过程控制课程设计报告书.docx
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过程控制课程设计报告书
过程控制课程设计
设计题目：
贮槽液位控制系统设计
学院：
电气工程学院
专业班级：
自动化2012级3班
小组成员：
叶荣荣1202100509
戴忻蓓1202100504
刘悦1202100535
陈婷婷1202100511
指导老师：
徐辰华老师
日期：
2015年7月4日
摘要
日新月异的自动化技术为传统产业的改造、生产水平的提高和产品更新换代注入了强大活力。
微电子技术和计算机、通信、网络技术的崛起，给自动化技术假期了腾飞的双翼，成为当代发展最快、影响最大、最引人注目的高技术之一，在百花争艳的信息化舞台上都灵风少。
现在，自动化技术不仅渗透于国民经济各行各业，对社会、经济、文化、军事、科技等各个领域都有着深刻的影响，而且正悄然地改变着人们的生产、工作、生活乃至思维方式。
在现代工业生产过程中，随着生产规模的不断扩大、生产过程的强化、对产品质量的严格要求以及各公司之间的激烈竞争，人工操作与控制已远远不能满足现代化生产的要求。
过程控制系统以及成为工业生产过程必不可少的装备，为保证现代企业安全、优质、低消耗和高效益生产提供了有效的技术手段。
在本次课程设计中，给出液体贮槽的结构图，要求液位贮槽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。
根据过程控制设计原则——用最简单的系统实现过程控制。
基于此，我们选用了单回路反馈控制系统。
关键字：
自动化技术过程控制系统液位控制单回路
Rapidautomationtechnologyfortraditionalindustryreformation,theimprovementofproductionandproductupgradinginjectedstrongvitality.Microelectronicstechnologyandtheriseofcomputer,communicationandnetworktechnologytotheautomationtechnologyvacationflywings,becomethefastestgrowing,mostaffected,oneofthemoststrikinghightechnologyinTurin,flowersbloominformationstageofthewind.Now,automationtechnologynotonlypenetratesintothenationaleconomyinallwalksoflifetosociety,economy,culture,military,scienceandtechnologyandotherfieldshaveaprofoundeffect,andisquietlychangingpeople'sproduction,work,lifeandeventhewayofthinking.Inmodernindustrialproductionprocess,withtheexpansionofthescaleofproduction,theproductionprocess,tostrengthenthestrictrequirementsofproductqualityandthefiercecompetitionbetweencompanies,manualoperationandthecontrolhasfarcannotsatisfytherequirementofmodernproduction.Processcontrolsystem,andbecometheindispensableequipmentinindustrialproductionprocess,toensurethesafetyofthemodernenterprise,highquality,lowconsumptionandhighbenefitproductionprovideseffectivetechnicalmeans.
Inthecurriculumdesignofliquidstoragetankstructure,demandlevelinthestoragetanktomaintaininagivenvalueofliquidlevelfluctuation,orchangeinasmallscope,andtoensurethatthematerialdoesnotproduceoverflow.Accordingtotheprocesscontroldesignprinciplewiththesimplestsystemimplementation,processcontrol.Basedonthis,wechoosethesingleloopfeedbackcontrolsystem.
第一章设计任务书
1.1设计目的
过程控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控制系统的设计过程、明确应完成的工作内容和采用的具体设计方法，达到巩固、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，可以培养学生以下能力：
1）独立工作能力和创造力；
2）查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；
3）综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；
4）编写技术资料的能力。
1.2设计任务及要求
课程设计应充分运用过程控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控制方案。
因此，既要充分掌握生产工艺过程及控制工程的基本知识，又要熟悉控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：
1.了解生产工况：
研究过程控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。
2.明确控制要求：
找出被控对象，针对可能出现的干扰因素分析控制目的及其应达到的控制效果。
3.拟定控制方案：
按照现场的特点、控制室与现场的相对位置及系统的控制要求，确定合理的控制系统类型，定出各检测点、控制点的实际位置，初步分析控制系统的性能。
4.制定控制流程图：
根据工艺特点以及控制方案画出系统的控制工艺流程图及控制方框图。
5.选取被控变量和操纵变量：
根据控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。
6.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则（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、控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。
7.设计总结：
对整个设计过程做客观的评价，并阐述控制系统的优、缺点等。
1.3工艺工程及要求
⏹在工业生产过程中，液体贮槽如进料罐、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。
⏹工艺要求液位贮槽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。
第二章系统总体方案的选择及说明
单回路反馈控制系统简称单回路控制系统，它在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种，因此又称为简单控制系统。
单回路控制系统虽然结构简单，却能解决生产过程中的大量控制问题，它是生产过程控制中应用最广泛的一种控制系统，生产过程中70%以上的控制系统就是单回路控制系统。
图2.1液位贮槽控制系统
图2.1是一个液位贮槽，一种物料从阀门1中不断流入贮槽中，而贮槽中的物料又通过阀门2流出，送至下一个工序进行加工或者包装。
当流入量Q1（或流出量Q2）波动时会引起贮槽内液位的波动，若波动严重会造成物料溢出或抽空。
要解决这一问题最简单的方法就是以贮槽内液位为操作指标，改变出口阀门Q2的开度以控制液位的波动，具体方法是：
当液位上升时，将出口阀门Q2开大，液位上升越大，阀门开度越大；反之，当液位下降时，关小出口阀门Q2，液位下降越多，阀门开度越小。
在传统的人工控制中，必须时刻关注贮槽内液位的波动变化，手动开大或关小出口阀门Q2，需要工作人员高度集中，不允许丝毫分心，否则将造成生产过程中的不必要的损失。
这种传统的人工控制收到了人的主观影响的限制，因此控制速度和精度都无法满足大型现代化生产的需要。
随着自动化技术的发展，为了提高控制精度并减轻劳动强度，采用一系列自动化装置可代替以上人工控制，形成自动控制。
图2.2单回路液位控制系统
第三章系统结构框图与工作原理
4.1系统结构框图
贮槽液位单回路控制系统如图3.1
图3.1单回路控制系统框图
4.2工作原理
液位贮槽和自动化装置在一起构成了一个自动控制系统。
如图3.1，用液位变送器LT检测液位的高低并将其转换为标准的电信号，如4~20mA直流信号。
同时，采用液位控制器LC通过接受液位测量信号，并与其设定值进行对比。
控制器根据偏差的正负、大小及变化情况发出标准的控制信号，如4~20mA直流信号。
此外，采用控制阀门实施对出库流量的控制。
控制阀根据控制信号的变化，来控制出口阀门的开度以调节出水流量，最终使液位测量值接近或等于给定值。
由此，构成一个典型的液位自动控制系统。
图3.2液位自动控制系统
4.3单容过程建模
单容水箱模型如图3.2
系统的控制质量与组成系统的每个环节的特性都有密切关系，因此，在对过程控制系统进行分析、设计之前，必须先掌握构成系统的各个环节的特性，特别是被控过程的特性，即建立被控过程的数学模型。
被控过程的数学模型是描述被控过程在输入（控制输入与扰动输入）作用下，其状态和输出（被控参数）变化的数学表达式。
建立被控过程数学模型的目的是用于过程控制系统的分析和设计，以及用于新型控制系统的开发和研究。
建立控制系统中各组成环节和整个系统的数学模型，不仅是分析和设计控制系统方案的需要，也是过程控制系统投入运行、控制器参数整定的需要，它在操作优化、故障检测和诊断、操作方案的制定等方面也是非常重要的。
调节贮槽液位控制系统，其自衡的振荡过程响应曲线如图3.3，该控制过程具有自衡能力，在阶跃作用下，输出响应呈现衰减振荡特性，最后过程会趋于新的稳态值，称为有自衡的振荡过程。
图3.3有自衡的振荡过程
如第二章中图2.1贮槽液位对象，其液位流入量为
，通过改变控制阀门1的开度，可以改变
的大小。
液位流出量为
可根据用户的需要，控制阀门2的开度改变。
液位h代表贮槽中贮存液体的量，h的变化反映了由于液体流入量
与流出量
不等而引起贮槽中蓄水或出水的过程。
先定义各变量的符号：
：
液位对象的输入量（
）
：
输入流量相对于稳态值的增量（
）
：
液位对象的输出量（
）
：
输出流量相对于稳态值的增量（
）
h：
液位（m）
△h：
稳态液位（m）
A：
贮槽的截面积（
）
图2.1液位贮槽控制系统
根据物料平衡的关系，液体流入量与流出量之差应等于贮槽中液体贮存量的变化率，即
（3-1）
将式（3-1）表示为增量形式
（3-2）
设某一平衡状态下的流入量
等于流出量
，液位的平衡值为
。
是控制阀门1的开度变化而引起的。
液位的流出量
随液位h变化，h越高，
出口静压力越大，流出量
也就越大。
同时，
还与控制阀的阻力
有关，假设三者变化量之间的关系为
（3-3）
式中：
为阀门2的阻力，称为液阻。
液位在流动中总存在着阻力，图2.1中液阻
可定义为
（3-4）
其物理意义是产生单位流量变化所必须的液位变化量。
流体在一般流动情况下，液位h和流量
之间的关系是非线性的。
因此液阻
在
不同流量时是不同的。
将式（3-3）代入式（3-2）可得：
或
（3-5）
将上式改写成一般形式
（3-6）
或写成拉氏变换式
（3-7）
式中，T为对象的时间常数，
；K为对象的放大系数，
液位对象的时间常数T是反应对象在扰动作用下被控参数变化的快慢程度，即表示对象惯性大小的参数。
第四章各单元软硬件的选择
5.1控制对象
控制对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置，本设计中的被控对象为水箱
5.2控制器
控制器又称调节器，是构成控制系统的核心仪表，其作用是将参数测量值和规定的参数值（给定值）相比较后，得出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作，对过程进行自动控制。
根据系统需要我们选择PID控制器，即比例、积分、微分控制。
5.3调节阀
.
5.4差压变送器
控制对象差压变送器用于测量液体、气体和蒸汽的液位、密度和压力，然后将其转变成4-20mADC的电流信号输出。
本设计中差压变送器用于测量水箱液体压力，通过测得液体压力通过变换得知液体的液位，并实时以电流信号输出，并将其反馈至输入系统中。
以下为所选差压变送器产品参数：
产品：
3351差压变送器
型号：
BL-C3051差压变送器
规格：
20-125
品牌：
BL-C3051差压变送器
使用对象：
液体、气体和蒸汽
测量范围：
0～0.1kPa至0～40MPa
输出信号：
4～20mADC
供电电源：
24VDC
图5.4BL-C3051差压变送器
第五章控制器的参数整定
5.1经验法
这是一种经验试凑法，是由工程技术人员在长期生产实践中总结出来的。
它不需要事先进行实验和计算，而是根据运行经验，先确定一组控制器参数的经验数据，并将其投入系统运行，通过观察人为地加入干扰后的过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的参数值，进行反复试验，直到获得满意的控制效果即可。
经验法主要通过调整比例度的大小来满足品质指标，其途径有两种，选取其中一种如下：
先用单纯的比例作用，寻找合适的比例度，将人为加入干扰后的过渡过程调整为4:
1的衰减振荡过程。
然后加入积分作用，一般先取积分时间为衰减振荡周期的一半左右。
由于积分作用使振荡加剧，故在加入积分作用之前，要先减弱比例作用，通常将比例度增大10%~20%。
然后调节积分时间的大小，直到出现4:
1的衰减振荡。
5.2控制器各校正环节的作用
5.2.1比例环节
成比例地反映控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
P参数越小比例作用越强，动态响应越快，消除误差的能力越强。
由于实际系统是有惯性的，比例作用不宜太强，比例作用太强会引起系统振荡不稳定。
P参数的大小应在以上定量计算的基础上根据系统响应情况，现场调试决定，通常将P参数由大向小调，以能达到最快响应又无超调（或无大的超调）为最佳参数。
优点:
调整系统的开环比例系数，提高系统的稳态精度，减低系统的惰性，加快响应速度。
缺点:
仅用P控制器,过大的开环比例系数不仅会使系统的超调量增大，而且会使系统稳定裕度变小。
5.2.2积分环节
控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数T,T越大，积分作用越弱，反之则越强。
比例作用的输出与误差的大小成正比，误差越大，输出越大，误差越小，输出越小，误差为零，输出为零。
比例作用是有差调节，是有静差的，加强比例作用只能减少静差，不能消除静差（静差：
即静态误差，也称稳态误差）。
为了消除静差必须引入积分作用，积分作用可以消除静差，以使被控的y（t）值最后与给定值一致。
如果积分作用太强，积分输出变化过快，就会引起积分过头的现象，产生积分超调和振荡。
通常I参数也是由大往小调，即积分作用由小往大调，观察系统响应以能达到快速消除误差，达到给定值，又不引起振荡为准。
PI控制器不但保持了积分控制器消除稳态误差的“记忆功能”，而且克服了单独使用积分控制消除误差时反应不灵敏的缺点。
优点：
消除稳态误差。
缺点：
积分控制器的加入会影响系统的稳定性，使系统的稳定裕度减小。
5.2.3.微分环节
反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
微分作用是事前预防控制，即一发现y（t）有变大或变小的趋势，马上就输出一个阻止其变化的控制信号，以防止出现过冲或超调等。
D越大，微分作用越强，D越小，微分作用越弱。
系统调试时通常把D从小往大调，具体参数由试验决定。
优点：
使系统的响应速度变快，超调减小，振荡减轻，对动态过程有“预测”作用。
在低频段，主要是PI控制规律起作用，提高系统型别，消除或减少稳态误差；在中高频段主要是PD规律起作用，增大截止频率和相角裕度，提高响应速度。
因此，控制器可以全面地提高系统的控制性能。
第六章控制系统仿真与调试
7.1labVIEW实验台仿真
7.1.1实验设备与软件
软件：
中文Windows2000xp，LabVIEW8.2.1或以上版本，NIMAX7.4或以上版本。
硬件：
A3000高级过程控制系统、微型计算机、数据采集卡PCI-6221（68Pin）、连接器CB-68LP、电流-电压转换器。
7.1.2实验工艺流程图
图6.1labVIEW实验流程图
本次课程设计在labVIEW试验台上做单回路反馈控制系统的仿真，实验流程图如6.1。
7.1.3仿真程序界面
7.1.4仿真结果
（1）纯比例控制
P=10
P=20
（2）加入积分作用
P=5,I=0.1
P=5,I=0.015
7.2A3000过程控制系统仿真
7.2.1实验设备与软件
1、A3000－FS现场总线型过程控制现场系统
2、A3000－CS上位控制系统
7.2.2实验工艺流程图
7.2.3仿真程序界面
7.2.4仿真结果
表6.1用临界比例度δk整定PID调节器的参数
调节器参数
调节器名称
δ
Ti（S）
Td（S）
P
2δk
PI
2.2δk
Tk/1.2
PID
1.6δk
0.5Tk
0.125Tk
1）纯比例环节（记录曲线当
=5，10，20，60）
图1纯比例环节
=5,
=10
图2纯比例环节
=20与
=60
2）比例积分环节（记录曲线当
=10时，
=20，60）
图3比例积分环节
=10;
=20
图4比例积分环节
=10;
=60
3）PID环节（记录曲线当
=10，
=20时，
=5，10）
图5PID环节
=10，
=20，
=5
图6PID环节
=10，
=20，
=10
第七章分析总结
参考文献
[1]王再英.过程控制系统与仪表[M].北京:
机械工业出版社,2012
[2]潘立登.过程控制技术原理与应用[M].北京:
中国电力出版社,2007
[3]苏成利.黄越洋.李书臣.过程控制系统[M].北京:
清华大学出版社,2014
[4]黄友锐.曲立国.PID控制器参数整定与实现[M].北京:
科学出版社,2010
[5]施仁.自动化仪表与过程控制[M].北京:
电子工业出版社,2003.
[6]王树青.工业过程控制过程[M].北京:
化学工业出版社,2005.
[7]黄德先,王京春,金以慧.过程控制系统[M].北京:
清华大学出版社,2011.
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