过程控制课程设计报告-贮槽液位控制系统设计

过程限制课程设计设计题目：贮槽液位限制系统设计学院：电气工程学院专业：自动化班级：091班2021年6月4日小组成员:序号161718192021222324252627282930学号 学号 姓名0902100138姚航程0902100140韦寿德0902100141张印0902100142邓世杰0902100147杨奉志0902100148钟昌帅0902100149李晓明0902100202张凯强0902100203农志兴0902100204袁剑波0902100206李季0902100208黄灵浩0902100209谭雷0902100213吴高阳0902100216潘敏设计分工总方案确实定及原理、限制参数的整定、simulink仿真测量变送器的选型、限制参数的整定、查阅资料测量变送器的选型、限制参数的整定调节阀的选型、水箱的建模总方案确实定及原理、限制参数的整定、simulink仿真simulink仿真、调节阀的选型限制器的选型、限制参数的整定、设计总结、整理报告simulink仿真、水箱的建模、查阅资料调节阀的选型、水箱的建模限制器的选型、查阅资料调节阀的选型、限制器的选型测量变送器的选型、水箱的建模、查阅资料调节阀的选型、水箱的建模限制参数的整定、水箱的建模、查阅资料调节阀的选型、测量变送器的选型目录TOC\o"1-5"\h\z一、设计目的 4二、设计任务及要求 4三、工艺过程及要求 5四、系统总体方案的选择及说明 6五、系统结构框图与工作原理 7\o"CurrentDocument".系统结构框图 7\o"CurrentDocument".工作原理 8\o"CurrentDocument".水箱建模 8六、各单元软硬件 10\o"CurrentDocument".限制对象 10\o"CurrentDocument".限制器 10\o"CurrentDocument".调节阀 11\o"CurrentDocument".差压变送器 12七、参数的整定及仿真结果 13\o"CurrentDocument".经验法〔现场实验整定法〕 13\o"CurrentDocument".常见被控量的PID参数选择范围 13\o"CurrentDocument".限制器各校正环节的作用 13\o"CurrentDocument".仿真结果 14八、分析总结 16设备清单 17考文献 18一、设计目的过程限制课程设计是一项重要的实践性教学环节.在设计过程中,通过一个工程实际课题的设计练习,学生可以初步实践过程限制系统的设计过程、明确应完成的工作内容和采用的具体设计方法, 达到稳固、充实和综合所学知识并解决实际问题的目的.通过课程设计,可以培养学生以下水平：独立工作水平和创造力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的水平；综合运用专业及根底知识,解决实际工程技术问题的水平；编写技术资料的水平.二、设计任务及要求课程设计应充分运用过程限制技术及相关专业课的知识,针对某生产工艺过程实施自动过程限制方案.因此,既要充分掌握生产工艺过程及限制工程的根本知识,又要熟悉限制及检测仪表的使用方法及型号、规格、价格等信息.设计任务主要包括以下方面：,了解生产工况：研究过程限制单元的生产工艺及工作环境,在这一阶段还需要收集工艺中有关的物性参数和重要数据..明确限制要求：找出被控对象,针对可能出现的干扰因素分析限制目的及其应到达的限制效果.3,拟定限制方案：根据现场的特点、限制室与现场的相对位置及系统的限制要求,确定合理的限制系统类型,定出各检测点、限制点的实际位置,初步分析限制系统的性能.4,制定限制流程图：根据工艺特点以及限制方案画出系统的限制工艺流程图及限制方框图..选取被控变量和操纵变量：根据限制要求及工艺合理性进行选取,尽量选取容易检测、无容量滞后或滞后小的变量..过程装置及仪表的选型：根据工艺提供的数据及仪表选型的原那么〔根据工艺数据和有关计算方法对调节阀进行相应的计算〕 ,调研产品的性能、质量和价格,选定检测、变送、显示、限制等各类仪表的规格、型号.另外,对于仪表设备的辅助设备材料〔仪表设备在安装过程中,还需要选用一些有关的其它设备材料〕也需根据施工要求,进行数量统计,编制仪表安装材料表等.,设计总结：对整个设计过程做客观的评价,并阐述限制系统的优、缺点等.三、工艺过程及要求在工业生产过程中,液体贮梢如进料罐、成品罐、中间缓冲容器、水箱等设备应用十分普遍,为了保证生产正常进行,物料进出需均衡,以保证过程的物料平衡.工艺要求液位贮梢内的液位需维持在某给定值上下,或在某一小范围内变化,并保证物料不产生溢出.

四、系统总体方案的选择及说明随着工业生产的迅速开展,工艺条件越来越复杂.对过程限制的要求越来越高.过程限制系统的设计是以被控过程的特性为依据的.由于工业过程的复杂、多变,因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等.为了满足上述特点与工艺要求,过程限制中的限制方法是十分丰富的.通常有单变量限制系统,也有多变量限制系统,有复杂限制系统,也有满足特定要求限制系统.在工业生产过程中,液体贮槽设备如进料罐、成品罐、中间缓冲容器、水箱等应用十分普遍,为保证生产正常进行,物料进出需均衡,以保证过程的物料平衡,因此工艺要求贮槽内的液位需维持在某个给定值上下, 或在某一小范围内变化,并保证物料不产生溢出,要求设计一个液位限制系统.对分析设计的要求,生产工艺比较简单要求并不高,所以采用单回路限制系统进行设计.单回路限制系统又称简单限制系统,是指由一个被控系统、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统.单回路限制系统是最简单、最根本、最成熟的一种限制方式.单回路限制系统根据被控量的系统、液位单回路限制系统等.单回路限制系统的结构比较简单,所需的自动化装置数量少,操作维护也比较方便,因此在化工自动化中使用很普遍,这类系统占限制回路的绝大多数.单回路限制系统虽然简单,但它的分析、设计方法是其它各种复杂过程限制系统分析、设计的根底.对单回路限制系统进行分析,设计,调试处理的方法,理解单回路限制系统对各个环节的影响,就可以分析处理好更复杂的设计问题.这里选择的是液位单回路限制系统.单回路限制系统方框图的一般形式如下：F(S)X(S)*X(S)*Wo(S)Y(S)Z(S)Wm(S)•Wc(S)——限制器的传递函数 Wv(S)——调节阀的传递函数Wo(S)——被控过程的传递函数 Wm(S)——测量变送器的传递函数

五、系统结构框图与工作原理.系统结构框图：设定值设定值e 一液位限制器目执行阀q1二•液位过程实际液位检测变送器喀执行阀液位执行阀液位检测变送器过程限制系统,简单的说,就是采用计算机来实现的过程工业限制〔含治理〕系统.从限制系统引入计算机,可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种限制任务实现复杂东芝规律.由于计算机只能处理数字信号,因此给定值和反应要先经过A/D转换器将其转换为数字量,才能输入计算机.但计算机接受了给定量和反应量后,依照偏差值,按某种限制规律进行运算〔如PID运算〕,计算结果〔数字信号〕在经过D/A转换器,将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构,从而完成对系统的限制作用..工作原理单回路过程限制系统亦称单回路调节系统,一般是指正对一个被控过程〔调节对象〕,采用一个检测变松器检测被测过程,采用一个限制〔调节器〕来保持参数恒定〔或在很小范围变化〕,其输出也只限制一个执行机构〔调节阀〕.从系统的款图看,只有一个闭环回路.单回路过程限制系统是实现生产过程自动化的根本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运,能满足一般工业生产过程的限制要求、因此在工业生产小应用十分广泛,尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓,或者限制质量要求不太高的场合.单回路过程限制系统虽然简单,但它的分析、设计方法是其它各种复杂过程限制系统分析、设计的根底.因此,学习和掌握单回路系统的工程设计方法是非常重要的..水箱建模这里研究的被控对象只有一个,那就是单容水箱〔图2-1〕.要对该对象进行较好的计算机限制,有必要建立被控对象的数学模型.正如前面提到的,单容水箱是一个自衡系统.根据它的这一特性,我们可以用阶跃响应测试法进行建模.如图2-1,设水箱的进水量为Q,出水量为Q,水箱的液面高度为h,出水阀％固定于某一开度值.假设Q作为被控对象的输入变量,h为其输出变量,那么该被控对象的数学模型就是h与Q之间的数学表达式.根据动态物料平衡关系有dhQi-Q2=Cd- 〔2-1〕dt将式〔2-1〕表示为增量形式d:h△Q1-AQ2=Cd— 〔2-2〕dt式中,AQ1、AQ2、Ah——分别为偏离某一平衡状态Q10、Q20、ho的增量；C水箱底面积.在静态时,Q1=Q2；dh/dt=0;当Q发生变化时,液位h随之变化,阀V2处的静压也随之变化,Q2也必然发生变化.由流体力学可知,流体在紊流情况下,液位h与流量之间为非线性关系.但为简化起见,经线性化处理,那么可近似认为△Qi与Ah成正比,而与阀V2的阻力R成反比,即.：h.：hr2h或 R2二 .Q2(2-3)式中,R2为阀V2的阻力,称为液阻将式〔2-3〕代入式〔2-2〕可得dhR2C--+Ah=R2AQ1 〔2-4〕dt在零初始条件下,对上式求拉氏变换,得：Go(s)=H(s)Qi(s)RGo(s)=H(s)Qi(s)RKR2csi-Ts1(2-5)式中,T=RC为水箱的时间常数〔注意：阀上的开度大小会影响到水箱的时间常数〕,K=R为过程的放大倍数.令输入流量Qi〔s〕=Ro/s,Ro为常量,那么输出液位的高度为:KRo KRoKRos(Ts1) s s1/T,1th(t)=KRo(1-eT)(2-6)(2-7)当tT8时,h〔g〕=KRo因而有h〔°°〕 输出稳态值-RT二阶跃输入(2-8)当t=T时,那么有h(T)=KRo(1-e,)=o.632KRo=o.632h(二)(2-9)式〔2-7〕表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数, 如图2-2所示.由式〔2-9〕可知该曲线上升到稳态值的 63.2%所对应的时间,就是水箱的时间常数To该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线,此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数 To图2-2阶跃响应曲线六、各单元软硬件.限制对象限制对象为一个水箱,水箱液位高度决定于入水量、出水量、水箱形状等因素.实验选用PI算法将水箱液位限制在指定位置.水箱装有液位传感器,并选用水箱中的液位高度为限制变量.管路任一个手动阀都可以作为干扰源,用以产生干扰信号,整个被控对象组成了一个限制系统..限制器模拟式限制器DDZ-IH型DDZ皿型电动单元限制器是一种常用的模拟式限制器,以来自变送器的标准1-5V直流信号作输入,与1-5V直流设定值比较得到偏差,进行PID运算后输出1-5V或4-20mA信号.其特点如下：采用高增益、高阻抗线性集成电路组件,提升了仪表的精度、稳定性和可靠性,降低了功耗.整套仪表可以构成平安火花防爆系统,且增加了平安单元-平安栅,实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离.③有软、硬两种手动操作方式,软手动和自动之间相互切换具有双向无平衡无扰动特性,提升了限制器的操作性能.由于在自动与软手动之间有保持状态,此时限制器输出可保持长期不变,即使有偏差存在,也能实现无扰切换.

④采用国际标准信号制,现场传输信号为4〜20mAft流电流,限制室联络信号为1〜5V直流电压,信号电流和电压的转换电阻为250Q.由于电气零点不是从零开始,因此容易识别断电、断线等故障.信号传输采用电流传送-电压接受的并联方式,即进出限制室的传输信号为直流电流信号〔 4〜20mA,将此电流信号转换成直流电压信号后,以并联形式传输给限制室各仪表.DDZ-m型限制器传递函数为：G(s)G(s)=U(s)E(s)Kp(1TiSTdS)3.调节阀气动调节阀：结构简单,可靠,维护方便,防火防爆.薄膜式：由于不需要大口径、高压降,一般情况选用薄膜式.直通单座阀：由于这是小口径、低压差的场合.气开式：无压力信号时阀全闭,随着信号增大,阀门逐渐开大称的为气开式,因为考虑到限制信号中断后,为预防水满溢出水箱,所以选择气开式.选用ZJHP系列ZHB-22型气动气开式薄膜直通单座调节阀此调节阀是上海好施阀门生产的,由多弹簧气动薄膜执行机构和顶导向式直通低流阻单座阀组成.具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、流体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确,配用电-气阀门定位或气动阀门定位器,可实现对工艺管路流体介质的自动调节限制,广泛应用于精确控气体、液体、蒸汽等介质的工艺参数如压力、流量、温度、液位等参数保持在给定值.是符合IEC标准的新一代通用调节阀产品.结构特点：.ZJH叫气动单座调节阀是自动化限制系统中仪表的执行单元,采用电-气阀门定位器,以电信号和压缩空气为动力,接受限制系统输入的 0-10mADC或4-20mADC电流信号,由调节器将压缩空气,转换成气源压力信号输入输出,可实现分程限制〔段幅信号〕,从而改变阀门开度位移,到达对流体介质的工艺参数精确调节限制.直通低流阻单座为无底盖顶导向结构,它只有一个阀座和一个柱塞形阀芯具有密闭性能好、泄漏量小、动作灵敏、流体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、可调比大,阀芯导向局部的导向面积大,具有抗振性能强等特点,适用于对介质泄漏量及调节精度有严格要求的场合,但由于阀结构上的原因,阀杆上的不平衡力较大,尤其在公称通径大的工况下更为明显,因而该阀只适合于工作压差较小的场合..通过改变阀芯形状的设计,不同的阀芯形状会得到不同流量特性：等百分比〔对数〕性、直线性、快开特性.传递函数:调节阀：Wc〔s〕=Kc.差压变送器选用罗斯蒙特3051c差压变送器,其主要参数如下：总体性能：±0.15%精度：±0.075%差压：校验量程从0.5inH2O至2000Psi表压：校验量程从2.5inH2O至2000Psi绝对压力：校验量程从0.167psia至4000psia过程隔离膜片：不锈钢,哈氏合金C,蒙乃尔,钥〔仅限CDCG及镀金蒙乃尔设计小巧、巩固而质轻,易于安装特点：罗斯蒙特3051压力变送器具有无可比较的操作性能、灵活的CoPlanarTM平台,而且可以升级.新型罗斯蒙特3051c压力变送器的性能指标保证了在不同工况下的精度和稳定性.七、参数的整定及仿真结果.经验法〔现场实验整定法〕根据先比例、后积分、再微分的顺序进行整定①Ti=oo,Td=0,6由大到小调节,使过渡过程到达4:1,且静差较小,假设能满足要求,那么用比例限制.②假设静差不能满足要求,那么需要加积分环节.比例度6增加10-20%,由大到小调节积分时间TI,在保持动态特性的根底上,减小或者消除误差.③假设动态特性不能满足要求,由大到小调节Td,同时适当调节TI、6.〔满足要求的参数不是唯一的,某个参数的减小可以用其它参数的增大来补偿〕.常见被控量的PID参数选择范围:系统参数6(%)T(min)TD(min)温度20〜603〜100.5〜340〜1000.1〜1压力30〜700.4〜3液位20〜803,限制器各校正环节的作用如下：①比例环节：用于加快系统的响应速度,提升系统的调节精度. Kp越大,系统的响应速度越快,系统的调节精度越高,但易产生超调,甚至会导致系统不稳定.Kp取值过小,那么会降低调节精度,使响应速度缓慢,从而延长调节时间,使系统静态、动态特性变坏.②积分环节：主要用来消除系统的稳态误差.Ti越小,系统的静态误差消除越快,但Ti过小,在响应过程的初期会产生积分饱和现象,从而引起响应过程的较大超调.假设Ti过大,将使系统静态误差难以消除,影响系统的调节精度.③微分环节：能改善系统的动态特性,其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任

何方向的变化,对偏差变化进行提前预报.但Td过大,会使响应过程提前制动,从而延长调节时间,而且会降低系统的抗