《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2

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84.3 整定后的阶跃响应曲线85、结论91、设计任务分析1.1背景单回路控制系统又称单回路反馈控制系统。在所有的反馈控制系统中它是最简单最基本的一种，因此它又被称为简单控制系统。单回路控制系统有4个基本环节组成，即1被控对象或者被控过程，2测量变送装置，3控制器，4控制阀。也是一个简单的PID控制。1.2设计内容及目的内容1、以THJ-2高级过程控制实验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

3、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

4、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、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、

5、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

6、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

7、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。

8、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

9、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

10、定。3.2 被控对象数学模型的建立G0(S)=1/(4S+1)(11S+1)(14S+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

11、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。4.3 整定后的阶跃响应曲线5、结论本次课设我才用的是动态参数法又称响应曲线法，即在获得对象的阶跃响应曲线后，才能计算调节器整定参数，而其它三种方法均不需要知道对象的动态特性。从原理上说，这种方法即简单又省时。然而我通过实验发现出现以下问题：(1)由于外界干扰的影响，需要进行反复多次的对象动态特性试验，以取得真实反映对象特性的试验曲线。 (2)试验时需加入足够大的扰动量，才能使被调量的变化量足够大。这样，在阶跃响应曲线上求出的特征参数。才具有较高的准确性。 仅上述两点，就需要作多次大扰动量的试验，这对生产过程来说有是不允许6、 设计体会 在这次过程控