过程检测课程设计串级液位控制系统设计讲解文档格式.docx
《过程检测课程设计串级液位控制系统设计讲解文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程检测课程设计串级液位控制系统设计讲解文档格式.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第1章绪论
随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。
在这种情况下，简单的单回路控制已经难以满足一些复杂的控制要求。
在单回路控制方案基础上提出的串级控制方案，则对提高过程控制的品质有极为明显的效果。
串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。
因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好，而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现，所以，串级控制是一种易于实现且效果又较好的控制方法，在生产过程中的应用也比较普遍。
液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。
液位的时间常数T一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。
而串级控制系统可以用一般常规仪表来实现，成本增加也不大，却可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。
一般情况下，流量是影响液位的主要因素，其时间常数较小，将它纳入副回路进行控制，不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰，而且使系统工作频率提高，能够对液位实行较快的控制。
当然，还有一些其它的克服大容积迟延的控制方案，例如前馈控制、大迟延滞后补偿控制。
但这两种控制方案较难用一般常规仪表来实现，在经济性和简便性上不如串级控制，一般用在其它有特殊要求的控制系统中。
第2章总体方案的设计
2.1.系统结构的设计
整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。
在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID控制规律，调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。
结构组成如下图2-1所示。
当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。
若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；
若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。
其过程控制系统图如图2-2所示。
图2-1系统结构组成图
过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。
本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图2-2所示。
图2-2系统控制过程框图
2.2被控对象的设计
图2-3被控对象的构成图
2.3被控对象的传递函数
为入口流量，由调节阀开度
加以控制，出口流量则由电磁阀控制产生干扰。
被调量为水箱中的水位H,它反映水的流入与流出量之间的平衡关系。
现在分析水位在电磁阀开度扰动下的动态特性。
显然，在任何时刻水位的变化均满足下述物料平衡方程：
，其中
，
。
F为水箱的横截面积；
是决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；
是与电磁阀开度有关的系数，在固定不变的开度下，
可视为常数。
液位对象的传递函数:
（2.1）
第3章PID参数整定
3.1比例调节
在P调节中，调节器的输出信号
与偏差信号
成比例，即
式中Kc称为比例增益（视情况可设置为正或负）,
为调节器的输出，是对调节器起始值
的增量，
的大小可以通过调整调节器的工作点加以改变。
在过程控制中习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系：
（3.1）
其中
称为比例带。
比例调节的显著特点就是有差调节。
比例调节的余差随着比例带的加大而加大。
从这一方面考虑，人们希望尽量减小比例带。
然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。
稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。
此时，如果余差过大，则需通过其它的途径解决。
很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳,甚至可以没有超调，但余差很大，调节时间也很长。
减小
就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，余差相应减小。
具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小
系统就不稳定了。
3.2积分调节
在I调节中，调节器的输出信号的变化速度
（t）/
t与偏差信号e成正比，即：
或
。
式中KI称为积分速度，可视情况取正值或负值。
上式表明，调节器的输出与偏差信号的积分成正比。
I调节的特点是无差调节，与P调节的有差调节形成鲜明对比。
只有当被调量偏差e为零时，I调节器的输出才会保持不变。
然而与此同时，调节器的输出却可以停在任何数值。
这意味着被控对象在负荷扰动的调节过程结束后，被调量没有余差，而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。
I调节的另一特点是它的稳定作用比P调节差。
例如，根据奈氏稳定判据可知，对于非自衡的被控对象采用P调节时，只要加大比例带总可以使系统稳定（除非被控对象含有一个以上的积分环节）；
如果采用I调节则不可能得到稳定的系统。
对于同一个被控对象，采用I调节时其调节过程的进行总比采用P调节时缓慢，表现在振荡频率较低。
把它们各自在稳定边界上的振荡频率加以比较就可以知道，在稳定边界上若采用P调节则被控对象须提供180°
相角滞后。
若采用I调节则被控对象只须提供90°
这就说明用I调节取代P调节就会降低系统的振荡频率。
采用I调节时，控制系统的开环增益与积分速度KI成正比。
因此，增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。
因为KI愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡。
但与此同时，振荡频率将愈来愈高，而最大动态偏差则愈来愈小。
被调量最后都没有余差，这是I调节的特点。
3.3比例积分调节
PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除余差。
它的调节规律为：
式中
为比例带，可视情况取正值或负值；
为积分时间。
和
是PI调节器的两个重要参数。
它是由比例动作和积分动作两部分组成的。
在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为Δe/δ的阶跃，然后以固定速度Δe/δTI变化。
当t=TI时，调节器的总输出为2Δe/δ。
这样，就可以确定δ和TI的数值。
还可以注意到，当t=TI时，输出的积分部分正好等于比例部分。
由此可见，TI可以衡量积分部分在总输出中所占的比重：
TI愈小，积分部分所占的比重愈大。
PI调节器引入积分动作带来消除余差之好处的同时，却降低了原有系统的稳定性。
为保持控制系统原来的衰减率，PI调节器比例带必须适当加大，这样会使调节时间ts增大，最大偏差也会增大。
3.4微分调节
比例调节和积分调节都是根据当时偏差的方向和大小进行调节的，而不管那时被控对象中流入量与流出量之间有多大的不平衡，而这个不平衡正决定着此后被调量将如何变化的趋势。
由于被调量的变化速度（包括其大小和方向）可以反映当时或稍前一些时间流入、流出量之间的不平衡情况，因此，如果调节器能够根据被调量的变化速度来移动调节阀，而不要等到被调量已经出现较大偏差后才开始动作，那么调节的效果将会更好，等于赋予调节器以某种程度的预见性，这种调节动作称为微分调节。
此时调节器的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即
（3.2）
因此微分调节只能起辅助的调节作用，它可以与其它调节动作结合成PD和PID调节动作。
3.5比例积分微分调节
PID调节器的动作规律是
（3.3）
（3.4）
、TI和TD参数意义与PI、PD调节器相同。
第4章设备的选择
4.1液位传感器
液位传感器用来对上谁为水箱的压力进行检测，采用工业的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，喜爱用高品质低耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。
可方便的与其他DDZ—3X型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。
校验的方法是通电预热15分钟后，分别在零压力和满程压力下检查输出电流值。
在零压力下调整量程电位器，使输出电流为4mA，在满量程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。
本传感器精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。
压力传感器用来对上水位水箱和中水位水箱的压力进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标志信号输出。
4.2电磁流量传感器
流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。
根据本试验装置的特点，采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量0~.03m3/h,压力1.6Mpmax,4-20mA标准信号输出。
可与显示，记录仪表，积算器或调节器配套。
避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点，确保实验效果能达到教学要求。
流量转换器采用LDZ-4型电磁流量传感器配套使用，输入信号：
0~0.4mV输出信号：
4~20mADC,许负载电阻为0~750欧姆，基本误差：
输出信号量程的0.5%。
4.3电动调节阀
电动调节阀对控制回路流量进行调节。
采用德国PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。
控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。
有输入控制信号4-20mA及单相电源即可控制与转实现对压力流量温度压力等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。
采用PS电子式直行程执行机构，4-20mA阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。
性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。
4.4水泵
采用丹麦兰富循环水泵。
噪音低，寿命长，不会影响教师授课减少使用麻烦。
功耗小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变送器一起可构成恒压供水系统。
4.5变频器
FR-S520变频器，4-20mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。
可单相或三相供电，频率可高达200Hz。
第5章实际控制系统的运行与调试
5.1实际控制系统组态设计图
图5-1系统组态设计图
5.2实际控制系统的运行步骤
1.打开组态王画面，进入液位——流量串级控制实验界面。
2.按控制线路接通管路。
3.设定调节器参数及液位给定值。
4.打开实验装置电源开关，进行实验，并记录实验曲线和数据。
5.3实际控制系统的调试步骤
采用两步法进行调节器参数的调试整定，具体步骤如下：
1.在主、副环路闭合的情况下，将主调节器比例度设定为100%，积分时间设定为最大，微分时间设定为最小，然后按衰减曲线法整定副调节器，找出副变量出现4：
1振荡过程时的比例度
及振荡周期
2.将副调节器比例度设定为
值，积分时间设定为最大，微分时间设定为最小。
用衰减曲线法整定主调节器的比例度
3.依据所得到的
、
值，结合主、副调节器的选型，按前面单回路系统整定时所给出的公式，可以计算出主、副调节器的参数。
4.将上述计算所得调节器参数，按先副环后主环、先比例次积分最后微分的顺序在主、副调节器上设置好，观察控制过程曲线，如不够满意，可适当地进行一些微小的调整。
表5-1调节器参数
调节器类型
调节器参数
P
—
PI
PID
表中
分别是衰减比为4：
1时的比例度和振荡周期。
调试结果参数：
5.4调试后的质量指标数据
给定液位值为300mm。
超调量：
；
调节时间：
（对应5%的误差带）；
稳态误差：
≤│±
2mm│。
图5-2PID调节曲线
结论
本课程设计利用西门子S7-200可编程控制器实现液位PID控制系统来完成，同时利用组态王软件来实现具体的实际操作和调试。
在设计过程中，对系统的传递函数做出了计算，对PID参数进行了整定，并且对各种设备进行了选择，例如液位传感器，电磁流量传感器电动调节阀等。
工业控制组态软件MCGS是利用其设计的监控画面具有的动态效果制作水箱的液位显示图，还可以在上面对参数值进行设定和修改，用实时曲线的动态显示变化曲线观看水箱的液位控制状态的变化。
西门子S7-200系列PLC的使用简化了水箱的控制系统。
MCGS组态软件与PLC合用的控制系统，合理地分担了水位监控和现场数据采集和控制的任务，充分发挥不同设备各自的优势，最终完成了此次课程设计。
在实际的工作任务中，这种系统控制方式也可以大幅度降低工程时间和人力物力的消耗。
致谢
在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。
首先我要感谢我的指导老师尚小晶老师和孟凡姿老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次课程设计的主要原因。
更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把设计做得更加完善。
在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。
通过此次课程设计，我发现了我还有很多不足的地方，有很多知识要去了解，也有很多已经学习过的知识点，我还没有掌握住。
这也激发了我进一步去学习的动力。
其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。
同时也感谢学院为我提供的良好的做课程设计的环境。
最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。
参考文献
[1]杨公训.可编程序控制器的抗干扰技术.北京：
海洋出版社，1995
[2]江秀汉.可编程序控制器原理及技术.西安：
西安电子科技大学出版社，1994
[3]胡学林，宋宏.电气控制及PLC.北京：
冶金工业出版社，1997
[4]徐兵等.过程控制.机械工业出版社，2004
[5]金以慧.过程控制.清华大学出版社，1993
[6]薛弘晔.计算机控制技术.西安电子科技大学出版社，2003
[7]王化祥，张淑英.传感器原理及应用.天津大学出版社，1999
[8]陈隆昌.控制电机.西安电子科技大学出版社，2000
[9]何离庆.过程控制系统与装置.重庆大学出版社，2003
[10]施仁.自动化仪表与过程控制.电子工业出版社，2003
[11]周雪，张洪才.控制工程导论.西北工业大学出版社，2003
[12]胡寿松.自动控制原理.科学出版社，2001
升级会员 