曾勇流量比值控制.docx

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曾勇流量比值控制

武汉理工大学华夏学院

课程设计报告书

题目：

单闭环流量比值控制系统的设计与整定

系名：

信息工程系

专业班级：

自动化1081

姓名：

曾勇

学号：

10212408111

指导教师：

乔志刚

2011年12月23日

课程设计任务书

学生姓名：

曾勇专业班级：

自动化1081

指导教师：

乔志刚工作单位：

实验室414

题目：

单闭环流量比值控制系统的设计与整定

初始条件：

1.给定用于设计单闭环比值控制系统的实验设备及各种仪表。

2.给出仪表的详细资料。

3.给出单闭环比值控制系统的设计思路与整定方法。

要求完成的主要任务：

一．设计任务

本设计要求完成如下设计任务：

1．分析开环比值控制系统与单闭环比值控制系统的原理，写出单闭环比值控制优越与开环比值控制的地方，并说明他们各自的使用场合。

2．画出开环比值控制系统与单闭环比值控制系统的原理方框图、本设计实例的单闭环比值控制系统管道仪表流程图。

3．对所使用的检测仪表的型号进行选择，写出其输入输出信号类型，并对检测仪表的检测原理进行阐述。

4．对单闭环比值控制系统控制器的正反作用方式进行选择，并说明理由。

5．设计控制器的控制规律，至少选择一种系统整定方法对单闭环比值控制系统进行整定，并详细写出整定过程。

给出整定过程中的整定用曲线（如用衰减振荡法整定时，要给出出现4:

1衰减振荡时的曲线波形），记录中间得到的比例度（或比例系数）和振荡周期，并计算出最终的整定参数。

6．将最终计算得到的整定参数置于控制器上，对比值的给定值做阶跃变化，记录其响应曲线。

对副控制器参数进行微调后，如果控制质量得到改善，要给出微调后的响应曲线。

7．13周：

完成理论设计，14-16周进行现场调试与整定。

8．16周，答辩，完善并上交设计报告。

二．说明书撰写要求

1.纸张格式：

要求统一用A4纸打印，页面设置上空2.5cm，下空2.0cm，左空2.5cm，右空2.0cm）：

2.正文层次：

正文内容层次序号为：

1、1.1、1.1.1……，其中

⑴．正文标题；一级标题1.（黑体小2号加粗），二级标题1.1（黑体小三号），三极标题1.1.1（黑体小四号）。

⑵．正文内容格式：

宋体五号，1.25倍行距。

3.正文内容

一般包括：

⑴．选题背景：

说明本课题应解决的主要问题及应达到的技术要求；简述本设计的指导思想。

（设计目的中已有阐述）

⑵．方案论证：

说明设计原理并进行方案选择，阐明为什么要选择这个设计方案以及所采用方案的特点。

⑶．设计内容：

对设计工作的详细表述。

要求层次分明、表达确切。

⑷．结果分析：

对研究过程总所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析，得出结论和推论。

⑸．结论或总结：

对整个研究工作进行归纳和综合。

⑹．参考文献：

不少于5个，并应按文献号、作者、文献题名、出版地：

出版社和出版年等顺序书写。

如：

[1]戴军，袁惠新.膜技术在含油废水处理中的应用.膜科学与技术，2002.

4.图纸（或其它）要求

⑴．图纸要求：

图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，要求使用计算机绘图。

⑵．曲线图表要求：

①．所有曲线、图表、线路图、流程图、程序框图、示意图等不准徒手画，必须按国家规定标准或工程要求绘制（采用计算机辅助绘图）。

②．课程设计说明书（报告）中图表、公式一律采用采用阿拉伯数字连续编号。

图序及图名置于图的下方；表序及表名置于表的上方；说明书（报告）中的公式编号，用括号括起来写在右边行末，其间不加虚线。

时间安排：

时间

设计内容

11月28日-12月4日

完成原理设计，写出设计原理，要求：

对开环比值控制与单闭环比值控制的原理进行阐述；写出单闭环比值控制优越与开环比值控制的地方；给出开环及单闭环控制系统的原理图、方框图、本设计实例的单闭环比值控制系统管道仪表流程图。

对所使用的检测仪表的型号进行选择，写出其输入输出信号类型，并对检测仪表的检测原理进行阐述。

对单闭环比值控制系统控制器的正反作用方式进行选择，并说明理由。

12月5日-12月11日

设计控制器的控制规律，至少选择一种系统整定方法对单闭环比值控制系统进行整定，并详细写出整定过程。

给出整定过程中的整定用曲线（如用衰减振荡法整定时，要给出出现4:

1衰减振荡时的曲线波形），记录中间得到的比例度（或比例系数）和振荡周期，并计算出最终的整定参数。

12月12日-12月18日

将最终计算得到的整定参数置于控制器上，对比值的给定值做阶跃变化，记录其响应曲线。

对副控制器参数进行微调后，如果控制质量得到改善，要给出微调后的响应曲线。

12月19日-12月22日

完善设计报告，准备答辩。

12月23日

答辩

2011年11月28日

前言

在化工、炼油及其它工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。

通常以保持两种物料的流量为一定比例关系的控制系统，成为流量比值控制系统。

实践中，单闭环流量比值控制系统由于流量比值较为精确、结构简单、实施较为方便，所以得到了广泛的应用。

对于进入高年级自动化类专业的学生，深刻理解、掌握和应用过程控制方法中典型的复杂控制方法就非常必要了。

通过4周的集中设计，使大家牢固掌握过程控制中的重要理论和知识点，并培养工程设计、应用能力，是本课程设计的最终目的和宗旨。

具体到本课题，通过一个典型的串级控制的工程实例的设计，要求大家在对比几种不同的流量比值控制方案的优缺点的基础上，通过单闭环流量比值控制这一实例的设计，对单闭环流量比值控制系统的原理、应用范围、优点、设计方法、工程整定方法等有更深的理解。

目录

1设计原理……………………………………………………………………………1

1.1比值控制系统原理概述………………………………………………………1

1.2开环比值控制…………………………………………………………………1

1.3单闭环比值控制………………………………………………………………2

1.4管道流程图……………………………………………………………………3

2检测仪器仪表的选择………………………………………………………………4

2.1电磁流量计……………………………………………………………………4

2.2涡轮流量计……………………………………………………………………5

2.3电动调节阀……………………………………………………………………6

3系统控制器正反作用方式…………………………………………………………7

4整定与计算…………………………………………………………………………8

4.1临界比例带法…………………………………………………………………8

4.2整定过程………………………………………………………………………9

4.3整定结果与参数计算………………………………………………………11

5心得与体会………………………………………………………………………13

6参考文献…………………………………………………………………………14

7成绩评定表………………………………………………………………………15

1设计原理

1.1比值控制系统的原理概述

在许多工业生产过程中，工艺上常常要求两种或两种以上的物料保持一定的比例关系。

一旦比例失调，就会影响生产的正常进行，造成产量下降、质量降低、能源浪费、环境污染、甚至会造成安全事故。

例如在造纸过程中，要求浓纸浆和水以一定的比例混合，才能保证符合要求的纸浆浓度；在工业炉窑的燃烧控制中要保证燃料和空气按一定比例混合才能达到最佳燃烧效率；在硝酸的生产过程中，氨气和氧气必须按照一定比例混合后进入氧化炉进行氧化反应，如果两种气体流量比例进入爆炸范围，可能引发生产事故。

为此，必须对类似的生产过程中的物料流量比例进行控制。

在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种物料处于主导地位，这种物料成为主物料，表中这种物料的参数（一般为流量）称为主动量。

用

表示，而另一种物料按主物料进行配比，在控制过程中随主物料而变化，因而称为从物料，表征这种物料的参数称为从动量，用

表示。

比值控制系统就是要实现从动量

与主动量

成一定的比值关系，满足如下关系式：

。

1.2开环比值控制

开环比值控制系统是最简单的比值控制方案，它的控制原理图及方框图如下图2.1所示：

图2.1开环比值控制系统

整个系统是一个开环控制系统。

在这个系统中，随着

的变化，

将跟着变化，以满足

的要求。

其实质乃是满足控制阀的阀门开度与

之间成一定的比例关系。

因此，当

因管线两端压力波动而发生变化时，系统不起控制作用，此时难以保证

与

间的比值关系。

也就是说这种比值控制方案对副流量

本身无抗干扰能力，只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。

实际生产过程中，

的干扰常常是不可避免的，因此生产上很少采用开环比值控制方案。

1.3单闭环比值控制

单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的不足，在开环比值控制系统的基础上，增加了一个副流量的闭环控制系统。

如下图2.2所示：

图2.2单闭环比值控制系统

从图中可以看出，对于单闭环流量比值控制系统，稳定状态下，从动量（副流量）满足工艺要求的比值：

。

当主动量（主流量）变化时，其流量信号

经变送器送到比值计算装置，比值计算装置则按预先设置好的比值使输出成比例地变化，也就是成比例地改变副流量控制器的设定值，此时副流量闭环系统为一个随动控制系统，从而使

跟随

变化，在新的稳定工况下，流量比值

保持不变。

当副流量由于干扰发生变化时，副流量闭环系统就相当于一个定值控制系统，自行调节克服，使工艺要求的流量比仍保持不变。

单闭环流量比值控制系统的优点：

它不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且可以克服流量本身干扰对比值的影响，因此主副流量的比值较为精确。

它的结构形式比较简单，实施起来亦较为方便，所以得到广泛应用，尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。

1.4本设计中的单闭环流量比值控制系统管道仪表流程图。

图2.3单闭环流量比值控制系统设计管道仪表流程图

2检测仪器仪表的选择

2.1电磁流量计

根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势e，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度B，导体在磁场内的长度L及导体的运动速度u成正比，如果B，L，u三者互相垂直，则

e＝Blu                         （3－35）

   与此相仿．在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速u流动时，导电流体就切割磁力线．如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极（图3—17）则可以证明，只要管道内流速分布为轴对称分布，两电极之间也特产生感生电动势：

                            e＝BD

                       （3－36）

式中，

为管道截面上的平均流速．由此可得管道的体积流量为：

                qv＝

＝

                      （3－37）

由上式可见，体积流量qv与感应电动势e和测量管内径D成线性关系，与磁场的磁感应强度B成反比，与其它物理参数无关．这就是电磁流量计的测量原理．

   需要说明的是，要使式（3—37）严格成立，必须使测量条件满足下列假定：

1磁场是均匀分布的恒定磁场；

②被测流体的流速轴对称分布；

③被测液体是非磁性的；

④被测液体的电导率均匀且各向同性。

图3－17   电磁流量计原理简图

1－磁极；2－电极；3－管道

2.2涡轮流量计

涡轮流量计的原理示意图如图3—1所示．在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑．当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转．在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比．由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量．

涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测．当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时，就会引起传感线圈中的磁通变化．传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号，送入单位换算与流量积算电路得到并显示累积流量值；同时亦将脉冲信号送入频率电流转换电路，将脉冲信号转换成模拟电流量，进而指示瞬时流量值．

2.3电动调节阀

电动调节阀用于调节介质的流量、压力和液位。

根据调节部位信号，自动控制阀门的开度，从而达到介质流量、压力和液位的调节。

流通能力Cv是选择电动调节阀原理的主要参数之一，电动调节阀原理的流通能力的定义为：

当电动调节阀原理全开时，阀两端压差为0.1MPa，流体密度为1g/cm3时，每小时流径电动调节阀原理的流量数，称为流通能力，也称流量系数，以Cv表示，单位为t/h，液体的Cv值按下式计算。

根据流通能力Cv值大小查表，就可以确定电动调节阀原理的公称通径DN。

电动调节阀原理的流量特性，是在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经电动调节阀原理的相对流量与它的开度之间关系。

电动调节阀原理的流量特性有线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。

      三种注量特性的意义如下：

（1）等百分比特性（对数）等百分比特性的相对行程和相对流量不成直线关系，在行程的每一点上单位行程变化所引起的流量的变化与此点的流量成正比，流量变化的百分比是相等的。

所以它的优点是流量小时，流量变化小，流量大时，则流量变化大，也就是在不同开度上，具有相同的调节精度。

（2）线性特性（线性）线性特性的相对行程和相对流量成直线关系。

单位行程的变化所引起的流量变化是不变的。

流量大时，流量相对值变化小，流量小时，则流量相对值变化大。

       （3）抛物线特性流量按行程的二方成比例变化，大体具有线性和等百分比特性的中间特性。

从上述三种特性的分析可以看出，就其调节性能上讲，以等百分比特性为最优，其调节稳定，调节性能好。

而抛物线特性又比线性特性的调节性能好，可根据使用场合的要求不同，挑选其中任何一种流量特性。

3系统控制器的正反作用方式

一般说控制系统是由对象、检测仪表、控制器、执行器四部分构成，而且是负反馈系统。

一般有现场的各种检测仪表它一般是正作用的，PID调节器是比例微分积分控制器，阀门定位器和阀门是在一起的，阀门属于执行器。

阀门由于是由执行机构和控制机构组成，它有四种组合。

控制系统的正反作用方向主要由控制器、执行器和对象决定。

执行器因为包括执行机构和控制机构两部分。

正反作用反向为四种组合。

序号执行机构控制阀气动执行器 

a正正气关（正） 

b正反气开（反） 

c反正 气开（反） 

d反反 气关（正） 

执行器（阀门的）气开式一般式正作用方向，气关式一般是反作用方向。

对于被控对象当操作变量增加时，被控变量增加为正作用，反之为反作用。

控制器的作用方向：

当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正方向”；或者当测量值不变，给定值减小时。

控制器的输出增加称为“正方向”。

反之称为“反方向”。

在这里被控变量是我们需要保持恒定的工艺参数，比如温度、压力、流量等。

要构成一个负反馈控制系统，如果已经确定了执行器、控制器好对象的方向。

就根据正正为正，正反为反的预兆怒责确定控制系统的作用方向。

阀门正反装是它的安装要求，而与控制系统的正反作用方向无关。

阀门的气开气关：

阀门在断气的情况下处于全关的状态叫气开，阀门在断气的情况下处于全开的状态叫气关；PID调节器的正反作用：

输入值与反馈信号做减法为反作用；做加法为正作用；执行机构的正反作用：

气源压力由小变大时，阀门由关到开为正作用，反之为反作用；定位器的正反作用：

输入信号4mA时输出气压最小，输入信号是20mA时，输出气压最大，这种情况为正作用；反之则为反作用；阀门的正装反装：

不知是指阀门的执行机构向上向下，还是只介质的流向与阀门的流向相同还是相反；正反作用阀门主要是针对阀门组的控制，同一个信号控制多个阀门，有的需要开有的需要关，只能选用不同的阀门来实现。

我们讨论阀门正反特性的时候，默认阀门作为一个完整的功能来讨论的，而一个完整的阀门正反特性由阀门定位器、执行机构、阀门正装反装这3个串行元件的特性共同组成。

阀门定位器作为控制回路中的一个串行元件，它的正反作用对于回路的正反作用当然有影响。

我们所有的阀门在选型时都默认为正作用。

从理论上说，智能电气阀门定位器可以调校为正作用或者反作用，但是我们在做回路分析时，我们只是以阀门的特性为研究对象，即根据回路特性确定阀门为正作用或者反作用，如果阀门定位器选择反作用，那么也就意味着阀门的执行机构和阀门结构正反作用要调整，也就是说，阀门从结构上做不到气源故障安全位置。

4整定与计算

4.1临界比例带法

这种整定方法是在闭环情况下进行的。

设

，使控制器工作在纯比例情况下，将比例带由大逐渐变小（对应的比例系数Kc由小逐渐变大），使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图2.4所示，记录此时的临界比例度δS。

根据临界比例带

δS和振荡周期TS（测取方法如图2.4），按表2-1所列的经验算式，求取控制器的参考参数数值，这种整定方法是以得到4:

1衰减为目标。

图2.4具有周期TS的等幅振荡

表2-1临界比例带法整定控制器参数

控制器参数

控制器名称

δS

Ti（S）

Td（S）

P

2δS

PI

2.2δS

TS/1.2

PID

1.6δS

0.5TS

0.125TS

临界比例带法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。

从工艺上看，允许被控量能承受等幅振荡的波动，其次是被控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。

4.2整定过程

图1

图2

图3

图4

图5

4.3整定结果及参数计算

在纯比例整定时，我们选定目标比值为K=0.5，从P设置为10依次增大到100（PI设置为无穷大，PD设置为零）共五组图。

结果在P设置为75时，第一次很近似认为出现临界等幅振荡。

（如图3）由图可以得出等幅震荡的震荡周期T为15s,再由比例系数K=0.5,算出积分控制Ti=12.5s,Td=10s

让调节器参数积分系数Ti=0，实际微分系数Td=O，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数k．，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得等幅震荡的控制过程为止。

取比例系数k．为当前的值乘以O．83，由小到大增加积分系数Ti。

，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。

积分系数Ti。

保持不变，改变比例系数k．，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。

否则，将原比例系数k增大一些，再调整积分系数Ti。

，力求改善控制过程。

如此反复试凑，直到找到满意的比例系数k和积分系数Ti。

为止。

引入适的实际微分系数k和实际微分时间TD，此时可适当增大比例系数k。

和积分系数Ti。

。

和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。

最后得到比例环节设置为50，积分环节设置为12.5，微分环节设置为10。

但由于水泵，流量计以及延迟等问题，以上参数并没有出现真实比值与目标比值一致。

进过我们微调积分环节和微分环节后得到比例环节设置为50，积分环节设置为30，微分环节设置为0时近似出现真实比值与目标比值一致。

（如图6）

图6

心得与体会

经过三个星期的课程设计，从查找资料，到确定方案，再到具体的设计，在这期间我遇到了很多问题，也发现了相关专业知识掌握的不足，会发现学习过的很多知识都被自己分开，不能连贯的连接在一起，而这次的单闭环控制系统课程设计是把过程控制和电机相结合的应用。

在这次的课程设计中，我对自动控制系统的设计步骤、设计思路有了一定的了解和认识，同时对直流双闭环调速系统也有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。

学会了转速、电流双闭环直流调速系统的设计，并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算，在设计的基础上更加认识到直流双闭环调速系统的应用之广泛。

单闭环流量比值控制系统最终能较好地运行，从零开始加给定参数，速度从零开始上升，系统能够正常地启动，使速度升至给定的速度值。

如果从零开始升速启动的过程中出现了过流报警现象，而此时的转速并不高，负荷也不是很大的时候，我认为这时虽然各个单元都已经调试好，但并不等于整个系统参数就已经很好，这是不同的，因为系统的各个单元模块之间有一定的耦合关系，系统所能表现出来的性能和各个单元模块之间都有很大的关系，它们的参数会互相牵制，一旦某个参数整定得不合理就有可能使得系统的性能大大降低，所以在此显得了系统调试的必要性和相关性。

我认为速度环的PI参数，稍微偏那么一点，系统表现出来的现象会很不相同，所以PI参数的整定显得尤为重要，速度也可以调到额定转速运行。

虽然这次的课程设计时间不长，但是让我受益匪浅，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

参考文献

[1]陈夕松,汪木兰.过程控制系统.北京：

科学出版社,2005.

[2]方康玲.过程控制系统（第二版）.武汉：

武汉理工大学出版社,2007

[3]王再英.过程控制系统与仪表.北京：

机械工业出版社,2006.

[4]王万良.自动控制原理.北京:

高等教育出版社,2008

[5]居滋培.过程控制系统及其应用.北京：

机械工业出版社，2005

[6]林德杰.过程控制仪表及应用.北京：

机械工业出版社，2009

评分项目

评分成绩

1．选题合理、目的明确（10分）

2．设计方案论证严谨、正确（30分）

3．设计过程阐述清晰（25分）

4．设计报告整理规范（10分）

5．答辩（25分）

总分（100分）

答辩记录：

1为什么整定完后的实验结果操作值与目标值不能完全一致,而是上下波动?

答:

主要原因是水泵和仪器等不稳定,还有就是仪表不能即时显示实际数据,而是有点延迟。

2流量比值控制系统的应用场合是什么?

答:

燃油机中油和空气比例问题;火力发电厂中煤和空气比例问题。

3在流量比值控制系统中，你是如何整定控制器的参数的？

答:

我用的是临界比例带法,在PI无穷大，PD为零下调节P值从小到大，得到第一次等幅振荡时作为参数值。

指导教师综合评语：

指导教师（签名）

日期：

年月日