过程控制系统课设5.0

1、辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）辽 宁 工 业 大 学 过程控制系统 课程设计（论文）题目： 网前箱温度控制系统的设计 院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2015.12.21-2015.12.31本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化学 号 学生姓名 专业班级 设计题目网前箱温度控制系统的设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能某造纸厂网前箱温度控制系统。纸浆用泵从储槽送至混合器，在混合器内用蒸气加热至72左右，经过立筛，圆筛去除杂质后到网前箱，

2、再经铜网脱水。为了保证纸张质量，工艺要求网前箱温度保持在61左右，允许偏差不得超过±1。从混合器到网前箱纯时延达90秒。试设计网前箱温度控制系统。设计任务及要求1、确定控制方案并绘制工艺节点图、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、仿真分析/实验测试分析；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。技术参数测量范围：0-100；混合器出口控制温度：72±2 最大偏差：5； 网前箱出口控制温度：61±1 最大偏差：2；工作计划1、布置任务，查阅资料，理

3、解掌握系统的控制要求。（2天）2、确定系统的控制方案，绘制工艺节点图、方框图。（1天）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）4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（1天）5、MATLAB仿真分析或实验测试分析、答辩。（3天）6、撰写、打印设计说明书（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要随着造纸技术水平迅速提高与生产规模的持续扩大，对过程控制系统的要求越来越高。在网前箱温度控制系统中，为了保证纸张质量，如何合理的控制温度，克服扰动影响对于

4、工业生产至关重要。本文根据测量范围及精度要求，完成了造纸厂网前箱温度控制系统的设计。在单回路闭环系统的基础上串入副回路控制，构成串级控制系统，这样可以很好的处理从混合器到网前箱的90s纯时延。以网前箱出口温度为主参数、混合器出口温度为副参数，以蒸汽流量为控制变量。系统中主要扰动为纸浆流量的影响，其他干扰如纸浆的初温、蒸汽波动等可由单回路闭环系统克服，因此本系统基本满足要求。本系统温度传感器选用集Pt100、热电偶一体的温度变送器，调节阀为气开形式，主、副控制器均为反作用。串级系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过它们的协调工作，使网前箱温度能够准确地控制在工艺规定的范围之内。关

5、键词：网前箱；温度控制；串级控制目 录第1章 绪论1第2章 课程设计的方案论证22.1 概述22.2 系统方案论证2第3章 硬件设计53.1 概述53.2 传感器及变送器的选择53.3 控制器的选择63.4 执行器的选择73.5 硬件连接10第4章 DCS系统软件设计114.1 DCS I/O组态114.2 DCS监控画面13第5章 系统仿真建模及分析155.1 被控对象传函的确定155.2 凑试法确定PID参数165.3 控制系统仿真建模分析17第6章 课程设计总结20参考文献21III第1章 绪论混合器和网前箱在造纸工业中是非常重要的换热设备。混合器控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达

6、到并维持在工艺要求范围内，由于其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。因此，在设计网前箱控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证网前箱的热效率最高。造纸厂生产过程中，纸浆用泵从储槽送至混合器，在混合器内用蒸气加热，经过立筛，圆筛去除杂质后到网前箱，再经铜网脱水。网前箱温度控制系统正是以网前箱的出口温度为主被控变量，通过控制温度来控制造纸厂生产出来的纸张质量。副被控变量是进入混合器的蒸汽流量。当检测变送仪表检测到网前箱出口温度的变化时，信号传送给温度控制器，进而控制进入混合器的蒸汽流量。如同其他生产实践的诸多领

7、域一样，温度在网前箱温度控制系统中有着举足轻重的地位。而实际生产的各个环节又有许多不确定性，因此系统要有更为先进的控制技术和控制理论。下面简单介绍一下温度控制系统的发展过程：80年代是温度记录仪，在纸上画出一段时间的温度曲线，再由电脑读取。其适合监控点少，时间短的要求。90年代是多路温度显示器，适合控制点少，功能要求不高的要求。90年代末有了有线温度的监控系统：利用模拟、数字信号，RS-485，以太网等传输方式，可以长时间对温度进行实时监控，实时传进电脑。这种温度检测监控系统可以实现大规模、长时间、高要求的检测。实现多功能的检测、记录、储存、分析、报警、人机对话的功能。但经过使用发现其缺点：由

8、于是有线传输信号，就必须排线布线，建立网络，工程麻烦。而且线路连接处的接头，常年使用会老化、氧化、松动，造成监控故障，而且排查十分麻烦。20世纪初，应运而生了半无线温度监控系统，其优点是把监控电脑利用局域网与多个中继器连接起来，把多个子单元的多个监控点传输进监控电脑，继承了有线温度监控系统的所有功能，既节省了线路，又减少了由于线路带来的监控故障。但在没有局域网的地方就无法监控了。2008年的纯无线温度监控系统解决了以上的缺点。纯无线温度信号采集仪，有温度显示，烟盒大小，小巧美观，高精度、高灵敏度、可校准。覆盖范围大、没有子单元限制，并可实现GPRS监控。实现监控系统的所有采集、记录储蓄、分析报

9、警、手机监控、手机报警、出图、历史查询、打印各种报表等功能。第2章 课程设计的方案论证2.1 概述本次设计主要是综合应用所学知识，完成对网前箱温度控制系统的设计，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“过程控制”课程中所学的基本理论和基本方法。应用场合：造纸厂。设计思路：在没有采用温度自控前，由操作工经常观察吊在网前箱里的水银温度计，根据温度的偏差去加启加热混合器的蒸汽阀门。 如若模仿人工操作，采用单回路调节系统，虽能部分地减轻工人的劳动强度，但由于从混合器到网前箱有90秒的纯潜后时间，因而在纸浆流量波动较大，调节质量无法满足要求。为了克服上述90秒的纯滞后时间，我们

10、选择混合器出口温度为副参数，将90秒的纯滞后时间包含在主对象内。2.2 系统方案论证方案一：采用单回路控制系统被控参数：网前箱出口温度控制变量：蒸汽流量网前箱单回路控制系统框图如图2.1所示：图2.1单回路控制工艺流程图如2.2所示：图2.2单回路工艺流程图此系统由一个测量元件及变送器、一个控制器、一个调节阀和一个调节对象组成，并只对一个被控参数也就是网前箱温度进行控制。温度控制器设为61，经过温度变送器传送到比较器，与设定值比较后的偏差控制执行器的动作，也就是蒸汽阀门开关的大小，由此来控制蒸汽流量进而控制网前箱的出口温度。方案二：采用串级控制系统主参数：网前箱出口温度副参数：混合器出口温度控

11、制变量：蒸汽流量网前箱温度串级控制系统框图如图2.3所示：图2.3串级控制串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的，在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主、副调节器串联工作；主调节器输出作为副调节器设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对主参数的定值控制。本设计中主温度调节器是根据网前箱出口温度与设定值的偏差进行控制，在调节阀较近处选择混合器温度为副参数，与网前箱出口温度构成串级控制系统。网前箱温度串级控制工艺流程图2.4所示：图2.4串级控制工艺流程图方案一单回路控制系统，根据网前箱出口温度与设定值得偏差进行控制执行器的动作，可是当混合器出现干扰时，控制

12、系统并不能及时作用，克服干扰对控制参数的影响，故控制量较差。由于混合器到网前箱纯滞后达90s，温度偏差过大，不能满足工艺控制精度要求。但该设计使用仪表数量少，结构简单，价格低。方案二中以调节阀近处选择混合器温度为副参数，网前箱出口温度为主参数，构成串级控制系统。串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的抑制能力。所以，幅度大的扰动包括在串级系统副回路中，就可以大大减少其对主参数的影响。串级系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过它们的协调工作，使网前箱温度能够准确地控制在工艺规定的范围之内。但方案二的缺点是应用的仪表较多，费用较高。根据以上分析，将选择方案二：串级控制系统作

13、为本设计的设计方案。第3章 硬件设计3.1 概述一个合理的控制方案，正确的测量和控制方案固然重要，正确选择和使用各种自动化仪表也是不可忽略的，只有仪表准确而及时地检测出生产过程中的各个有关参数，测量和控制方案才能得到很好的实施。在自控方案已经确定，工艺管道及控制流程图已经完成之后在进行仪表的选型。下面简单介绍一下本设计中所 用到的仪表选型：温度传感器选择PT100铂热电阻，检测变送器选择SBWR热电偶温度变送器，控制器选用浙大中控JX-300XP，执行器选用ZXP-16K的气动调节阀。3.2 传感器及变送器的选择根据测量精度±1.5与测量范围为0-100的要求，本设计传感器选用一体化

14、温度传感器模块PT100。PT100实物图如3.1所示： 图3.1PT100铂热电阻PT100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比，它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。温度的采集范围可以在-200+200。本设计选用SBWR热电偶温度变送器，SBWZ热电阻温度变送器是DDZ-S系列仪表中的现场安装式温度变送单元。它采用二线传送方式（两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线）。将热电偶、热电阻信号变换成与输入电信号或被测温度成线性的420mA的输出信号，变送器可以安装于热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构。它作为新一代测

15、温仪表可广泛应用于冶金、石油化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。SBWZ热电偶温度变送器如图3.2所示。图3.2SBWR热电偶温度变送器SBWZ热电阻温度变送器主要技术指标：输出：420mA 输入范围：热电阻：Pt100 测量精度：热电阻：±0.2%FS温度漂移：±0.2%冷端补偿：050±1调整方式：电位器电源电压：24VDC±10%负载能力：0500环境温度：-50500环境湿度：85%RH3.3 控制器的选择本次论文采用的浙大中控JX-300XP DCS是浙大中控自动化有限公司在JX-100，JX-200，JX-300基础上，经不

16、断完善，提高而全新设计的新一代全数字化DCS。集散控制系统（DCS）作为现在很流行的一种控制系统，在很多的领域当中都有一定的应用，其实 DCS的特点是非常多的，下面具体的介绍一下它的特点与应用环境。1）高可靠性。由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。2）开放性。DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。3）灵活性。通过组态软件根据不同的流程应用对

17、象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。4）易于维护。功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。5）协调性。各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。6）控制功能齐全，控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算

18、法。 DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。如图3.3所示浙大中控JX-300XP实物图。图3.3浙大中控JX-300XP3.4 执行器的选择执行器是自控系统中的执行机构，它的应用质量直接反应在系统的调节品质上。执行器按其操作介质的不同有多种形式，如自动调节阀、电磁阀、控制电机等。本设计选用自动调节阀作为执行器。在控制系统中的设计中，调节阀的选择是一个重要的问题，一般根据工艺条件，选择合适的结构形式和材料；根据工艺对象特点，选择

19、控制阀的流量特性；根据工艺操作参数，选择合适的控制阀口径和尺寸；根据工艺过程的要求，选择所需要的辅助装置；下面介绍一下本设计自动调节阀的选择：1）调节阀结构的选择：本设计涉及的介质无腐蚀性、无毒性及粘度，所以选用单座阀。2）调节阀按其工作能源形式可分为：气动、电动和液动三类。气动调节阀是由气压信号控制的阀门，用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆的环境中工作；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，但难以在易燃易爆的环境中工作；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。根据本设计要求，该调节阀调节蒸汽流量，故选用气动调节阀。3）气开、气关：从工艺生产安全考虑，一旦控制

20、系统发生故障、信号中断时，调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。所以，本设计蒸汽调节阀选择气开式，即一旦出现故障或信号中断，调节阀完全关闭，切断蒸汽进入混合器。根据以上分析我们选择型号为ZXP-16K的气动调节阀，如图3.4所示： 图3.4 ZXP-16K调节阀调节阀具体参数如下：适用介质：气体、液体、蒸汽等输入信号：420mA驱动方式：气动公称压力：6.4Mpa工作温度：-250550公称直径：DN20500（mm）连接形式：法兰电气转换器是一种将电信号转换成气压型号的转换仪表，在工业现场控制过程中被广泛使用。为了使气动调节阀能够接收电动调节阀的输出信号，必须使用电/气转换器把调

21、节器输出的标准电流信号转换为20100kpa的标准气压信号，以便沟通电动单元仪表与气动单元仪表一起工作。本设计选用，它是在QZD-1000型的基础上研制开发的新一代电气转换器，本系列产品采用线圈型防爆结构，具有体积小，稳定性好，可靠性高，安装调试方便等优点。如图3.5 QZD-2001型系列电气转换器。 图3.5QZD-2001型电气转换器技术参数如下：输入信号：4-20mA； 输出压力：0.02-0.1MPa；气源压力：0.14MPa；输入阻抗：300±10（4-20mA）； 环境温度：-35-100；相对湿度：5-95；防爆形式：Exia CT6 本质安全型；气源接口：螺纹M10

22、×1，配管6×1；信号接口：M22×1.5；基本误差：±1；回差：1死区：小于基本误差限绝对值的15；耗气量：小于450Lh3.5 硬件连接根据硬件的选择，完成实物的连接如图3.6所示。图3.6硬件连接图第4章 DCS系统软件设计4.1 DCSI/O组态本论文采用浙大中控DCS JX-300XP，组态流程如下：1）I/0点数及卡件的确定根据项目要求的测点清单，分类统计同类信号点数，从而得到这些信号的点数，根据卡件数量，统计端子板数量，如果卡件需要冗余配置，则卡件数量多一倍。根据测点清单，填写测点统计表，如表4-1所示。表4-1点数及卡件统计表信号类型卡件

23、型号点数卡件数目配套端子板型号端子板数目模拟信号电流信号XP31321*2+1XP520R2输出XP32211*2+1XP520R2开关量信号输入XP36311XP5201输出XP36211XP5201总计7771）I/O点组态如图4.1：图4.1I/O点的组态2）系统的总貌画面各个实时监控操作画面的总目录，主要用于显示过程信息，或作为索引画面，进入相应的操作画面，也可以根据需要设计成特殊菜单页。每页最多显示32块信息，每块信息可以为过程信息点和描述，标准画面索引位号和描述。过程信息点显示相应的信息、实时数据和状态。标准画面显示画面描述和状态。系统的总貌画面如图4.2所示。图4.2总貌画面3）

24、常规回路设置常规回路串级控制的设置如图4.3所示。4.3常规控制回路4.2 DCS监控画面1）数据一览画面。根据组态信息和工艺运行情况，动态更新每个位号的实时数据值，如图4.4所示。图4.4数据一览2）控制分组画面通过内部仪表的方式显示各个位号以及回路的各种信息。信息主要包括位号名、位号当前值、报警状态、当前值柱状显示、位号类型以及位号注释等。每个控制分组画面最多可以显示8个内部仪表，通过鼠标单击可以修改内部仪表的数据或状态，如图4.5所示。图4.5控制分组画面3）流程图工艺过程在实时监控画面上的仿真，由用户在组态软件中产生。流程图画面根据组态信息和工艺运行状况，在实时监控过程中动态更新各动态

25、对象，如数据点、图形等。监控画面流程图如图4.6所示。图4.6监控画面流程图第5章 系统仿真建模及分析5.1 被控对象传函的确定获取热工对象的数学模型是进行控制系统设计的先决条件，只有得到被控对象的数学模型，才能分析对象的动态特性，进而设计出合理的控制系统。通常将获取对象数学模型的过程称为建模。常用的建模方法有两种，即理论建模法和实验建模法。理论建模主要是通过对对象机理的分析，并在一定的假设条件下求出其动态方程，然后进行线性化处理。目前应用较多的是阶跃响应曲线法，即当对象处于稳定状态时，在对象的输入端人为的加以阶跃扰动信号，同时观察被调节量的响应特性曲线，然后由该曲线求出被控对象的传递函数。对

26、于单容有自平衡能力的控制对象，通常采用切线法近似求解传递函数，求解方法如下：放大系数K，K在数值上等于对象的输出稳态值与输入稳态值之比。时间常数T，当对象受到阶跃输入后，输出达到新的稳态值的0.632倍所需的时间。近似法求解传函的图解如图5.1。图5.1 近似法求传函图解其中，增益K的确定 （5-1）时间常数的确定：方法一：过拐点做切线，相交线段在时间轴上的投影。方法二：响应曲线上找的时间t1，则时间常数。根据设计的要求，网前箱的最终温度控制在61摄氏度，对于主被控对象，通过对阶跃信号与稳态信号分析，取增益K=1。在阶跃信号达到稳定时，在稳定值得0.632倍处做水平线，与曲线的交点在时间轴上的

27、投影为系统的调节时间Ti，Ti近似值为10，所以网前箱的传函为： （5-2） 副被控对象为物料流出的管道，根据管道的口径与流量，查找资料后确定其传函为： （5-3） 温度变送器的测量范围为0-200，网前箱温度控制系统设计要求温度的测量范围为0-100，温度变送器能满足系统的需求，直接将测量的实时温度送入控制器，所以取温度变送器的反馈增益为1。5.2 凑试法确定PID参数增大比例系数Kp一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间Ti有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。增大微

28、分时间Td有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。在凑试时，可参考以上参数对控制工程的影响趋势，对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤。1）首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观察相应的响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，那么只需用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。整定时首先置积分时间Ti为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小（如缩小为原值的0.8倍），然后减小积分时间，使

29、在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。3） 若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复整定仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。在整定时，可先置微分时间Td为0，在第二步整定的基础上，增大Td，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步试凑，以获得满意的调节效果和控制参数。5.3 控制系统仿真建模分析串级回路系统MATLAB仿真如图5.2所示： 图5.2maltab仿真其中内环回路是副回路，对应混合器出口温度控制，是随动控制的。外环回路是主回路，对应网前箱出口温度控制，是定值

30、控制的。各个模块的含义是：Step：整个系统仿真的输入给定值，设计要求设定值为61；Gain1：该模块代表气开阀，一般为线性控制，根据器件的选型设定参数为1.4；Gain2：该模块的主要目的是将输入信号61转变为PID控制器可以接受的标准信号0-5，此次设计简化为一个比例环节，并且设定参数为0.082；Gain3，Gain4：该模块分别为混合器出口温度与网前箱出口温度检测变送环节，即将测量到的被控对象输出变换反馈到输入并且与设定值比较作差送到PID控制器，为了简化搭建的方针模型使用一个比例环节代替检测变送环节设定参数分别为0.071，0.05；系统的跟踪特性曲线如图5.3所示：图5.3输出曲线

31、对系统进行误差分析：将设定值与输出进行比较，判断是否符合课程设计的控制要求。MATLAB误差分析仿真设计，其输出曲线如图5.4。将输出曲线放大得到如图5.5，由曲线可观测出最大偏差温度小于2，符合课程设计要求。图5.4误差分析曲线图5.5误差放大曲线第6章 课程设计总结纸是人们日常生活中不可缺少的物品，纸的质量与人们的生活也息息相关，本文设计造纸厂网前箱温度控制系统，混合器和网前箱在造纸厂中是非常重要的换热设备，混合器控制的主要任务就是保证工艺介质最终达到温度要求并一直维持在工艺要求范围内，从而使纸的质量得到保证。本次课程设计是造纸厂网前箱温度控制系统，主要作用是实现控制网前箱温度保持在61左右。因此，采用单回路闭环控制系统就可以实现对网前箱出口温度的控制，但从混合器到网前箱纯时延达90秒，单回路闭环控制达不到精度要求，所以在单回路闭环系统的基础上串联副回路控制，构成串级控制系统。该串级系统中以网前箱出口温度为主参数、混合器出口温度为副参数，以蒸汽流量为控制变量。本系统中的干扰有许多，比如：纸浆温度、纸浆的流量波动