基于流量的水泵运行数据采集系统设计

1、基于流量的水泵运行数据釆集系统设计摘要在连续生产过程中，有各种物料在工艺设备间传送。为了有效地进行生产操 作和工艺控制，经常需要测量介质（液体、气体和蒸汽等）的流量。同时，为了 进行经济核算，也需要知道在一段时间内流过的介质总量。所以，流量监测是控 制生产和进行经济核算所必需的一个重要手段。按照控制任务要求，流量控制系 统一般是定值的，根据较快较准较稳得性能要求，采用单闭环控制系统，控制规 律是PID控制规律。闭环相比开环可以减小误差，满足需要。流量控制系统一般 有四部分组成，控制器、执行器、被控对象以及流量检测传感变送器。控制器的 输入曲给定与反馈的偏差决定，控制器的输岀控制调节阀，从而控制

2、被控对象。 传感变送器将被控变量检测并变送到输入端与给定进行比较，得到的偏差作为控 制器的输入，闭环控制系统是按偏差控制的，因而性能比较优越。基于流量分析的住宅类水泵优化选型研究，在二次供水设计流量算法保守为 前提的背景下，为选择最高效水泵提供依据，从居民实际用水规律的角度出发， 对不同住宅生活区的用水规律进行了监测和分析。以区域差异用水当量等影响因 素为依据，根据实际用水的高效与否对供水设备成本有重要的影响，水泵的优化 选型对整个供水系统的节能降耗有着实际影响，但水泵绝大时间偏离设讣流量， 验证表明转速低，运行平稳，易于维护随流量的变化存在一个高效运行区域，该 高效运行区域在高效区运行就需要

3、综合研究水泵性能曲线和居民对水泵优化选 型有着至关重要的作用，利用对流量的水泵运行数据的采集，通过优化选型选出 效率高的水泵，且流量越小，节能效果越明显，在节能降耗日益被人们关注的今 天，水泵作为供水系统中耗能最多的设备其运行性质的作用和意义需具有普适性 尽量避免较大的能源浪费。在特定频率下不同流量时水泵的运行效率，偏离额定 流量负载点越多水泵效率越低，为降低水泵耗能使其始终用水规律并根据居民用 水量的变化范圉和集中区间对水泵的优化，以达到使水泵始终运行在高效区间节 能的目的。本课题要求水泵运行在流量模式（即在热水悄况下运行至流量峰值）下，利 用变送器测量水泵的关键参数，在流量达到峰值时点采集

4、数据，并记录在数据库 中关键词：单片机叶片式霍尔传感器流量控制AbstractIn the continuous production process, various materials are transferred bet ween the process equipment In order to carry out effec tive production operation and process control, it is often necessary to measure the flow of medium (liquid, gas, steam, etc) At th

5、e same time, in order to conduct economic accounting, it is also necessary to know the total amount of medium that flows over a period of time Therefore, flow monitoring is an important means to control production and economic accounting According to the control task requirements, the flow control s

6、ystem is generally fixed value, according to the faster, more accurate and more stable performance requirements, using a single closed-loop control system, the control law is the PID control law. Compared with the open loop, the closed loop can reduce the error and meet the need Flow control system

7、generally consists of four parts, controller, actuator, controlled object and flow detection sensor transmitter The input of the controller is determined by the deviation between the given and feedback, and the output of the controller controls the regulating valve so as to control the controlled ob

8、ject The sensor transmitter detects the controlled variable and sends it to the input end for comparison with the given one The deviation obtained is the input of the controller The closed-loop control system is controlled according to the deviation, so its performance is superiorBased on the flow a

9、nalysis of residential water pump optimization selection research, in the secondary water supply design flow algorithm conservative as the premise, to choose the most efficient water pump to provide a basis for the perspective of the actual law of water use by residents, different residential areas

10、of the law of water use were monitored and analyzed Based on regional differences influence factors such as water yield, according to the practical water efficiently or not has important influence to the cost of water supply equipment, optimization of pump selection has a real impact on the whole wa

11、ter supply system of saving energy and reducing consumption, but the pump deviate from the design flow, the vast time validation show that low rotational speed, stable operation, easy maintenance exist an efficient operation along with the change of flow area, the efficient operation area to work in

12、 high efficient area will need comprehensive study of the water pump performance curve and residents has a vital role on pump optimization selection, use to pump operation of the traffic data collection, by optimizing the selection of high efficiency of the pump are selected, and the smaller the flo

13、w, The more obvious the energy saving effect is, the more people pay at tention to the energy saving and consump tion reduction today, the pump as the most energy-consuming equipment in the water supply system, the function and significance of its operation nature needs to be universal to avoid larg

14、e energy waste as far as possible The more load points deviate from the rated flow rate, the lower the pump efficiency will be. In order to reduce the energy consumption of the pump and make it always use water, the pump is optimized according to the change range and concentration range of the resid

15、ential water consumption, so as to make the pump always operate in the high efficiency range and save energy. This subject requires the pump to operate in the flow mode (that is, running in hot water until the flow peak), and use the transmitter to measure the key parameters of the pump, and collect

16、 data at the point when the flow reaches the peak, and record it in the databaseKeywords: MCU vane hall sensor flow control目录摘要1目录4前言6第一章绪论71.1设计目的与要求71.1.1设计目的71.1.2设计的意义71.1.3要求完成的主要任务812研究目的、意义及研究内容81. 2. 1流量汁的应用领域81.2.2流量计概述8第二章自来水厂生产工艺92. 1生产工艺102.2生产工艺流程图11第三章工作原理及系统硬件设计123.1 系统工作原理123.2 硬件构成1

17、33.3 流量计的介绍143. 4 流量计的选择14第四章系统结构设计154.1控制方案164.2系统结构16第五章被控变量与控制变量选择165.1被控变量选择原则165. 2控制变量选择原则175. 3本系统被控变量与控制变量的选择18第六章检测环节设计186.1检测环节设计原则186. 2本系统检测环节设计19第七章执行器设计207. 1执行器设计原则207. 2本系统执行器设计20第八章调节器设计218.1调节器正反作用选取218. 2调节器规律的选择218. 3调节器参数整宦25总结与展望26课程设计心得体会28参考文献29前言工业生产中过程控制是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温

18、度、 压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过 程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经 济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基 础。流量的检测和控制在化工、能源电力、冶金、石油等领域应用广泛。在 天然气工业蓬勃发展的现在，天然气的计量引起了的特别关注，因为在天然 气的采集、处理、储存、运输和分配过程中，需要数以白万计的流量计，其 中有些流量计涉及到的结算金额数字巨大，对测量和控制准确度和可鼎性要 求特别高。此外，在环境保护领域，流量测量仪表也扮演着重要角色。人们 为了控制大气污染，必须对污染大气的烟气以及其他温室

19、气体排放量进行监 测；废液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人们必须对废液 和污水进行处理，对排放量进行控制。于是数以白万计的烟气排放点和污水 排放口都成了流量测量对象。同时在科学试验领域，需要大量的流量控制系 统进行仿真与试验。流量计在现代农业、水利建设、生物工程、管道输送、 航天航空、军事领域等也都有广泛的应用。第一章绪论1.1设计目的与要求1.1.1设计目的PID智能调节器图1水泵流量控制系统原理图本次课程设计的LI的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问 题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型， 使学生加深对仪表控制及其理论与设计的进一步

20、认识。课程设计的主要任务是设 计工业生产过程经常遇到的压力、流量、液位及温度控制系统，使学主将理论与 实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。如图1所示，这是一个 流量控制系统原理图，按照生产的要求，一般设计成定值控制系统，要求流量稳 定在某个值，根据较快较稳较准和抗干扰的性能要求下，釆用单闭环控制结构和 PID控制规律，闭环控制系统相比开环系统，性能更加优越。对自来水厂用泵将 水打入水槽（泵1和泵2同时用），以备下一道工艺生产需要，进行设计将流量 控制在5003立方米/小时，以满足生产要求。1. 1. 2设计的意义本次课程设计是为过程控制仪表课程而开设的综合实践教学环节，是 对以前

21、学的传感与检测技术、自动控制原理、仪表与过程控制系统、计 算机控制技术等前期课堂学习内容的综合应用，使学生加深对过去已修课程知 识的理解，运用本课程所学的基本理论和方法，同时综合汁算机控制技术，传感 与检测技术，解决生产过程控制领域的实际问题，为学生今后从事过程控制领域 的工和学习作打下坚实的基础。，它能使我们更可能早的接触到生产过程领域的 知识，因此本次此课程在教学计划中具有重要的地位和作用。1. 1. 3要求完成的主要任务（1）、了解被控对象及自来水厂的生产工艺（2）、绘制水泵流量控制系统方案图（3）、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数（4）、撰写系统调节原理及调节过程说明书

22、1.2研究目的、意义及研究内容流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标。流量测量与控制是实现工业 生产过程自动化的一项重要任务。本课题的主要研究内容是对流量进行控制，主要由流量传感器采集流量信 息，然后经过AD转换器将连续的模拟信号离散化后传给单片机，单片机在软件 系统的控制下，根据预先的设置和预期的控制要求，通过步进电机来精确控制阀 门的开度，实现对流量的精确控制。1. 2.1流量计的应用领域流量计主要用于以下儿个领域：工业生产过程、能源汁量、环境保护工程、交通 运输、生物技术、科学实验1. 2. 2流量计概述所谓流量是指单位时间内通过某一截面的物料数量，即瞬时流量。用于测量 流量的仪表称为流

23、量计，流量计是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一。流量计也成为流量传感器，是一种指示被测流量和（或）在选定的时间间隔内 流体总量的流速监测装置。主要功能是半流速未达到设定的流速阀值时发出检测 信号，经计算机控制，进行报警或启动连锁保护系统，保护关键设备，能够以及 时制止在生产中的突发事故，对生产安全和经济效益，有不可估量的实际作用。第二章自来水厂生产工艺2.1生产工艺众所周知，曲于自然因素和人为因素，原水里含有各种各样的杂质。从给水 处理角度考虑，这些杂质可分为悬浮物、胶体、溶解物三大类。城市水厂净水处 理的U的就是去除原水中这些会给人类健康和工业生产带来危害的悬浮物质、胶 体物质、细菌及其

24、他有害成分，使净化后的水能满足生活饮用及工业生产的需要。 市自来水总公司水厂釆用常规水处理工艺，它包括混合、反应、沉淀、过滤及消 毒儿个过程。(1) 混凝反应处理原水经取水泵房提升后，首先经过混凝工艺处理，即：原水+水处理剂一混合一反应一矶花水自药剂与水均匀混合起直到大颗粒絮凝体形成为止，整个称混凝过程。常用 的水处理剂有聚合氯化铝、硫酸铝、三氯化铁等。汕头市使用的是碱式氯化铝。 根据铝元素的化学性质可知，投入药剂后水中存在电离出来的铝离子，它与水分 子存在以下的可逆反应：A13+ + 3H20 Al(OH)3 + 3H+氢氧化铝具有吸附作用，可把水中不易沉淀的胶粒及微小悬浮物脱稳、相互 聚结

25、，再被吸附架桥，从而形成较大的絮粒，以利于从水中分离、沉降下来。 混合过程要求在加药后迅速完成。混合的U的是通过水力、机械的剧烈搅拌，使 药剂迅速均匀地散于水中。经混凝反应处理过的水通过道管流入沉淀池，进入净水第二阶段。(2) 沉淀处理混凝阶段形成的絮状体依靠重力作用从水中分离出来的过程称为沉淀，这个 过程在沉淀池中进行。水流入沉淀区后，沿水区整个截面进行分配，进入沉淀区, 然后缓慢地流向出口区。水中的颗粒沉于池底，污泥不断堆积并浓缩，定期排出 池外。(3) 过滤处理过滤一般是指以石英砂等有空隙的粒状滤料层通过黏附作用截留水中悬浮混合誥投加苛性钠后加氯投加絮凝剂沉淀池排泥水回收水池污泥综合泵房

26、平流沉淀池V型滤池投加苛性钠徳也反冲洗废水供水誉网増压泵站输水隧道一级泵房颗粒，从而进一步除去水中细小悬浮杂质、有机物、细菌、病毒等，使水澄清的 过程。（4）滤后消毒处理水经过滤后，浊度进一步降低，同时亦使残留细菌、病毒等失去浑浊物保护 或依附，为滤后消毒创造良好条件。消毒并非把微生物全部消灭，只要求消灭致 病微生物。虽然水经混凝、沉淀和过滤，可以除去大多数细菌和病毒，但消毒则 起了保证饮用达到饮用水细菌学指标的作用，同时它使城市水管末梢保持一定余 氯量，以控制细菌繁殖且预防污染。消毒的加氯量（液氯）在1. 0-2. 5g/m3之间。 主要是通过氯与水反应生成的次氯酸在细菌内部起氧化作用，破坏

27、细菌的酶系统 而使细菌死亡。消毒后的水山清水池经送水泵房提升达到一定的水压，在通过输、 配水管网送给千家万户。2. 2生产工艺流程图首先从泵房将水打到水池，经初滤，再加水沉淀剂聚合、过滤得到清水，力11 氯气消毒（小水厂加二氧化氯），将水储入清水池备用，再经高压泵压出供水。 流程图如图2-1所示。进水泵-蓄水池-澄清池-过滤池-加药池-过滤池-澄清池-出水泵第三章工作原理及系统硬件设计3.1系统工作原理系统的工作原理是流量传感器釆集到流量信息，通过变换器，转化为电信号, AD转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。单片机软件系统根据事 先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的控制信号。

28、DA转换器将离散的 控制信号转化为模拟电量。通过模拟电量来控制阀门的动作，从而调节流量，实 现流量的精确控制。整个过程控制系统山控制器、调节器、测量变送、被控对象四部分组成。在 本次过程控制系统中控制器为计算机，采用的算法为PID控制规律，调节器为电 磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成如下图3-1 所示。当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道将水送到水箱，由HB返回信号， 判断是加大调节阀流量还是减小调节阀流量。若需要加大（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而保证流量控制在5003立方米/小时; 若不需要，则通过电磁阀使流量保持或减小。3.2硬件

29、构成本系统主要山水泵、流量传感器、电动阀门和MCS-51单片机控制系统以及 液体管线和控制线、监视线等组成。系统结构框图如下所示：流量是指单位时间内通过管道某一截面的物料数量。本控制系统的任务是对 通过某一管道截面的物料数量即降粘剂流量进行控制。本系统采用单片机控制， 通过流量计釆集流量信息，传给单片机。单片机通过预先设定值和系统软件进行 分析，发出相应的控制信号，驱动调节阀动作，从而确定降粘剂的配比与耗量， 实现生产过程自动化。系统硬件结构图如图所示：3其中，电磁流量计作为流量传感器，采集流量信息，经放大器放大后送到A D转换器。AD转换器将连续的模拟量转化为单片机能接受的离散的数字量。单片

30、 机收到流量信号后，在控制系统软件的作用下，发出相应的执行命令给执行机构 步进电机。步进电机带动阀门动作，对流体流量进行控制。3. 3流量计的介绍工业上常用的流量计种类很多，如按照其测量原理来分类，大致分为：转子 流量计，差压式流量计，节流式流量计，速度式流量计，容积式流量计及其它类 型流量计如基于电磁感应原理的电磁流量计和超声波流量计等。本设计选用的是 超声波流量计。U前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为 一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加 大、安装不仅这些缺点。而超声波流量计却克服了这些问题。超声波流量计是近十儿年来随着集成电

31、路技术迅速发展才开始应用的一种 非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联 动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故 不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产 管线运行因而是一种理想的节能型流量计。超声测量仪表的流量测量准确度儿乎 不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响。3. 4流量计的选择本次所选的超声波流量计为北京中元瑞得公司的ZYF-300.本流量计的优点为： 最新计算机技术、IC技术同步发展的高技术的流量测量仪表，与其它常规类型 流量计或其它超声波流量计相比，除具有高精度(达到0.1%)、高

32、可靠性、高 性能、价格低廉；内置流量日月年累计器*内置上电断电记录器；0.5秒基本 测量周期*内部32位浮点数据处理:频率信号输出* 40皮秒时间测量分辨率: 测量周期为500ms等。此流量计的工作原理为：当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，其传播时 间的变化正比于液体的流速，其关系符合下面表达式：V二MD/sin2 0 X AT/ (Tup Tdown)。其中： 0为声束与液体流动方向的夹角M 为声束在液体的直线传播次数D 为管道内径Tup为声束在正方向上的传播时间Tdown为声束在逆方向上的传播时间T = Tup - Tdowno第四章系统结构设计4.1控制方案整

33、个过程控制系统山控制器、调节器、测量变送、被控对象四部分组成。在 本次过程控制系统中控制器为计算机，采用的算法为PID控制规律，调节器为电 磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成如下图4-1 所示。当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道将水送到水箱，曲HB返回信号， 判断是加大调节阀流量还是减小调节阀流量。若需要加大（即水位过低），则通 过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而保证流量控制在5003立方米/小时; 若不需要，则通过电磁阀使流量保持或减小。4. 2系统结构过程控制系统山四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变 送。本次设计为流量回路控制，即为闭环

34、控制系统，如下图4-1。图4-1流量单回路控制系统框图第五章被控变量与控制变量选择5. 1被控变量选择原则根据被控参数的选择与生产工艺密切相关，被控参数的选择通常有两种方 法。一种是选择能直接反映生产过程中产量和质量，乂易于测量的参数作为被控 参数，称为直接参数法。如果生产过程是按质量指标进行控制，按理应以直接反 映产品质量的变量作为被控参数，但有时山于缺乏检测直接反映产品质量参数的 有效手段，无法对产品质量参数进行直接检测；虽能检测，但检测信号很微弱或 滞后很大，直接参数检测不能及时、正确地反映生产过程的实际情况。这时可以 选择与质量指标有单值对应关系、易于测量的变量作为被控参数，简介反映产

35、品 质量、生产过程的实际惜况。在选择被控参数时，还要求所选参数有足够的灵敬 度。选取被控参数的基本原则是首先考虑选择对产品产量和质量、安全生产、经 济运行和环境保护具有决定性作用、可直接测量的匸艺参数为被控参数；当直接 参数不易测量，或其测量之后很大时，应选择一个易于测量，与直接参数有单值 关系的简接参数作为被控参数；同时兼顾工艺上的合理性和所用仪表的性能及经 济性。5. 2控制变量选择原则设计单回路控制系统时，选择控制变量的原则可归纳为以下儿条：1）控制变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。2）控制变量一般应比其他干扰对被控参数的影响灵敬。为此，应通过合理选 择控制变量，使控制通道的放大系

36、数大、时间常数7；小、纯滞后时间m越小 越好。3）为使干扰对被控参数的影响小，应使干扰通道的放大系数K,尽可能小、 时间常数7尽可能大。扰动引入系统（控制通道）的位置要远离被控参数，尽可 能靠近调节阀（控制器）。4）被控过程存在多个时间常数，在选择设备及控制参数时，应尽量使时间常 数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大很多，同时注意减小其他时间常 数。这一原则同样适用于控制器、调节阀和测量变送器时间常数的选择。控制器、 调节阀和测量变送器（三者均为系统控制通道中的环节）的时间常数应远小于被 控过程中最大的时间常数（这个时间常数一般难以改变）。5）在选择控制变量时，除了从提高控制品质的角度考

37、虑外，还要考虑工艺的 合理性与生产效率及生产过程的经济性。一般不宜选择生产负荷作为控制变量， 因为生产负荷直接关系到产品的产量或者用户的需求，不允许控制。另外，从经济性考虑，应尽可能地降低物料与能量的消耗。5. 3本系统被控变量与控制变量的选择曲设计任务和以上分析可知，本系统要求维持出口水流量恒定，并且出口流 量也是易于检测的，所以选择出口水流量作为该系统的被控变量。在选择控制变 量时，要从所有允许控制的变量中尽可能地选择一个对被控参数影响显著、控制 性能好的输入变量作为控制变量。水的流量是较易于控制的，通过调节阀就可以 控制住，所以选择水的流量作为本系统的控制变量。第六章检测环节设计6. 1

38、检测环节设计原则过程控制系统中的检测元件指的是用于参数检测的传感器、变送器。传感器、 变送器完成对被控参数以及其他一些参数、变量的检测，并将测量信号传送至控 制器。测量信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数迅速、准确地测量是实 现高性能控制的重要条件。下面介绍传感器、变送器选择的一些原则及使用中应注意的一些事项。(1) 传感器、变送器测量范圉与精度等级的选择在控制系统设计时，对要检测的参数和变量都有明确的测量精度要求，参数 与变量可能的变化范围一般都是已知的。因此，在传感器与变送器的选择时，应 按照生产过程的匸艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范圉与精度等 级。(2) 尽可能选择时间常

39、数小的传感器、变送器传感器、变送器都有一定的响应时间，特别是测温元件。这些时间和纯滞后 必然造成测量滞后；对于气动仪表，山于现场传感器与控制室仪表间的信号通过 管道传递，还存在一定的传送滞后。因此，控制系统中测量环节的常数不能太大, 最好选用惰性小的快速测量元件。必要时，可以在测量元件之后引入微分环节， 利用它的超前作用来补偿测量元件引起的动态误差。对于传送滞后较大的气动信号，一般气压信号管路不能超过300m,直径不 能小于6mm,或者用阀门定位器、气动放大器增大输出功率，以减小传送滞后。 在可能的情况下，现场与控制室之间的信号尽量采用电信号传递，必要时可用气 -电转换器将气信号转换为电信号，

40、以减小传送滞后。(3) 合理选择检测点，减小测量纯滞后q要合理地选择测量信号的检测点，避免III于传感器安装位置不合适引起的纯 滞后。纯滞后使测量信号不能及时反映被控变量的变化，从而使控制品质降低， 所以在选定测量传感器的安装位置时，一定要注意尽量减小纯滞后。另外，检测 位置的选择还要使检测参数能够真实反映生产过程的状态，因此，尽量将传感器 安装在能够直接代表生产过程状态的位置。(4) 测量信号的处理1) 测量信号校正与补偿。测量某些参数时，测量值要受到其他参数的影响， 为了保证测量精度，需要进行校正与补偿处理。2) 测量噪声的抑制。在测量某些过程参数时，山于其本身特点和环境干扰的 存在，测量

41、信号中含有干扰噪声，如不采用措施，将会影响系统控制等质量。3) 测量信号的线性化处理。一些检测传感器的非线性，使传感器的检测信号 与被测参数间呈非线性关系。在系统设汁时，应根据具体情况确定是否进行线性 化处理。6. 2本系统检测环节设计流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。根 据本试验装置的特点，采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm, 流量0、. 03m3/h,压力1. 6Mpmax, 4-20mA标准信号输出。可与显示，记录仪表， 积算器或调节器配套。避免了涡轮流量汁非线性与死区大的致命缺点，确保实验 效果能达到教学要求。主要优点：(1) 釆

42、用整体焊接结构，密封性好；(2) 结构简单可靠，内部无活动部件，儿乎无压力损失；(3) 采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定；(4) 仪表反映灵敏，输出信号与流量呈线性关系，量程比宽；(5) 流量转换器采用LDZ-4型电磁流量传感器配套使用，输入信号：OOMmV 输出信号：4、20mADC,许负载电阻为0、750欧姆，基本误差：输出信号量程的 0. 5%o第七章执行器设计7.1执行器设计原则过程控制使用最多的是山执行机构和调节阀组成的执行器。从提高系统控制 品质、增强生产系统及设备安全性的角度，对控制系统设讣中有关执行器选型需 要关注的问题进行简单的说明。(1) 调节阀工作区间的选择。在

43、过程控制过程中，确定控制阀的口径尺寸是 选择控制阀的重要内容之一，在正常工况下要求调节阀的开度在15虻85%之间。 如果调节阀口径选得过小，当系统受到较大的扰动时，调节阀工作在全开或全关 的饱和状态，使系统暂时处于失控工况，这对扰动偏差的消除不利；同样，调节 阀口径选得过大，阀门长时间处于小开度工作状态，阀门的不平衡力较大，阀门 调节灵敬度低，工作特性差，甚至会产生振荡或调节失灵的情况。因此，调节阀 口径选择一定要合适。(2) 调节阀的流量特性选择。调节阀的流量特性选择一般分两步进行。首先 要根据生产过程的工艺参数和对控制系统的工艺要求，确定工作流量特性，然后 根据工作流量特性相对于理想流量特

44、性的畸变关系，求出对应的理想流量特性， 确定阀门的选型。(3) 调节阀的气开、气关作用方式选择。调节阀开、关作用方式的选择主要 以不同生产工艺条件下，人员安全、生产安全、系统及设备安全的需要为首要依 据。7. 2本系统执行器设计电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PSL202型智能电动调节阀， 无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平 稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。控制单元与电动执行机构一体化， 可靠性高，操作方便，并可与汁算机配套使用，组成最佳调节回路。有输入控制 信号4-20mA及单相电源即可控制与转实现对压力流量温度压力等参数的调节， 具有体

45、积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。采用PS电子式直行程执行 机构，4-20mA阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等白分比特 性，直线特性和快开特性，阀门采用弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的 可靠关断，防止泄露。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。第八章调节器设计&1调节器正反作用选取调节器的输出决定于被控参数的测量值与设定值之差，被控参数的测量值与 设定值变化，对输出的作用方向是相反的。当设定值不变时，随着测量值的增加, 调节器的输出也增加，则称为“正作用”方式；同样，当测量值不变，设定值减 小时，调节器输出增加，称为“反作用”方式。反之，如果测量值增加或设定值

46、 减小时，调节器输出减小，则称为“反作用”方式。调节器正、反作用方式的选择是在调节阀气开、气关方式确定之后进行的， 其确定原则是使整个单回路构成负反馈系统。在传感器、被控过程、执行器（调 节阀）的符号已确定的条件下，为了保证单回路控制系统构成负反馈系统，调节 器的符号（“正”、“反”作用）选择应满足单回路各环节符号的乘积必须为“-”。 在一般情况下，过程控制系统中变送器的符号都认为是“ + ”，简化后，即调节器 符号为被控过程的符号与执行器（调节阀）符号乘积的相反值。山此可知，当控制 阀与被控过程符号相同时，控制器应选择“反作用”方式；反之，则选择“正作 用”方式。8. 2调节器规律的选择采用

47、P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能 很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差 出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允 许在一定范圉内有余差的场合。如：金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水池水 位控制；油泵房中间油罐油位控制等。比例(P)控制器：“(/) = Kpe(t)(7-1)积分调节的特点是没有静差。它的动态偏差最大、调节时间长，只能用于有 自衡特性的简单对象，很少单独使用。比例积分调节既能消除静差，乂能产生较积分调节快得多的动态响应。对于 一些调节通道容量滞后较小、负荷变化不大的调节系统，比例积分

48、调节可以取得 很好的效果。比例积分调节是使用最多的调节器。比例积分控制器：1=Kpe(t) + TiJo(7-2)在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的 基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许 有余差的场合。如：在主线窑头重油换向室中F1401到F1419号枪的重油流量控 制系统；油泵房供油管流量控制系统；退火窑各区温度调节系统等微分作用提高 了系统的稳定性，使系统比例系数增大，加快调节过程，减小动态偏差和静差。 在有高频干扰的场合，111于系统对高频干扰特别敬感，7；不能太大，否则会影响 系统正常工作。在高频干扰频繁或存在周期性干扰

49、的场合，不能使用微分调节。PID调节器是常规调节中性能最好的一种调节器，它综合了各种调节规律的 优点，既能改善系统的稳定性，乂可以消除静差。对于符合变化大、容易滞后大、 控制品质要求高的控制对象均能适应。但对于对象滞后很大，负荷变化剧烈、频 繁的被控过程，采用PID调节还达不到工艺要求的控制品质时，则应选用宙级控 制、前馈控制等复杂控制系统。比例积分微分控制器：火)=如(/) +轨灿+ 7W竽(7_3.PID参数对于调节过程的影响比例控制系数Kp对控制性能的影响：（1）对动态性能的影响：比例控制Kp加大，使系统的动作灵敬速度加快，Kp偏大，振荡次数增多, 调节时间加长。当Kp太大时，系统会趋于

50、不稳定。若Kp太小，乂会使系统的动 作缓慢。（2）对稳态特性的影响：加大比例控制Kp,在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差ess,提高控制 精度，但是加大Kp只是减小ess,却不能完全消除稳态误差。积分控制Ti对控制性能的影响：积分控制通常与比例控制或者微分控制联合作用，构成PI控制或PID控制。（1）对动态特性的影响积分控制Ti通常使系统的稳定性下降。Ti太小系统将不稳定。Ti偏小，振 荡次数较多。Ti太大，对系统性能的影响减小。当Ti合适时，过渡特性会比较 理想。（2）对稳态特性的影响：积分控制Ti能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但是若Ti 太大时，积分作用太弱，以至不能减小

51、稳态误差。微分控制Td对控制性能的影响：微分控制经常与比例控制或积分控制联合作用，构成PID控制或PD控制。 微分控制可以改善动态性能，如超调量减小，调节时间缩短，允许加大比例控制, 使稳态误差减小，提高控制精度。当Td偏大时，超调量较大，调节时间较长。当Td偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有合适时才能得到比较满 意的过渡过程。总之，控制规律的选用要根据过程特性和工艺要求来选取，决不是说PID控 制规律在任何情况下都具有较好的控制性能，不分场合都采用是不明智的。如果 这样做，只会给其它工作增加复杂性，并给参数整定带来困难。当采用PID控制 器还达不到工艺要求，则需要考虑其它的控制方案。

52、如串级控制、前馈控制、大 滞后控制等。图7-1PID算法流程图另外，如果广义对象的传递函数可用下式近似时：心+ 1(7-4)则可根据G/几来选择调节器的调节规律：JTq 0.2时，选择比例(P)或者比例积分(PI)调节规律；0.2r0/7；)1.0时，采用简单控制系统往往难以满足工艺要求，应釆用串级、前 馈等复杂控制系统。8. 3调节器参数整定调节器参数的工程整定方法有稳定边界法、衰减曲线法、响应曲线法和经验 法。这四种整定方法都是以衰减比为4:1（衰减曲线法也考虑了衰减比为10:1的 情况）作为最佳指标进行参数整定。对多数简单控制系统来说，这样的整定结果 能满足工艺要求。下面对儿种方法作简单

53、比较。响应曲线法只适用于允许被控参数变化范圉较大的生产过程。反应曲线法的 优点是实验方法比稳定边界法和衰减曲线法的实验容易掌握，实验所需时间比其 他方法短。稳定边界法适用于一般的流量、压力、液位和温度控制系统，但不适用于比 例度特别小的过程。对于单容或双容对象，无论比例度多小，调节过程都是稳定 的，达不到稳定边界，不适用此法。衰减曲线法也是在调节器投入运行的情况下进行，不需要系统在稳定边界 （临界状态）运行，比较安全，而且容易掌握，能适用于各类控制系统。它的缺点 是对于过度过程比较快的系统，衰减比和振荡周期难以准确检测。经验法的优点是不需要进行专门的实验、对生产过程影响小；缺点是没有相 应的计

54、算公式可借鉴，初始参数的选择完全依赖经验、有一定的盲口性。本系统可以选择以上四种中的任意一种工程整定方法进行调节器的参数整 定。总结与展望随着时间将近过去了一个多星期，课程设计也接近了尾声。经过一周半周的 奋战我的课程设计终于完成了。在没有做这次课程设计以前觉得这设计只是对这 儿年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做设计发现自己的看法有点太片面。 课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。 通过这次课程设计使我明口了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太 多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次 课程设计，我才明口学习是一个长期积

55、累的过程，无论是在以后的工作还是生活 中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。同时也明口了人生不可能 存在一帆风顺的事，只有自己勇敢地面对人生中的每一个挫折和失败，才能通往 自己的罗马大道。在课程设计的过程中我总会遇到这样那样的问题，我有失落过，烦恼过，悲 伤过，但我明白这乂是我人生中的一大挑战，角色的转换，这除了有较强的适应 力和乐观的生活态度外，更重要的是得益于两年的学习积累和技能的培养。在这 里我知道我的将来会有光辉灿烂的一天。在这次毕业设计里，给我仅是初步的经 验积累，对于迈向社会远远不够的，我必须做出更大的努力。虽然在完成本次课程设计的过程中有过失落，有过烦恼，有过悲伤，但在

56、这 次毕业设计中也使我们的同学间的关系更进一步，在此期间同学之间互相帮助， 有什么不懂的大家在一起商量，一起讨论，听听不同的看法不同的意见，这使我 们能更好的理解知识，透彻知识，运用知识，因此在这里我要非常感谢帮助我的 同学，谢谢你们的帮助，谢谢你们！在课程设计完成的过程里，我更明口了要做好人生规划的重要性，在此我要 有以下儿点规划：一、继续学习，虽然我们即将步入社会，但我们绝不能忘记学习，不仅仅要 学习知识，学习技能，还要学习如何与人相处，即将步入社会的我们光有知识技 能是不能在这样充满竞争的社会好好发展我们的未来的了，所以我们要学习与人 相处，与人共事。二、也许我们有知识，有技术，但我们缺少的是经验，实际动手的经验，所 以我们步入社会后，要不断的积累经验，不断的实践，只有这样我才能在掌握知 识的同时把握更多的技术，这样我们才能有更好的发展空间。三、学校到社会是一个角色转变的过程，我们是否做好这个心理准备呢？但 不