前馈反馈水箱控制系统.doc

课程设计

名 称： 前馈反馈水箱控制系统
系 别： 电气与电子工程系
专 业： 自 动 化
姓 名： *******
学 号： ********
指导教师： *******

河南城建学院
2010年 12 月 30 日
·成绩评定·

指导教师评语：

课程设计成绩评定

班级 姓名 学号

综合成绩：

指导教师签字 年 月 日

目录
一 设计方案的介绍 4
二、工艺流程 5
三、前馈反馈控制的理论 5
四、设仪器仪表的选型 5
1、控制装置的选择 5

2、监测仪表 6

3、控制阀的选型 6

五、测量与控制端连接表 7
六、参数的整定 7
1、静态放大系数KF的整定 7

2、控制器参数的选择 8

七、总结 9
八、参考文献 10
九、附录

一 设计方案的介绍
设计采用前馈反馈控制来实现水箱的液位控制。其中前馈控制可以补偿干扰对被控变量的扰动，前馈控制之后产生的余差则可以通过反馈控制进行修正，达到要求的控制精度。被控变量为水箱的液位，控制变量为水的流量。
采用两个支路，其中第一个支路为主回路，包括一个水泵（采用变频器变频控制电机模拟流量扰动），涡轮流量计；第二个支路为控制补偿回路，包括一个水泵（输出流量恒定），电动控制阀。除此之外在反馈回路中还需要一个液位测量仪表和PID控制仪表一台。前馈控制在不考虑控制通道与对象通道延迟，而且支路一流量可以准确的测量，需要一个PID控制仪表。前馈控制信号和反馈控制信号通过一个加法器连接，实现对控制阀的控制。
前 馈 反 馈 系 统 结 构 框 图 1

前 馈 反 馈 控 制 系 统 原 理 图 2

二 工艺流程
水箱液位的控制主要是控制水箱中的液位在要求的精度范围内。
一号水泵作为动力源给水的输送提供动力，进入水箱。并用变频器控制一号水泵用来模拟流量上产生的扰动。
二号水泵为补偿回路提供动力，为水箱提供水补偿。当扰动产生后，通过前馈控制调节阀对扰动产生补偿。补偿后产生的余差再通过反馈控制控制调节阀进行调节。
三 前馈反馈控制的原理
前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现并能被测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者在被调量发生偏差之前抵消。因此，前馈调节对干扰的客服比反馈调节及时。但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。如果前馈支路出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在反馈支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。而不需要经过调节器。
四 仪器仪表的选型
1、控制装置的选择
由于不是大型生产过程，对自动化水平要求不高，所以选择采用常规仪表控制。考虑到价格、实用性等因素，选择数字化、智能化的国产电动控制仪表。如果考虑控制仪表要满足工艺对生产过程的监测、控制和安全保护等方面的要求，需要考虑安全栅的使用。此处选用白城市顺达仪表有限公司生产的SD-600型智能数显PID调节仪表，关于SD-600调节仪表的详细说明如下：
2.性能特点：
全功能信号输入；可为变送器提供DC24V馈电输出；高性能开关电源供电。；用户可以对参数进行自由设定；两路独立报警器，拥有多种基本报警方式。；具有掉电保护功能，用户设置的参数掉电后能长期保存。掉电时保存输出功率，上电时从仪表输出的功率为前一次掉电时保存的输出功率；全数字自动调校保证长期稳定性；自修正A/D转换器、高精度、低漂移、长期稳定性好；可实现手动/自动控制的切换，切换是无扰动的。
2、监测仪表
根据设计的需要的检测仪表类型为：流量测量仪表，液位测量仪表。
1) 流量监测仪表的选择
设计中将选用涡轮流量计来测量流量。选用北京华德世纪科技发展有限公司生产的LWGY-15型涡轮流量传感器。LWGY型涡轮流量传感器是一种精密液体流量仪表，适用于测量低粘度的介质如水，柴油，汽油等，广泛用于石油、化工、冶金、供水、造纸、科研等领域的计量与控制。 关于LWGY-15型涡轮流量传感器的详细介绍如下：高精度：0.5%FS，1%FS，部分产品最高可达0.2%FS；最小口径可达：2mm,　测量准确稳定；有耐磨型和耐腐蚀型可供选择；耐压型：最高耐压可达35Mpa,解决工业过程中大压力的难题；标准产品适用于测量与不锈钢iCr18Ni9Ti、2Cr13及刚玉、硬质合金不起腐蚀作用，且无纤维、颗粒等杂质的液体；高粘度液体可现场进行实液标定后使用，以便保证最高精度；可根据要求定做非标准产品，如低温、高压、高温产品
2) 液位测量仪表
在设计需要中，介质为水，所以选用差压式的测量仪表即可。其中差压式的测量仪表可分为投入式、法兰式、插入杆式三种。投入式的适用于非密闭场合液体液位的检测；法兰式的适用于非密闭场合，尤其是粘稠或浆状介质和浆状强腐蚀性液体液位的测量。根据设计的需要，可选用投入式差压液位测量仪表。
设计中采用北京泰威智达仪表科技有限公司生产的TV815投入式静压液位计。有关TV815投入式静压液位计的详细介绍如下：TV815两线制静压投入式静压液位计采用进口高稳定性硅压阻传感器，配合高性能专用集成电路，经严格的工艺过程装配而成。具有精度高、抗过载力强、稳定性好等特点。该系列变送器还具有标准的保护功能，以防止浪涌电压、射频干扰、过电压和反极性保护，以确保高可靠性。从而可以广泛地用于非密封场合（敞口容器）的液位测量，如大坝、水电站、高层水箱、冷却塔、污水处理池、泵站、水厂、水文地质、石油化工、河流监测等领域。
3、控制阀的选型
1)合理选用阀型和阀体、阀内件的材质。主要从被控流体的种类、腐蚀性和粘度、
流体的温度、压力、最大和最小流量及正常流量时的压差等因素来确定。
2)正确确定控制阀的口径。阀的口径确定是根据工艺提供的有关参数，计算出流量系数来确定。
3)选择合适的流量特性。控制阀的流量特性，考虑对系统的补偿及管路阻力情况来确定。
4)控制阀的开闭形式确定。开闭形式的确定主要是从生产安全角度出发来考虑。当阀上控制信号或气源中断时，应避免损坏设备和伤害人员。如事故情况下控制阀处于关闭位置时危害较小，则选用气开式，反之，应选用气闭式。
综上所述，控制阀选用直通单座阀，设计中选用上海标柏阀门有限公司生产的ZDLP电子式电动单座调节阀。 ZDLP精小型电子式电动单座调节阀,由PS系列和3610系列直行程电动执行机构和低流阻直通单座阀组成。电动执行机构为电子式一体化结构，内有伺服放大器,输入控制信号(4-20mADC或1-5VDC)及电源即可控制阀门开度,达到对压力、流量、液位、温度等工参数的调节。具有动作灵敏、连线简单、流量大、体积小、调节精度高等特点。
五 测量与控制端连接表

测量或控制量
测量或控制量标号
使用控制器端口
涡轮流量计
FT101
AI0
下水箱液位
LT103
AI1
电磁流量计
FT102
AI2
调节阀
FV101
AO0
六 参数的整定
1、静态放大系数KF的整定
1)开环整定法
开环整定法是在系统断开反馈回路的情况下，仅采用静态前馈作用，来克服对被控参数影响的一种整定法。整定时，KF由小到大缓慢调节，观察前馈补偿的作用，直至被控参数基本回到给定值上，即实现完全补偿。此时的静态参数即为最佳的整定参数值KF，实际上KF值符合下式关系，即
KF＝
式中：Kf、K0分别为扰动通道、控制通道的静态放大系数。
开环整定法适用于在系统中其他扰动不占主要地位的场合，不然有较大偏差。
2)前馈-反馈整定法

图1 前馈-反馈系统参数整定方框图
在图1所示系统反馈回路整定好的基础上，先合上开关K，使系统为前馈-反馈控制系统，然后由小到大调节KF值，可得到在扰动f（t）作用下如图2所示的一系列响应曲线，其中图（b）所示的曲线补偿效果最好。

(a)欠补偿 (b)补偿合适 (c)过补偿
图2
3)利用反馈系统整定KF值
待图1所示系统运行正常后，打开开关K，则系统成为反馈控制。
1、待系统稳定运行，并使被控参数等于给定值时，记录相应的扰动量F0和调节器输出u0。
2、人为改变前馈扰动，使F0变为F1，待系统进入稳态，且被控参数等于给定值时，记录此时调节器的输出值u1。
3、按下式计算KF值KF=
2、控制器参数的选择
按经验参数的整定方法整定PID调节器的参数,在前馈系数不变的情况下我们改变P,I,D三个参数可以获得不同的曲线。
先设定比例值（P）为0.3~10.0之间的一个适当值，积分值（I）越大越好，微分值（D）也是越大越好，通过不断的修改这3个值我们就能得到我们想要的曲线达到预期的效果。微分时间（D）的作用是减小超调，因为如果超调量太大的话会产生不能预知的不良反应，对系统有很大的影响。所以微分时间的选择也是有要求的，通过研究可知微分时间也应该选择比较大的数值，但它是以牺牲系统能达到稳定的时间为代价的。因此我们要根据工程的需要来确定它的数值。
综上所述我们可以选择一个适当的比例值（P）和积分值（I）和微分值（D）使系统完全满足我们的需要。
七 总结
前馈反馈控制理论的应用非常广泛，对水箱液位的前馈反馈控制便是其中的一个典型应用。随着科学技术和控制理论的进步，出现了很多先进的控制理论。但是传统的控制理论本身也具备容易实施、仪器仪表需求量少，成本低的特点。所以传统的控制理论仍然有应用的领域。加之中国当前控制技术仍大量采用了传统的控制技术，所以对前馈反馈控制的研究仍然有实际应用价值。对水箱的液位前馈反馈控制，在日常生产生活中，应用比较容易实现。
在参考了许多关于过程控制的资料后，对于过程控制工程中使用的仪器仪表以及仪表的安装都有了了解。通过对水箱液位的前馈反馈控制的设计，使得我对前馈反馈控制理论的实现有了深入的了解，过去学习的多是书本上的知识，但是对于整个过程控制系统的设计知之甚少，经过了设计之后通过查阅资料，熟悉了过程控制工程设计的流程。
在接到一个工程项目后，进行自控工程设计时，第一步，要熟悉工艺流程，对工艺熟悉和了解的深度将是重要的因素；第二步，确定自控方案，定出各监测点、控制系统，确定全工艺流程的自控方案；第三步，仪表选型，确定是采用常规仪表还是DCS系统并确定控制方案和所有的监测点；第四步，自控方案确定，仪表选型后，根据工艺特点，可进行控制室的设计。对采用常规仪表时，首先考虑仪表盘的正面布置；第五步，节流装置和调节阀的计算；第六步，仪表供电系统的设计；第七步，依据施工现场的条件，完成控制室与现场间联系的相关设计文件；第八步，根据自控专业有关的其他设备、材料的选用等情况，完成有关的设计文件；第九步，设计工作基本完成后，编写设计文件目录等文件。
经过对水箱液位的前馈反馈控制的设计，对传统控制系统的应用有了具体的理解，并且为以后设计在传统前馈反馈控制基础上的复杂控制系统提供了基础。
八 参考文献
1 翁维勤等. 过程控制系统及工程.北京：高等教育出版社，2006
2 姜秀英等.过程控制系统实训.北京：化学工业出版社,2007
3 潘立登等.过程控制 北京：机械工业出版社，2008
4 方康玲等. 过程控制与集散系统. 武汉：华中科技大学出版社,2008
5 潘练等.过程控制与集散系统实验教程.武汉：华中科技大学出版社,2008
6陈诗滔等.工业过程仪表与控制.北京：中国轻工业出版社，1998
7郑光建等.过程控制调节仪表.北京：中国计量出版社，2000

九 附录
综合材料表
序 号
名 称
型号及规格
单 位
数 量
1
微型增压水泵
15WZ-10
1
台
2
涡轮流量传感器
LWGY-15
1
个
3
液位静压传感器
TV815
1
个
4
电子式电动单座调节阀
ZDLP
1
个
5
智能数显PID调节仪表
SD-600
1
台
6
变频器

1
台
7
单容水箱

1
个

10