课程设计报告

1、文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.-7 -文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.设计任务分析1.1 设计目的1.2 设计要求. 被控对象以及仪表的描述.总体方案设计目录3333123.1整体方案的描述 3.2 对象特性测试及数学模型121515322电动阀传递函数测试3.2.3 变频器 /磁力泵传递函数测试3.3 matlab 仿真四. 课程设计体会五. 参考文献1618192122摘要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

2、， 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。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。一 设计任务分析一 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

3、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。二 被控对象以及仪表的描述本次课程设计的被控对象是： 被控对象为电动阀支路的流量和变频器磁力 泵支路的流

4、量（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、被控对象由不锈钢储

5、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： 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=20cm下水箱尺寸为： d=35cm,h=20cm。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X宽X高 =68cmx 52 cmX 43 cm

6、完全能满足上、中、下水箱的实验需要。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。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 压力传感器、变送器：采用工业用的扩散硅压力变送

7、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： 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420mADC电流信号。PtIOO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的流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10流量范围：01.2m3/h，精度：1.0%。输出：4

8、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 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 420mA DC或 15V DC,输出420mA DC勺阀位信 号，使用和校正非常方便。变频器：本装置采用日本三菱变频器，控制信号输入为420mADC或 05VDC220V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

9、一只为三相变频220V输出驱动。可移相SCF调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为 420mA 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。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OKg/cm 2,最大压力为7Kg/cm 2 ; 工作温度：580C。4、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：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 85246VAC 范围开关电源或者 24VDC

10、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、Nb) 热电阻： Cu50、Pt100c) 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 + 1300C)、S (-50 1700C)、R (-

11、50+ 1650C)、T (-200 + 550C)、E(0 800C)、J(0 1000C)、B(0 1800C)、N(0 1300C)、f) Cu50 (-50+ 150C)、Pt100 (-200 + 600E)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%FSi2OC（热电偶输入且采用仪表内部元件测温补偿冷端时）4. 响应时间i） 10.5V X4模块输出电压 7V7. 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

12、/808P系列具备此功能）9. 电源： 1 00-240VAC ， -15%， +10%50-60HZ；电源消耗：w 5W10. 环境温度： 0-50C比值器、前馈 -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 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。（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：

13、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

14、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

15、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。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MCGS（ Mo nitor and Con trol Gen erated System 是一套基于 Win dows 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,

16、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

17、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

18、接文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.实验装置总貌图（七）设备使用说明实验前，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。变频器一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 ；iH=1OO;dil=O;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

19、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: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I的L、N并 联接到调节仪1和调节仪2的L、N端；单相U的L、N端接到电动调节阀电源 的L、N端；单相川的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

20、 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420mA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DC420mA 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05V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

21、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， 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 2

22、20V 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。三 总体方案设计一整体方案设计描述1）根据实际生产过程，选择合适的控制系统结构I ）.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

23、阀支路的流量是系统的主动量Q1，变频器一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。U）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

24、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。川）双闭环比值控制系统设计中的几个问题比值系数的计算：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-Qax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 Q和从 动流量Q所对应变送器的输出电流分别为Ii=

25、Q 164Q1 maxI 2=Q2Q2 max16 411文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.式中Qmax和Qmax分别为Q和Q最大流量值。设工艺要求Q/Q1=K,则式（1）可改写为16同理式（2）也可改写为于是求得文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.坐=|2 4Q1114Q2 maxQ1 max折算成仪表的比值系数K为K = KQ1 maxQ2 max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

26、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1. 系统阶跃性能指标：a. 余差：系统过度过程终了时给定值与被控参数稳态值之差。b. 衰减率：一般取0.750.9。衰减率=1-B1/B2。c. 最大偏差：被控参数第一个波的峰值与给定值的差。D 过渡过程时间：系统从受扰动作用时起到被控参数进入新的稳定上下5%勺范围内所经历的时间。要求越短越好。2. 偏差积分性能指标：IAE;ITAE;ISE;ITSE.3）合理选择被控参数和控制参数本次课程设计的被控参数是：电动阀支路的流量控制参数是：给水量4）合理设计控制器的控制规律本次课程设计的控制规律是：比例积分控制规律

27、PI二对象特性测试及数学模型2.1单回路参数整定2.1.1单容自衡水箱特性测试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。实验原理图1 （a）单容水箱特性测试结构图下水箱G( S)干扰h (液位)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，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

28、达式。由分析法建模可知，单容水箱的数学模型为：Wo (s)二H(s)= KQi(s) = TS 1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X若令Q1(s)作阶跃扰动，即Q1(s)二，则sX0X0KX0X=KSSS 1TH( S)=卑S - T对上式取拉氏反变换得th(t)=KX0(1- eT)当t x时，h (x) =KX0，因而有K=h (x) /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( x)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，由响应曲 线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。2.2电动调节阀流量特性测试及其数学模型 图2.2a电动调节阀流量特性测试方框图图2.2b电动调节阀流量特性图当tx时，h (%) =KX0,因而有K=h (%) / xo=输出稳态值/阶跃输入故 K=3.