过程控制系统课程设计指导书Word格式文档下载.docx
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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组成。
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）、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管道组成。
水箱：
包括上水箱、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=20cm；
下水箱尺寸为：
d=35cm,h=20cm。
水箱结构非常独特，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=68cm×
52㎝×
43㎝完全能满足上、中、下水箱的实验需要。
模拟锅炉：
本装置采用模拟锅炉进行温度实验，此锅炉采用不锈钢精制而成，由二层组成：
加热层（内胆）和冷却层（夹套）。
做温度单回路实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。
冷却层和加热层都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的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间常数。
盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。
2、检测装置
压力传感器、变送器：
采用工业用的扩散硅压力变送器，含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。
压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，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、锅炉夹套以及盘管的水温。
经过调节器的温度变送器，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的流量进行测量。
涡轮流量计型号：
LWGY-10，流量范围：
0～1.2m3/h，精度：
1.0%。
输出：
4～20mA标准信号。
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的调节。
电动调节阀型号为：
QSVP-16K。
具有精度高、控制单元与电动执行机构一体化、操作方便等优点，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。
变频器：
本装置采用日本三菱变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，～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4～20mA标准电流信号。
输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。
电磁阀：
在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。
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：
－5～80℃。
4、控制器
本实验装置基本配置的控制器有调节仪表、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的AI系列仪表，其主要特点有：
1.全球通用的85～246VAC范围开关电源或者24VDC电源供电，并具备多种外形尺寸。
2.输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精确稳定。
3.采用先进的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、N
b）热电阻：
Cu50、Pt100
c）线性电压：
0－5V、1－5V、0－1V、0－100mV、0－20mV等
d）线性电流（需外接分流电阻）：
0－10mA、0－20mA、4－20mA等
2.测量范围
e）K（-50＋1300℃）、S（-50－1700℃）、R（-50－＋1650℃）、T（-200－＋550℃）、E（0－800℃）、J（0－1000℃）、B（0－1800℃）、N（0－1300℃）、
f）Cu50（-50－＋150℃）、Pt100（-200－＋600℃）
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%FS±
2.0℃（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（设置数字滤波参数dL=0时）
j）注：
仪表对B分度号热电偶在0—600℃范围时可以进行测量，但测量精度无法达到0.2级，在600-1800℃范围可保证0.2级测量精度。
5.AI人工智能调节，包含模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。
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/1A
l）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的双向可控硅、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：
0-10mA可4-20mA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，有上电免除报警选择功能。
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：
≤5W
10.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的单闭环比值、双闭环比值控制系统实验，又可以实现液位与流量、温度与流量的前馈-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的温度、上水箱液位与出口温度的解耦控制系统实验。
（三）仪表综合控制台
仪表控制台面板由三部分组成：
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：
该面板的作用主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，便于学生自行连线组成不同的控制系统，进行几十种过程控制系统的实验。
（四）系统特点
1.被控参数全面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、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、计算机三部分组成，系统结构布局合理，造型美观大方。
3.直实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。
4.具有广泛的扩展性和后续开发功能，所有I/O信号全部采用国际标准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的设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。
7.一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。
8.系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。
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的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的比较和分析。
（五）系统软件
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows95/98/NT/2000等操作系统。
MCGS5.1为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、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企业监控网络等功能。
使用MCGS5.1，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。
MCGS5.1具有操作简便、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，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。
（六）装置的安全保护体系
1.三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置的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的单相支路，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指示灯和380V三相电压指示表，三相带灯熔断器作为断相指示。
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（包括实验中的连线）若有漏电现象，即告警并切断总电源，确保实验进程安全。
4.控制屏设有服务管理器（即定时器兼报警记录仪），为学生实验技能的考核提供一个统一的标准。
5.各种电源及各种仪表均有可靠的保护功能。
6.实验强电接线插头采用封闭式结构，防止触电事故的发生。
7.强弱电连线插头采用不同的结构插头，防止强弱电混接。
实验装置总貌图
二被控对象特性测试举例
被控对象数学模型的建立通常用下列二种方法。
一种是分析法，即根据过程的机理，物料或能量平衡关系求得它的数学模型；
另一种是用实验的方法确定。
本部分内容主要介绍被控对象为单容水箱对典型输入信号的响应曲线来确定它的数学模型的具体方法。
（一）实验目的
1.掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线。
2.根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。
（二）实验设备
1.THJ-2型高级过程控制系统实验装置
2.计算机及相关软件
3.万用电表一只
（三）实验原理
图1（a）单容水箱特性测试结构图
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，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。
液位h的变化反映了Q1和Q2不等而引起水箱中蓄水或泻水的过程，若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。
由分析法建模可知，单容水箱的数学模型为：
=
式中T=RC为水箱的时间常数，K为放大系数，K=R；
C为水箱的容量系数。
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的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2所示。
当由实验求得图2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%。
图2单容水箱的单调上升指数曲线
所对应的时间，就是水箱的时间常数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对应的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。
如果对象的阶跃响应曲线为图3，则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。
图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：
。
图3单容水箱的阶跃响应曲线
（四）实验内容与步骤
1.按图1接好实验线路，并把阀V1和V2开至某一开度，且使V1的开度大于V2的开度。
2.接通总电源和相关的仪表电源，并启动磁力驱动泵。
3.把调节器设置于手动操作位置，通过调节器增/减的操作改变其输出量的大小，使水箱的液位处于某一平衡位置。
4.手动操作调节器，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态，如图4所示。
图4单容箱特性响应曲线
5.启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。
6.把由实验曲线所得的结果填入下表。
参数值
测量值
液位h
K
T
τ
正向输入
负向输入
平均值
第三部分课程设计选题
课题一锅炉夹套与被加热介质的温度控制
一设计任务的描述
在了解、掌握和熟悉锅炉夹套与内胆温度控制系统的工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础之上，根据生产过程对控制系统所提出的安全性、经济性和稳定性要求，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。
二设计的要求
1.从组成、工作原理上对工业型传感器、执行机构有一深刻的了解和认识。
2.分析控制系统各个环节的动态特性，从实验中获得各环节的特性曲线，建立被控对象的数学模型。
3.根据其数学模型，选择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.了解和掌握自动控制系统设计与实现方法，并在THJ-2型高级过程控制系统平台上完成本控制系统线路连接和参数调试，得到最佳控制效果。
6.分析仿真结果与实际系统调试结果的差异，巩固所学的知识。
三本设计提示
1.控制方案设计的提示
对于过程控制系统的工程设计与应用而言，控制方案的设计是核心。
在《过程控制工程》的学习中我们学到了简单控制系统和复杂控制系统。
在大多数情况下，具有单回路的简单控制系统完全可以满足工艺生产的要求，但是也有另外一些情况，譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制，而工艺对调节质量的要求又很高；
或者调节对象的动态特性虽然并不复杂，但控制任务却比较特殊，则单回路控制系统就无能为力，此时需要一种合适的复杂控制系统来满足运行的需要。
控制方案的选择要根据设计任务和技术指标要求，综合考虑安全性、稳定性、经济性和技术实施的可行性进行反复比较得来的。
本部分设计内容包括以下五点：
1）根据实际生产过程，选择合适的控制系统结构
控制系统结构的选择是控制方案中最重要的一个步骤。
在过程控制系统的学习中我们学习到控制系统结构有单回路控制、串级控制（双回路控制）、比值控制（特殊多变量控制）、前馈控制与大滞后控制（补偿控制）、分程与选择控制（非线性切换控制）、多变量解耦控制（多输入多输出解耦）等等。
选择合适的控制系统结构，首先要综合被控对象的特征以及各个控制结构性能分析，然后从众多的控制结构中选择一种，以期运行后能满足系统的性能指标。
以下以选择了串级控制为控制系统结构为例进行阐述。
I）串级控制系统的结构
串级控制系统的结构图如下：
从图中可以看出，串级系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环。
一个闭环在里面，被称为副环或者副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；
一个在外面，被称为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。
无论主环或副环都有各自的调节对象，测量变送元件和调节器。
在主环内的调节对象，被测参数和调节器被称为主调节对象，主参数和主调节器。
在副环内则相应地被称为副调节对象，副参数和副调节器。
应该指出，系统中尽管有两个调节器，它们的作用各不相同。
主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。
比较串级系统和简单系统，前者只比后者多了一个测量变送元件和一个调节器，增加的仪表投资并不多，但控制效果却又可以显著的提高。
II）串级控制系统的特点与分析
在分析串级控制系统之前，先把扰动以其作用位置的不同分为两类，一般把包括在副回路内的扰动称为二次扰动，而把作用于副环之外的扰动称为一次扰动。
这两类扰动对串级控制效果有本质的差别。
分析串级控制系统可知串级控制系统具有较好的控制性能的原因归纳为：
首先是副环具有快速作用，它能够有效地克服二次扰动的影响。
可以说串级系统主要是用来克服进入副回路的二次干扰的。
与单回路控制系统相比，被调量受二次干扰的影响往往可以减小10～100倍，这要视主环与副环中容积分布情况而定。
其次，由于副环起了改善对象动态特性的作用，因此可以加大主调节器的增益，提高系统的工作频率。
最后，由于副环的存在，使串级系统有一定的自适应能力。
众所周知，生产过程往往包含一些非线性因素。
因此，在一定负荷下，即在确定的工作点情况下，按一定控制质量指标整定的调节器参数只适应于工作点附近的一个小范围。
如果负荷变化过大，超出这个范围，那么控制质量就会下降，在单回路控制中若不采取其它措施是难以解决的。
但在串级系统中情况就不同了，负荷变化引起副回路内各环节参数的变化，可以较少或不影响系统的控制质量。
III）采用串级控制前后比较实例
设串级系统的方框图如上所示，其中主、副对象的传递函数分别为：
主、副调节器的传递函数分别为：
估算结果如下表：
控制品质指标
简单控制系统
串级控制系统
KC1＝3.7
TI＝38
KC2=10
KC1=8.4
TI=12.8
衰减率
0.75
残偏差
系统工作频率
0.087
0.23
二次扰动下的短期最大偏差
0.24
0.011
一次扰动下的短期最大偏差
0.3
0.11
从表中可以看到，由于采用了串级控制，系统工作频率由单回路的0.087增加到0.23，加快了2.6倍；
二次扰动下的短期最大偏差由单回路控制时的0.24减小到0.011，大约减小了22倍多；
即使一次扰动下，短期最大偏差也由单回路控制时的0.3减小到0.11，减小了近三倍。
可见串级系统对控制效果的改善是十分明显的，但是必须指出，上述的估算结果没有考虑非线性因素的影响。
实际上，由于串级系统的副调节器增益往往很大，调节阀的动作幅度也相应增大，有时可能处于饱和状态，因此串级控制系统的实际效果要比表中估算的结果略为差一些。
IV）串级系统设计中的几个问题
副回路的设计：
串级系统的种种优点都是因为增加了副回路的缘故。
可以说，副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键所在。
从结构上看，副回路也是一个单回路，问题的实质在于如何从整个对象中选取一部分作为副对象，然后组成一个副控制回路，这也是可以归纳为如何选取副参数。
下面是有关副回路设计的两个原则：
✧副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；
✧副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。
串级系统对二次干扰有较强的克服能力。
为了发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使得副环尽可能多的包括一些扰动。
当然也不能走极端，试图把所有扰动都包括进去，这样将使得主调节器失去作用，也就不成其为串级控制了。
因此，在要求副回路调节通道短、反应快与尽可能多的纳入干扰这两者之间存在着矛盾，应在设计时加以协调。
主副回路工作频率的选择：
为了保持串级控制系统的控制性能，应避免闭合副环进入高增益取，即主回路周期Td1为（1～3）Td2的区域。
还句话说，应该使主回路周期小于Td2，因此上述调节可以用下列不等式来描述，即：
Td1>
3Td2。
这个结论是从发挥串级系统特点的角度得到的。
此外还应根据主、副回路之间的动态关系来分析。
由于主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路，在一定条件下，如果受到某种干扰的作用，主参数的变化进入副环时会引起副环中副参数波动振幅的增加，而副参数的变化传送到主环后，又迫使主参数的变化幅度增加，如此往复，就会使主副参数长时间地大幅度地波动，这就是所谓的串级系统的共振现象。
一旦发生了共振，系统就会失去控制，不仅控制品质恶化，如不及时处理，甚至可以导致生产事故，引起严重的后果。
2）根据生产工艺
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