专业课程设计方案报告完整版.doc

目 录一.设计任务分析 31.1 设计目 31.2 设计规定 3二. 被控对象以及仪表描述 3三.总体方案设计 123.1整体方案描述 123.2对象特性测试及数学模型 153.2.1单容水箱特性测试 153.2.2 电动阀传递函数测试 163.2.3 变频器/磁力泵传递函数测试 183.3 matlab 仿真 19四.课程设计体会 21五.参照文献 22摘要过程控制普通是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中持续或按一定周期程序进行生产过程自动控制，它是自动化技术重要构成某些。在当代化工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改进劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大作用。在当代工业生产过程中，经常遇到生产工艺规定两种或各种物料流量成一定比例关系问题，一旦比例失调，就会影响生产正常进行，影响产品质量，挥霍原料，消耗动力，导致环境污染，甚至产生生产事故。一 设计任务分析一 设计任务描述在理解、熟悉和掌握双闭环流量比值控制系统工艺流程和生产过程静态和动态特性基本之上，依照生产过程对控制系统所提出安全性、经济性和稳定性规定，应用控制理论对控制系统进行分析和综合，最后采用计算机控制技术予以实现。二 设计规定1. 从构成、工作原理上对工业型流量传感器、执行机构有一深刻理解和结识。2. 分析控制系统各个环节动态特性，从实验中获得各环节特性曲线，建立被控对象数学模型。3. 依照其数学模型，选取被控规律和整定调节器参数。4. 在Matlab上进行仿真，调节控制器参数，获得最佳控制效果。5. 理解和掌握自动控制系统设计与实现办法，并在THJ-2型高档过程控制系统平台上完毕本控制系统线路连接和参数调试，得到最佳控制效果。6. 分析仿真成果与实际系统调试成果差别，巩固所学知识。二 被控对象以及仪表描述本次课程设计被控对象是：被控对象为电动阀支路流量和变频器磁力泵支路流量（一）系统简介“THJ-2型高档过程控制系统实验装置”是基于工业过程物理模仿对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体多功能实验装置。该系统涉及流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈反馈控制，比值控制，解耦控制等各种控制形式。（二）系统构成本实验装置由被控对象和控制仪表两某些构成。系统动力支路分两路：一路由三（380V交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀构成；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀构成。1、被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接有机玻璃圆筒形水箱、4.5千瓦电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成)、冷热水互换盘管和敷塑不锈钢管道构成。水箱：涉及上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。 上、中、下水箱采用优质淡蓝色圆筒型有机玻璃。上、中水箱尺寸均为：d=25cm,h=20 cm；下水箱尺寸为：d=35cm,h=20 cm。水箱构造非常独特，有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶液位单回路控制实验和双闭环、三闭环液位串级控制等实验。储水箱是采用不锈钢板制成，尺寸为：长宽高=68cm5243 完全能满足上、中、下水箱实验需要。模仿锅炉：本装置采用模仿锅炉进行温度实验，此锅炉采用不锈钢精制而成，由二层构成：加热层（内胆）和冷却层（夹套）。做温度单回路实验时，冷却层循环水可以使加热层热量迅速散发，使加热层温度迅速下降。冷却层和加热层均有温度传感器检测其温度。盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有三个不同温度检测点，它们滞后时间常数不同，在实验过程中依照不同实验需要选取不同滞后时间常数。盘管出来水既可以回流到锅炉内胆，也可以通过涡轮流量计完毕流量滞后实验。2、检测装置压力传感器、变送器：采用工业用扩散硅压力变送器，含不锈钢隔离膜片，同步采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱液位进行检测，其精度为0.5级，由于为二线制，故工作时需串接24V直流电源。温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管水温。通过调节器温度变送器，可将温度信号转换成4 20mADC电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对电动调节阀支路、变频支路及盘管出口支路流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10，流量范畴：01.2m3/h，精度：1.0%。输出：420mA原则信号。本装置用了三套涡轮流量传感器、变送器。3、执行机构电动调节阀：采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具备精度高、控制单元与电动执行机构一体化、操作以便等长处，控制信号为420mA DC或15V DC，输出420mA DC阀位信号，使用和校正非常以便。变频器：本装置采用日本三菱变频器，控制信号输入为420mADC或05VDC，220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。 水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。本装置采用两只磁力驱动泵。一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA原则电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉温度。电磁阀：在本装置中作为电动调节阀旁路，起到阶跃干扰作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580。4、控制器本实验装置基本配备控制器有调节仪表、比值器/前馈-反馈补偿器、解耦装置。调节仪表：本系统实验装置采用上海万迅仪表有限公司AI系列仪表，其重要特点有：1. 全球通用85246VAC范畴开关电源或者24VDC电源供电，并具备各种外形尺寸。2. 输入采用数字校正系统，内置惯用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精准稳定。3. 采用先进AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。本装置有4台调节器。其中三台型号是AI-818，另一台型号是AI-708。1. 技术规格a) 热电偶：K、S、R、E、J、T、B、Nb) 热电阻：Cu50、Pt100c) 线性电压：05V、15V、01V、0100mV、020mV等d) 线性电流（需外接分流电阻）：010mA、020mA、420mA等2. 测量范畴e) K（-501300）、S（-501700）、R（-501650）、T（-200550）、E（0800）、J（01000）、B（01800）、N（01300）、f) Cu50（-50150）、Pt100（-200600）3. 测量精度g) 0.2级（热电阻、线性电压、线性电流及热电偶输入且采用铜电阻补偿或冰点补偿冷端时）h) 0.2%FS2.0（热电偶输入且采用仪表内部元件测温补偿冷端时）4. 响应时间i) 0.5秒（设立数字滤波参数dL=0时）j) 注：仪表对B分度号热电偶在0600范畴时可以进行测量，但测量精度无法达到0.2级，在600-1800范畴可保证0.2级测量精度。5. AI人工智能调节，包括模糊逻辑PID调节及参数自整定功能先进控制算法。6. 输出规格（模块化）k) 继电器触点开关输出（常开+常闭）：250VAC/1A或30VDC/1Al) 可控硅无触点开关输出（常开或常闭）：100-240VAC/0.2A（持续），2A（20mS瞬时，重复周期不不大于5S）m) SSR电压输出：12VDC/30mA（用于驱动SSR固态继电器）n) 可控硅触发输出：可触发5-500A双向可控硅、2个单向可控硅反并联连接或可控硅功率模块o) 线性电流输出：0-10 mA可4-20 mA可定义（安装X模块时输出电压10.5V；X4模块输出电压7V）7. 报警功能上限、下限、正偏差、负偏差等4种方式，最多可输出3路，有上电免除报警选取功能。8. 手动功能自动/手动双向无扰动切换（仅A1-808/808P系列具备此功能）9. 电源：100-240VAC，-15%，+10%50-60HZ；电源消耗：5W10. 环境温度：0-50比值器、前馈-反馈装置此控制器与调节器一起使用既可以实现流量单闭环比值、双闭环比值控制系统实验，又可以实现液位与流量、温度与流量前馈-反馈控制系统实验。解耦控制装置此控制器与调节器一起使用可以实现锅炉内胆与锅炉夹套温度、上水箱液位与出口温度解耦控制系统实验。（三）仪表综合控制台仪表控制台面板由三某些构成：1. 电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。2. 仪表面板：1块变频调速器面板、3块AI/818A智能调节仪面板、1块AI/708A智能位式调节仪、解耦装置面板，比值器/前馈-反馈装置面板，各装置外接线端子通过面板上自锁紧插孔引出。3. I/O信号接口面板：该面板作用重要是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，再通过航空插头同对象系统连接，便于学生自行连线构成不同控制系统，进行几十种过程控制系统实验。（四）系统特点1. 被控参数全面，涵盖了持续性工业生产过程中液位、压力、流量及温度等典型参数。2. 本装置由控制对象、智能仪表综合控制台、计算机三某些构成，系统构造布局合理，造型美观大方。3. 直实性、直观性、综合性强，控制对象组件所有来源于工业现场。4. 具备广泛扩展性和后续开发功能，所有I/O信号所有采用国际原则IEC信号，可通过信号接口电缆与任何后续智能化控制平台连接。5. 执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构，又有变频器、可控硅移相调压装置、接触器位式控制装置等。6. 调节系统除了有调节器设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。7. 一种被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同工艺管路下演变成各种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案优劣。8. 系统设计时使2个信号在本对象中存在着互相耦合，两者同步需要对原独立调节系统被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际性能规定。9. 能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。10. 各种控制算法和调节规律在开放实验软件平台上都可以实现。11. 实验数据及图表在MCGS软件系统中很容易存储及调用，以实验者进行实验后比较和分析。（五）系统软件MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平台，用于迅速构造和生成上位机监控系统组态软件系统，可运营于Microsoft Windows95/98/NT/等操作系统。MCGS5.1为顾客提供理解决实际工程问题完整方案和开发平台，可以完毕现场数据采集、实时和历史数据解决、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及公司监控网络等功能。使用MCGS5.1，顾客不必具备计算机编程知识，就可以在短时间内轻而易举地完毕一种运营稳定，功能成熟，维护量小且具备专业水准计算机监控系统开发工作。MCGS5.1具备操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，通过各种现场长期实际运营，系统稳定可靠。（六）装置安全保护体系1. 三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置三相四线制断路器进入系统电源后又分为三相电源支路和三个不同相单相支路，每一支路都带有各自三相、单相断路器。总电源设有三相通电批示灯和380V三相电压批示表，三相带灯熔断器作为断相批示。2. 控制屏电源由接触器通过起、停按钮进行控制。3. 屏上装有一套电压型漏电保护装置和一套电流型漏电保护装置。控制屏内或强电输出（涉及实验中连线）若有漏电现象，即告警并切断总电源，保证明验进程安全。4. 控制屏设有服务管理器（即定期器兼报警记录仪），为学生实验技能考核提供一种统一原则。5. 各种电源及各种仪表均有可靠保护功能。6. 实验强电接线插头采用封闭式构造，防止触电事故发生。7. 强弱电连线插头采用不同构造插头，防止强弱电混接。实验装置总貌图（七） 设备使用阐明实验前，要对被控对象及其控制系统所涉及仪器仪表有清晰结识。先将储水箱中贮足水量，电动调节阀可以通过阀F1-1、磁力泵、F1-2、F1-8流至下水箱。变频器磁力泵支路可以通过阀F2-1、变频器控制磁力泵、阀F2-5流至下水箱。两个支路流量传感器分别为FT1与FT2。AI智能调节仪1设立参照：;Sn=33;CF=0;ADDR=1;SV=15；diH=100;dil=0；调节仪2：Sn=32;CF=8;ADDR=2；diH=100;dil=0;电动调节阀使用：电动阀上电后切不可用手来旋转黑色手轮，断开控制信号后，阀位有保持功能，也不可旋转手轮，只有在断开AC220V后，才可使用手动，在普通状况下不必手动。接线阐明： 图形某些（强电）图形某些（弱电）强电某些：三相电源输出u、v、w 接到380v磁力泵输入u、v、w端；变频器输出端A、B、C接到220v磁力泵输入A、B、C端；单相L、N并联接到调节仪1和调节仪2L、N端；单相L、N端接到电动调节阀电源L、N端；单相L、N端接到比值器电源L、N端；弱电某些：电动阀支路流量FT1信号并联接到调节仪11、2输入端和比值模块电压输入1+、-端，比值模块电压输出+、-端相应接到调节仪21、2端，FT2信号+、-端相应接到调节仪23、2输入端；调节仪1输出7、5端相应接到电动调节阀控制信号+、-端，调节仪2输出7、5端相应接到变频器420mA控制信号输入+、-端，变频器STF端、SD端和RH端短接；24v电源输出+、-端接到流量计电源输入+、-端。变频器使用：启动变频器后，其批示灯会自动工作在“EXT”外部控制状态下，当咱们设立好参数（P30=1，P53=1，P62=4）选取正转（将STF和SD短接）再将DC420mA控制信号给到变频器信号输入端子去，就可以自动控制了，其中05V电压输入不可用。手动控制频率时，可在控制信号线和正反转短接线都拔下状况下，按下“PU/EXT”按钮，就可将变频器工作状态从EXT切到PU状态下，将频率调到某一值，按下“SET”键，这时会有F和设定值交替闪烁3秒状态，表达设定成功，按下“RUN”键，变频器会自动运营到设定频率，在运营状态下，可通过旋转频率设定器来调节当前运营频率。注意切不可在变频器带电机运营时，拔下任一根强电输入输出线，导致变频器在运营状态下突然断电或电机缺相，先将变频器停止（按下“STOP”）键，再在断开变频器输入电源状况下接线。磁力驱动泵1为380V磁力驱动泵，磁力驱动泵2为220V磁力驱动泵。本实验采用变频器控制泵打水，因此用到泵为220V磁力驱动泵，启动实验设备前谨记保证F2-1阀门处在打开状态。三 总体方案设计一整体方案设计描述 1)依照实际生产过程，选取适当控制系统构造).双闭环比值控制系统构造双闭环比值控制系统构造图如下：从图中可以看出，双闭环比值系统和简朴系统有一种明显区别，即其在构造上由一种定值控制积极量回路（Q1）和一种随积极量变化从动量随动控制回路（Q2）构成，并通过比值器发生联系。凡是两个或各种参数自动维持一定比值关系过程控制系统，均需采用比值控制系统。被控对象为电动阀支路流量和变频器磁力泵支路流量，每个支路上分别装有流量传感器对支路流量进行测量，电动阀支路流量是系统积极量Q1，变频器磁力泵支路流量是系统从动量Q2。规定从动量Q2能跟随积极量Q1变化而变化，无论主回路或从动回路均有各自调节对象，测量变送元件和调节器。应当指出，系统中尽管有两个调节器，它们作用各不相似。调节器1和调节器2具备自己独立设定值，分别控制积极量回路和从动量回路。）双闭环比值控制系统特点与分析双闭环比值控制系统能实现积极量抗扰动、定植控制，使主、从动量均比较稳定，从而使总物料也比较平稳，这样，系统总负荷也将是稳定。双闭环比值控制系统另一长处是升降负荷比较以便，只需缓慢变化积极量控制器给定值，这样从动量自动跟踪升降，并保持本来比值不变。双闭环比值控制系统中两个控制回路是通过比值器发生联系，若除去比值器，则为两个独立单回路系统。事实上，若采用两个独立单回路系统同样能实现它们之间比值关系，但只能保证静态比值关系。当需要实现动态比值关系时，比值器不能省。双闭环比值控制所用设备较多、投资较高，并且运投比较麻烦，只有在工业特定规定（如严格控制两种物料比例）状况下使用。）双闭环比值控制系统设计中几种问题比值系数计算：设流量变送器输出电流与输入流量间成线性关系，当流量Q由0Qmax变化时，相应变送器输出电流为420mA。由此可知，任一瞬时积极流量Q1和从动流量Q2所相应变送器输出电流分别为I1= (1)I2= (2)式中Q1max和Q2max分别为Q1和Q2 最大流量值。设工艺规定Q2/Q1=K，则式（1）可改写为Q1=Q1max (3)同理式（2）也可改写为Q2=Q2max (4)于是求得= (5)折算成仪表比值系数K为:K = K (6)比值控制系统参数整定：按单回路整定办法（先手动后自动原则）分别整定调节器1、2PID参数(也可按经验设立参数)，但在详细操作中应先整定调节器1参数，待主回路系统稳定后，再整定从动回路中调节器2（CF=8，即外部给定）参数。2） 依照生产工艺规定，合理选取系统性能指标1.系统阶跃性能指标： a.余差：系统过度过程终了时给定值与被控参数稳态值之差。 b.衰减率：普通取0.750.9。衰减率=1-B1/B2。 c.最大偏差：被控参数第一种波峰值与给定值差。 D过渡过程时间:系统从受扰动作用时起到被控参数进入新稳定上下5%范畴内所经历时间。规定越短越好。2.偏差积分性能指标：IAE;ITAE;ISE;ITSE.3） 合理选取被控参数和控制参数本次课程设计被控参数是：电动阀支路流量 控制参数是：给水量4） 合理设计控制器控制规律本次课程设计控制规律是：比例积分控制规律PI二对象特性测试及数学模型2.1 单回路参数整定2.1.1 单容自衡水箱特性测试依照实验得到液位阶跃响应曲线，用有关办法拟定被测对象特性参数T和传递函数。实验原理图1（a）单容水箱特性测试构造图调节器手动输出电动阀下水箱G（S）图1为单容自衡水箱特性测试及其方框图。阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q1，变化电动调节阀V1开度可以变化Q1大小，下水箱流出量为Q2，变化出水阀F1-11开度可以变化Q2。液位h变化反映了Q1和Q2不等而引起水箱中蓄水或泻水过程，若将Q1作为被控过程输入变量，h为其输出变量，则该被控过程数学模型就是h与Q1之间数学表达式。由分析法建模可知，单容水箱数学模型为：=式中T=RC为水箱时间常数，K为放大系数，K=R；C为水箱容量系数。若令Q1(s)作阶跃扰动，即Q1(s)=，则H（S）=K-对上式取拉氏反变换得h(t)=KX0(1-)当t时，h（）=KX0，因而有K=h（）/X0=输出稳态值/阶跃输入当t=T时，则有h(T)=KX0(1-e-1)=0.632KX0=0.632h() 由上可知一阶惯性环节响应曲线是一单调上升指数函数，如图2所示。当由实验求得图2所示阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值63%。图2 单容水箱单调上升指数曲线所相应时间，就是水箱时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所相应时间就是时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱传递函数。2.2电动调节阀流量特性测试及其数学模型图2.2a电动调节阀流量特性测试方框图图2.2b电动调节阀流量特性图当t时，h（）=K，因而有K=h（）/ =输出稳态值/阶跃输入。故K=3.7668/0.4=9.41为了以便计算(t1)=0.39，(t2)=0.63,则可得可求得=1.572s 而H(S)= 故H(S)= 2.3变频器流量特性测试及其数学模型图2.3a变频器流量特性测试方框图图2.3b变频器流量特性图同理，当t时，h（）=K，因而有K=h（）/ =输出稳态值/阶跃输入。故K=6.3229/0.4=15.807为了以便计算(t1)=0.39，(t2)=0.63,则可得可求得=2.88s 而H(S)= 故H(S)= 三Matlab仿真及其仿真曲线图3.1双闭环比值控制系统Matlab仿框图图3.2主变量流量曲线 图3.3副变量流量曲线图3.4 双闭环比值控制系统实际操作调试成果图3.5 双闭环比值控制系统实际操作输出曲线四 心得体会 2周过程控制课程设计，在教师悉心协助下和同窗互相合伙中结束了。本次课程设计，全班分为3组，由于时间和设备有限，很遗憾未能亲力亲为完毕这个从设计到现场控制整个过程。但是通过对资料查阅，对现场设备结识，以及控制实验从头到尾完整参加让我收获颇丰。把平时零散，模块化知识整体化，深刻明白，完毕一种控制系统应当先干什么再干什么；理论知识实践化，深刻体会每一种术语和数值所代表含义；同步，还让我更加巩固，深刻理解所学理论知识，熟悉Matlab仿真软件。 总体来说，这次课程设计有遗憾也有收获，遗憾后来但愿有机会来弥补，收获就需要当前好好整顿和体会。本次课程设计为我后来工作打下了坚实基本。并让我理解到了自己局限性,我会继续努力,完善自我，不断提高自我。感谢指引教师专心辅导和同窗热心协助。五 参照文献1、邵裕森 戴先中 过程控制工程 第二版 .【M】北京，机械工业出版社.2、王再英，刘淮霞，陈毅静.过程控制系统与仪表M.北京：机械工业出版社