统 均需采用比值控制系统 被控对象为电动阀支 路的流量和变频器 磁力泵支路的流量 每个支路上分别装有流量传感器对支 路的流量进行测量 电动阀支路的流量是系统的主动量 Q1 变频器 磁力泵支 路的流量是系统的从动量 Q2 要求从动量 Q2 能跟随主动量 Q1 的变化而变化 无论主回路或从动回路都有各自的调节对象 测量变送元件和调节器 应该指 出 系统中尽管有两个调节器 它们的作用各不相同 调节器 1 和调节器 2 具 有自己独立的设定值 分别控制主动量回路和从动量回路 双闭环比值控制系统的特点与分析 双闭环比值控制系统能实现主动量的抗扰动 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 双闭环比值控制系统另一优点是升降负荷比较方便 只需缓慢改变主动量 控制器的给定值 这样从动量自动跟踪升降 并保持原来比值不变 双闭环比值控制系统中的两个控制回路是通过比值器发生联系的 若除去 比值器 则为两个独立的单回路系统 事实上 若采用两个独立的单回路系统 同样能实现它们之间的比值关系 但只能保证静态比值关系 当需要实现动态 比值关系时 比值器不能省 双闭环比值控制所用设备较多 投资较高 而且运投比较麻烦 只有在工 业特定要求 如严格控制两种物料比例 的情况下使用 双闭环比值控制系统设计中的几个问题 比值系数的计算 比值系数的计算 设流量变送器的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 相应变送器的输出电流为 4 20mA 由此可知 任一瞬时主动流量 Q1和 从动流量 Q2所对应变送器的输出电流分别为 I1 1 416 max1 1 Q Q I2 2 416 max2 2 Q Q 式中 Q1max和 Q2max分别为 Q1和 Q2 最大流量值 25 设工艺要求 Q2 Q1 K 则式 1 可改写为 Q1 Q1max 3 16 4 1 I 同理式 2 也可改写为 Q2 Q2max 4 16 4 2 I 于是求得 5 1 2 Q Q 4 4 1 2 I I max1 max2 Q Q 折算成仪表的比值系数 K 为 K K 6 max2 max1 Q Q 比值控制系统参数的整定 比值控制系统参数的整定 按单回路的整定方法 先手动后自动的原则 分别整定调节器 1 2 的 PID 参数 也可按经验设置参数 但在具体操作中应先整定调节器 1 的参数 待主 回路系统稳定后 再整定从动回路中的调节器 2 CF 8 即外部给定 的参数 2 根据生产工艺要求 合理选择系统性能指标根据生产工艺要求 合理选择系统性能指标 参见 过程控制工程 P142 3 合理选择被控参数和控制参数合理选择被控参数和控制参数 同上 4 合理设计控制器的控制规律合理设计控制器的控制规律 参加 过程控制工程 P153 5 过程参数的测量与变送 控制执行器的选择过程参数的测量与变送 控制执行器的选择 参加 过程控制工程 P149 2 电动调节阀流量特性 变频器流量特性测试提示 流量特性是指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系 因为 执行机构静态时输出 阀门的相对开度 与 U 成比例关系 所以调节阀静态特 性又称调节阀流量特性 电动调节阀接受来自调节器 4 20mADC 信号 U 将其转换为相应的阀门开 26 度 以改变阀截流面积的大小 从而改变流量 电动调节阀的动态特性可用一 阶常微分方程来描述 即其数学模型为一阶惯性环节 流量变送器为普通涡轮流量计 零点和增益均不用调节 最大量程为 1 2m3 h 电动调节阀支路最大流量值一般在其满量程流量的 40 左右 变频器 支路最大流量值一般可达其满量程流量的 80 左右 3 建立对象的数学模型的提示 过程的数学模型是设计过程控制系统 确定控制方案 分析质量指标 整 定调节器参数等的重要依据 建立过程数学模型的基本方法 一般来说有机理 分析法和试验法两种 机理分析法虽然具有很大的普遍性 但是 许多工业过程其内部机理较复 杂 所以对这些过程进行建模 单独采用其中一种方法 想要比较精确的建立 其模型 是比较困难的 所以 在实际应用时 往往采用两种方法相结合来求 得对象的数学模型 通常对被控对象的组成部分进行机理分析 分析对象是由哪些部分串联或 并联组成最终可以得出对象模型的结构 然后根据试验建模法再求得模型结构 中的参数 试验法在实际的应用中的关键的一个环节是过程响应曲线的获得 其中获 得的方法有阶跃响应曲线法和矩形脉冲响应曲线法两种 4 设备使用说明提示 实验前 要对被控对象及其控制系统所涉及的仪器仪表有清楚的认识 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 变频器控制的磁力泵 阀 F2 5 流至下水箱 两个支路的流量传感器分别为 FT1 与 FT2 AI 智能调节仪 1 设置参考 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 在一般情况下无须手动 接线说明 27 图形部分 强电 图形部分 弱电 强电部分 三相电源输出 u v w 接到 380v 磁力泵的输入 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 的 L N 并联 接到调节仪 1 和调节仪 2 的 L N 端 单相 的 L N 端接到电动调节阀电源的 L N 端 单相 的 L N 端接到比值器电源的 L N 端 弱电部分 电动阀支路流量 FT1 信号并联接到调节仪 1 的 1 2 输入端和 比值模块电压输入 1 的 端 比值模块的电压输出 端对应接到调节仪 2 的 1 2 端 FT2 信号 端对应接到调节仪 2 的 3 2 输入端 调节仪 1 的输出 7 5 端对应接到电动调节阀控制信号 端 调节仪 2 的输出 7 5 端对应接到 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 开启变频器后 其指示灯会自动工作在 EXT 外部控制状态下 当我们设置好参数 P30 1 P53 1 P62 4 选择正转 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的情况下 按下 PU EXT 按钮 就可将变频器的工作状态从 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 秒的状态 表示设 定成功 按下 RUN 键 变频器会自动运行到设定频率 在运行状态下 可 通过旋转频率设定器来调整当前运行频率 注意切不可在变频器带电机运行时 拔下任一根强电输入输出线 造成变频器在运行状态下突然断电或电机缺相 28 先将变频器停止 按下 STOP 键 再在断开变频器输入电源的情况下接线 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 所以用到的泵为 220V 磁力驱动泵 开启实验设备 前谨记保证 F2 1 阀门处于打开的状态 四 课程设计报告的要求 1 完整的设计任务书 2 被控对象以及仪器仪表的描述 3 控制方案的选择及其论述 控制系统方框图及其说明 4 完成对象的特性曲线的测试 建立对象的数学模型 5 Matlab 仿真 记录调节器参数值以及仿真结果曲线 6 控制系统连线示意图及说明 记录最佳控制结果的调节器参数以及结果曲线 7 仿真结果与实际操作调试结果的比较说明 8 设计体会 9 参考文献 29 课题三温度的滞后控制 一 设计任务的描述 在了解 掌握和熟悉盘管温度滞后控制系统的工艺流程和生产过程的静态 和动态特性的基础之上 根据生产过程对控制系统所提出的安全性 经济性和 稳定性要求 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 二 设计的要求 1 从组成 工作原理上对工业型传感器 执行机构有一深刻的了解和认识 2 分析控制系统各个环节的动态特性 从实验中获得各环节的特性曲线 建 立被控对象的数学模型 3 根据其数学模型 选择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 了解和掌握自动控制系统设计与实现方法 并在 THJ 2 型高级过程控制系统 平台上完成本控制系统线路连接和参数调试 得到最佳控制效果 6 分析仿真结果与实际系统调试结果的差异 巩固所学的知识 三 本设计提示 1 被控对象 在工业生产过程中 有不少被控对象除了具有容积迟延外 往往不同程度 地存在着纯滞后 其特点是当控制作用产生后 在时延范围内 被控参数完 全没有响应 因此 这样的过程必然会产生较明显的超调量和较长的调节时间 所以 具有纯迟延的过程是比较难控制的过程 其难控程度随着纯迟延占整 个过程动态的份额的增加而增加 而路径的长度和物流的速度是构成纯滞后 的因素 本设计被控对象可以采用锅炉内胆和盘管组成的具有纯滞后系统 盘管上 装有三个铂电阻 TT1 TT2 和 TT3 可以模拟纯滞后时间长短不一的三种均有纯 滞后被控对象 控制系统可以描述为将盘管的某一个铂电阻检测到的温度信号 作为反馈信号 在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出 30 电压 以控制三相电加热管的加热强度 同时用变频器供水系统以固定的频率 把锅炉内胆的热水恒速输送到盘管 2 锅炉内胆温度特性测试提示 锅炉内胆水温特性的测取 首先通过调节器 手动 输出 控制三相电加 热管的端电压 从而达到控制锅炉内胆水温的目的 锅炉内胆水温的动态变化 过程可用一阶常微分方程来描述 即其数学模型为一阶惯性环节 可以采用两 种方案对锅炉内胆的温度特性进行测试 1 锅炉夹套不加冷却水 加满锅炉内胆的水 手动操作调节器的输出 使可控整流电源的输出电压 为 80 100V 此电压加在加热管两端 内胆中的水温因之而逐渐上升 根据热 平衡的原理 当内胆中的水温上升到某一值时 水的吸热和放热作用完全相等 从而使内胆中的水温达到一平衡状态 2 锅炉夹套加冷却水 当锅炉夹套中注满冷却水 这相当于改变了锅炉内胆环境的