《过程控制技术》课程设计-调节阀单回路流量定值控制系统设计

1、 设 计 说 明 书过程控制技术课程设计设 计 题 目：调节阀单回路流量定值控制系统设计 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级： 14电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系2017 年 7月7日全套设计加扣 3012250582目录目录41、设计任务分析51.1背景51.2设计内容及目的52、控制系统总体方案设计62.1 双容液位控制系统对象简介62.2 控制系统的方案选择62.1.3被控参数及控制参数的选择62.1.3测量变送器的选择62.1.3执行器的选择62.1.3控制器的选择63、被控对象数学模型的建立73.1 被控对象数学模型的建立的方

2、法简介73.2 被控对象数学模型的建立74、在Matlab上进行模型的搭建与仿真84.1 在Matlab上进行模型的搭建84.2 控制器的参数整定84.2.1临界比例度整定方法84.2.2衰减曲线法整定方法84.3 整定后的阶跃响应曲线85、结论91、设计任务分析1.1背景图3-1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。图3-1 单回路控制系统方框图1.2设计内容及目的内容1、以THJ-2高级过程控制实验

3、对象系统的调节阀单回路流量作为为研究对象，设计出合理的控制方案。利用MATLAB的曲线拟合的方法分别得出系统系统中的调节阀单回路流量的传递函数。2、利用MATLAB的Simulink搭建调节阀单回路流量PID控制系统。3、整定控制器的PID参数，并给出整定后的阶跃响应曲线并进行分析，得出结论。目的 通过某种组态软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用但闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有美观 组态画面和较完善组态控制程序的流量单回路过程控制系统2、控制系统总体方案设计2.1 调节阀单回路流量定值控制系统对象简介一、被控对象管道及阀门：整个系统管道由敷塑

4、不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。二、检测装置流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：01.2m3/h；精度：1.0%；输出：420mADC。三、执行机构电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进

5、、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。2.2 控制系统的方案选择2.1.3被控参数及控制参数的选择1干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。即时间常数Tf越大，则系统的动态偏差就愈小。通常干扰通道中还会有

6、纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个值，但不会影响系统的调节质量。2干扰进入系统中的不同位置。复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如图3-2所示。同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。2.1.3测量变送器的选择流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：01.2m3/h；精度：1.0%；输出：420mADC。2.1.3执行器

7、的选择电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。2.1.3控制器的选择控制系统中，不仅是控制器，而且被控对象、测量元件及变送器和执行器都有各自的作用方向。它们如果组合不当，使总的作用方向构成正反馈，则控制系统不但不能起控制作用，反而破坏了生产过程的稳定。所以在系统投运前必须注意检查各环节的作用方向，其目的是通过改变

8、控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。由于控制器的输出决定于被控变量的测量值于给定值之差，所以被控变量的测量值与给定值变化时，对输出的作用方向是相反的。对于控制器的作用方向是这样规定的：当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加（或给定值减小）时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。3、被控对象数学模型的建立3.1 被控对象数学模型的建立的方法简介 建立被控过程数学模型的方法一般有机理建模、试验建模、混合建模。 机理建模是根据对象或是生产过程

9、的内部机理写出各种有关的平衡方程如物料平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程以及某些设备方程、化学反应定律等从而得到对象的数学模型。这类模型通常称为机理模型。这种方法建立的模型的最大优点是具有非常明显的物理意义模型具有很大的适应性便于模型参数的调整。 试验建模是在机理建模难以建立的情况下可以采用试验建模的方法得到对象的数学模型。试验建模针对所要研究的对象人为地施加一个输入作用然后用仪表记录表征对象特性的物理量随着时间变化的规律得到一系列的试验数据或者是曲线。通过对曲线的分析获得必要的规律信息。 混合建模将机理建模和试验建模结合起来就是混合建模。混合建模是一种比较实用的方法它先由机理分析的方法提出

10、数学结构模式然后对其中某些未知的或不确定的参数利用试验的方法予以确定。3.2 被控对象数学模型的建立G0(S)=1/(3S+1)(14S+1)(16S+1)4、在Matlab上进行模型的搭建与仿真4.1 在Matlab上进行模型的搭建4.2 控制器的参数整定先把积分时间打至Ti=微分时间Td=0调节器只利用纯比例作用干扰作用下整定比例度使被调参数产生振荡调等幅振荡止记下时临界比例度k值及临界周期Tk值根据经验计算出各参数整定值。4.2.1临界比例度整定方法临界比例度法图3-4 具有周期TS的等幅振荡这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐

11、渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图3-4所示。根据临界比例度k和振荡周期TS，按表3-2所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4：1衰减为目标。表3-2 临界比例度法整定调节器参数 调节器参数调节器名称TI(S)TD(S)P2kPI2.2kTS/1.2PID1.6k0.5TS0.125TS临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。4.2.2衰减曲线法

12、整定方法 图3-5 4：1衰减曲线法图形在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图3-5所示的4：1衰减过程为止。这时的比例度称为4：1衰减比例度，用S表示之。相邻两波峰间的距离称为4：1衰减周期TS。根据S和TS，运用表3-3所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。表3-3 衰减曲线法计算公式 调节器参数调节器名称（%）TI(min)TD(min)PSPI1.2S0.5TSPID0.8S0.3TS0.1 TS 4.3 整定后的阶跃响应曲线5、结论本次课设中我采用了衰减曲线法进行整定。在整定调节系统PID参数时，希望

13、达到调节过程呈现逐渐衰减曲线的形式。一般地，如果给出的比例参数使调节过程呈现出衰减过程，就可以视情况加入积分作用辅助调节，让曲线围绕定值逐步衰减，达到0.750.9衰减率。这一指标并非绝对，关键要看调节过程能否容忍，也就是说是否安全。如果给出的比例作用参数正好引起等幅振荡，那就按照临界比例带法弱化比例作用后，加入积分调节作用，让调节过程围绕定值波动衰减。因此我了解到微分作用要根据被调量的采集特征和调节对象的惯性迟延来决定是否可以加入，加入时也是由小到大，逐步试验整定。经验告诉我们，微分作用在中小扰动时合适的话，大幅或特大幅的扰动就可能带来危害，除非设置自动增益来处理。6、 设计体会 从这次课设

14、中，我充分利用了工业过程控制的原理，也逐步了解了机控知识，在课程设计中，学会了简单应用。这个阶段也许就是学习的初级阶段，最重要的是在枯燥中发现新奇，逐渐获得兴趣。学习的动力大部分来自信心，刚开始的时候不知道该怎么做，查了大量的芯片资料和相关课本知识，在设计过程中也加深了知识的理解，并且在摸索之中设计出组态图。在画组态图的过程中，刚开始也不知道怎么下手，也查了很多别人设计好的组态画面，一边拆分研究一边思考，终于把程组态图画完整了。从中，我体会到抱以极大的信心，耐得住寂寞，并且持之以恒，对学习、工作有着巨大的意义的。 在设计过程中，我也充分感受到了团队合作力量的强大，一个人想出了方案但可能不完美，相互补充就保证了电路原理图的严谨和完美。我们各人之间好好的配合，分工合作，设计过程没有一团乱麻。更为可贵的是，我们彼此鼓励，同舟共济地处理每个问题。因此