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过程控制课程设计报告

中南大学过程控制系统课程设计报告设计题目9溶出器液位控制指导老师凌玉华设计者侯博文专业班级自动化0605班06号设计日期2010.01.11至2010.01.21目录第一章概述31.1设计目的31.2具体任务31.3氧化铝生产的意义3第二章氧化铝高压溶出工序介绍42.1铝工业的国内外现状42.2氧化铝生产过程42.2.1拜耳法52.2.2烧结法62.2.3混联法62.2.4选矿拜耳法82.3高压溶出工序8第三章工序生产设备及控制要求113.1双程预热器113.2溶出器113.3自蒸发器123.4蒸汽缓冲器13第四章9溶出器液位控制系统设计154.1总体方案论证154.2硬件设计174.3控制算法224.4软件设计23第五章液位控制系统调试方法255.1比例、积分和微分的分析255.2PID参数整定方法265.3PID参数整定（实验内容）27第六章总结296.1方案评价及改进方向296.2收获及体会29参考文献31第一章概述1.1设计目的综合控制理论，过程控制，微机控制，可编程控制器，软件程序设计等课程的相关理论知识，设计一个完整的9溶出罐液位控制系统，全面学习和掌握典型控制系统的设计方法，控制方法，调试技巧。

1.2具体任务第六小组具体任务设计一液位控制系统对9溶出器液位进行控制，使液位在11m,误差-0.2m.1.3氧化铝生产的意义氧化铝主要用于电解生产铝，它占氧化铝总产量的90以上。

此外还供硅酸盐.耐火材料.机械.无线电.冶金.化工.制药等工业部门使用。

铝和铝合金是国民经济、国防军工和民用制品的基础原材料。

铝工业是国家的基础工业之一。

高性能铝合金是制造飞机、潜艇、火箭、导弹、鱼雷、坦克的重要部件的原材料，被称为国家的战略物资。

所以氧化铝的生产，具有重大的现实意义。

第二章氧化铝高压溶出工序介绍2.1铝工业的国内外现状我国具有丰富的铝土矿资源迄今，我国已探明铝土矿矿区310处，分布于全国19个省、自治区、直辖市，已探明保守储量23亿吨，位居世界第4，具备发展氧化铝工业的资源条件。

国内的氧化铝生产从50年代起步，8090年代得到了快速发展，年生产能力已达到近800万吨。

2008年氧化铝年产量约高达2465.6万吨，较去年同期提高26.44，居世界前列。

由于矿石结构和组成的原因，国外富产氧化铝的国家主要采用拜耳法生产氧化铝。

我国的铝土矿资源大部分为含硅高较难溶出的矿石，不适合直接采用世界上大多数国家采用的拜耳法生产工艺流程，绝大部分都是采用流程长、工艺复杂的混联法和烧结法生产的。

改革开放以来，为适应国民经济发展的需要，国家在铝土矿资源丰富的四省区内大力发展氧化铝工业，规划并建成了山西铝厂，平果铝厂和中州铝厂等氧化铝项目。

采用新工艺、新技术和先进设备，加大对已有的山东铝厂、贵州铝厂和郑州铝厂的技术改造，提高产能，形成了六个氧化铝厂为基地的生产布局。

为进一步发挥桂西和晋北铝土矿资源优势，国家规划建设华银氧化铝和晋北氧化铝基地，进一步扩大氧化铝产能，使氧化铝基地由六个增加到八个。

民营企业发展迅速大量，非中铝系的民营及合资企业涉足氧化铝项目，使得国内氧化铝产能激增。

三门峡东方希望公司、三门峡开曼公司、洛阳香江万基公司（新安铝电）以及山东、内蒙等地的民营企业迅速发展。

铝业是朝阳产业，市场需求量大。

据有关数据，2008年我国共生产氧化铝2465.6万吨。

2.2氧化铝生产过程迄今为止，已经提出了很多从铝矿石或其他含铝原料中提取氧化铝的方法。

由于技术和经济的原因，有些方法已被淘汰，有些还处于试验研究阶段。

已经提出的氧化铝生产方法可以归纳为四类，即碱法、酸法、酸碱联合法与热法。

目前用于大规模工业生产的只有碱法。

铝土矿的特点是化学组成和矿物组成多种多样，要采用不同的方法来处理。

铝土矿处理方法和合理的工艺设备的选择取决于许多因素，其中主要的是a.硅指数，b.原料中硫化物；碳酸盐和有机物的含量；c.铝化合物和硅化合物的矿物组成；d.氧化铁含量。

我国铝土矿资源丰富，储量大；高铝、高硅、低铁；铝硅比较低，中低品位铝土矿居多；多数铝土矿是一水硬铝石型铝土矿。

碱法生产氧化铝的实质是将铝转变为铝酸钠进入苛性碱溶液。

铝原料中可溶SiO2含量越高，转变为不溶性沉淀的水合铝酸钠就越多。

而从原料提取到铝酸钠溶液的氧化铝则越少。

铝硅比是评价铝土矿质量和选择其具体处理方法的主要指数。

生产氧化铝的碱式法有四种烧结法，拜耳法，混联法，选矿拜耳法。

烧结法适合Al/SiO2较低（Al/SiO216）的矿石，其成本较低；混联法则适合Al/SiO2适中（大部分矿石的Al/SiO2在12以上，小部分矿石的Al/SiO2在8以下）的矿石，成本也适中；选矿拜耳法适合Al/SiO2为中低的矿石。

我国由于矿石成分的原因，适合采用混联法生产氧化铝。

2.2.1拜耳法高温和高浓度的铝酸钠溶液处于介稳状态，而在温度和浓度降低的时候则自发分解析出氢氧化铝沉淀，拜耳法便是建立在这样的基础上的。

铝土矿所含的一水和三水氧化铝在一定条件下（提高温度和浓度）以铝酸钠的形式进入溶液。

在95100摄氏度时铝酸钠稳定，当降低温度和浓度时它转变为不稳定状态，析出氢氧化铝。

图2-1拜耳法生产流程2.2.2烧结法所有类型的高硅原料都可以用这种方法处理。

烧结法的实质是含铝原料与纯碱、石灰石一同烧结时原料中的硅转变为在碱溶液中难溶的化合物原硅酸钙，而铝和铁转变为铝酸钠和铁酸钠。

含铝原料与纯碱、石灰石烧结时，各原始组分的固体粉末之间的化学反应，是在有少量熔体存在下进行的。

图2-2烧结法生产流程2.2.3混联法1）并联法在并联法中，大部分铝土矿按拜耳法处理，由烧结法处理的只是少部分。

这两部分平行的进行直到成为铝酸钠溶液为止，然后将烧结法的脱硅的铝酸钠溶液与拜耳法部分的溶液混合，再将混合的溶液加晶种分解。

图2-3并联法生产流程2）串联法在串联法中，铝土矿常压溶出或压煮溶出后的高氧化铝和氧化钠赤泥与纯碱和石灰石一同烧结。

熟料溶出后的铝酸钠溶液经过脱硅，然后与稀释的拜耳法溶液混合到一起分解。

母液蒸发出的棕色纯碱在烧结之前与赤泥、棕色纯碱返料、石灰石和霞石组成的。

加入的霞石数量应该保证完全补偿拜耳法中苛性碱损失。

图2-4串联法生产流程2.2.4选矿拜耳法选矿拜耳法生产工艺与烧结法有很大不同，总体上可分为选矿和拜耳法两大部分。

选矿部分主要包括磨浮选矿、矿浆调配等工段；拜耳法部分主要包括高压溶出、种子分解、过滤洗涤、焙烧等工段。

图2-5选矿拜耳法生产流程2.3高压溶出工序高压溶出工序属于拜耳法中的一个环节。

它也是混联法生产氧化铝的生产过程中的重要工序。

高压溶出的目的就是用苛性钠溶液把铝土矿中的氧化铝溶出来。

图2-6高压溶出生产流程图2-7高压溶出器设备流程1，高压溶出的生产条件高压溶出的生产条件为2.02.2Mpa的高压；2450C的高温。

高压溶出的化学反应可以分为两大类Ⅰ、氧化铝水合物的溶出反应，这是主反应。

Ⅱ、各种杂质在溶出过程中的化学反应，这是副反应。

为了使高压溶出过程得到良好的效果，必须掌握主副反应的规律。

2、溶出化学反应在常压下低碱浓度溶液中溶出三水铝石型铝土矿时，其中AlOH3与NaOH发生反应用高碱浓度或用稀碱溶液在较高温度下溶出一水铝石型铝土矿时，反应如下3、溶出速度铝土矿溶出属于多相反应，即液体和固体之间的反应，其特征是反应过程发生于两相（矿粒与碱液）的界面上。

两相接触界面的OH-,由于不断反应而逐渐消耗，在靠近矿粒表面层的溶液中的OH-浓度显著降低。

同时，在这一层中的反应产物AlOH4-或AlOH2-的浓度则接近饱和，于是形成扩散层。

溶出速度的表达式当矿石一定时，其粘度一定，且P、S均为常数，则从式中可以看出通过控制温度T，可以控制反应速度。

并且，通过提高温度来提高溶出反应的速度也是可行的。

第三章工序生产设备及控制要求3.1双程预热器双程预热器有四组双程预热罐。

采用高压蒸汽间接加热。

其内部是蒸汽管。

矿浆在蒸汽管外，包围着蒸汽管，由600C被加热到1950C左右，称为预热。

这时，因为矿浆温度低（反应温度为2450C），所以还不能用于生产。

预热器在此次控制系统未作要求。

图3-1双层预热罐系统图3.2溶出器溶出器由九个高压罐串联构成，1罐和2罐用高压蒸汽直接加热使矿浆达到溶出温度（2450C左右）。

溶出器内加热为直接加热，其效率较高，但是加热过程中由蒸汽带来了水份，使得矿浆溶液的浓度降低。

溶出器的温度是溶出温度，对氧化铝的溶出率影响很大，保持溶出温度稳定，是提高溶出率的关键之一。

在溶出稳度低到一定值（240摄氏度），则控制变频调速装置，降低电机转速，减少进入高压溶出器的矿浆流量（每降低1摄氏度，则减少矿浆流量0.5）；若溶出温度高到一定值（250摄氏度），则控制变频调速装置，提高电机速度，增加进入高压溶出器的矿浆流量（每提高1摄氏度，则增加矿浆流量0.5），以保证溶出温度的稳定。

矿浆经1‾9溶出器后，形成一定的压差，为了保证正常生产，压差应尽量稳定在0.2MPa左右。

溶出器需要监测的量有19溶出器的压力PT401PT409以及就地仪表显示的量PI401PI409。

在此次控制系统的设计中，溶出器部分包括3溶出器温度控制和9溶出器液位控制。

3溶出器需要将其温度控制在工艺要求的溶出温度245摄氏度左右，精度控制在0.5摄氏度。

而液位控制则采用两个数字开关量来表示正常和非正常情形。

3.3自蒸发器自蒸发器的作用主要是回收热量。

它由五个高压罐组成，各级压力逐渐降低，由2.02.2Mpa下降到0.2Mpa。

在压力下降的过程中，蒸汽会从矿浆中逸出。

其产生的蒸汽称为乏气。

不同压力的乏气被送至双程预热器用作加热矿浆。

图3-2自蒸发高压罐系统图图3-3自蒸发器与预热器的对应为了既充分利用乏汽又保证自蒸发器正常工况，选择自蒸发器压力作为监测量。

自蒸发器需要监测的量有自蒸发器各级的压力PT501PT505；同时还有就地显示仪表PI501PI505；需要控制的压力PC,不能过高亦不能过低。

在此次控制系统的设计中，自蒸发器部分包括Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ自蒸发器压力控制三部分。

氧化铝高压溶出工序蒸发器压力控制系统分为ⅠⅤ自蒸发器的分步控制，通过这五步的控制使压力由2.02.2Mpa降到0.2Mpa。

矿浆由Ⅰ自蒸发器进入，通过调节蒸汽流量来控制自蒸发器的压力。

给定的矿浆流量值经过调节蒸汽来达到所要求的Ⅰ自蒸发器的出口压力值。

之后矿浆进入到Ⅱ自蒸发器，经调节最后由Ⅴ自蒸发器流出，此时压力为所需要的值。

压力的控制精度应为0.1Mpa。

自蒸发器的压力控制可以通过控制蒸汽的流量来调节压力的变化，用压力变送器来检测压力并返回控制。

3.4蒸汽缓冲器蒸汽缓冲器用于存储高压蒸汽，给1溶出器和2溶出器提供加热蒸汽。

其高压蒸汽一般为2.4Mpa。

它有稳定加热蒸汽压力的作用。

在此次控制系统的设计中，蒸汽缓冲器部分包括蒸汽缓冲器压力控制。

为了防止蒸汽缓冲器的矿浆倒流，其进口压力必须为3.3MPa,出口压力为3.15MPa，若蒸汽缓冲器的进出口压力降低了0.05MPa，则给出报警信号。

图3-4蒸汽缓冲器控制系统图蒸汽缓冲器需要监视的量有TT301和PT301；就地显示的量有TI301和PI301蒸汽缓冲器中的蒸汽来自锅炉房（热电厂）。

有新蒸汽Z2、Z3加入。

此处需要监测蒸汽的流量FT101和FT102（此处监测蒸汽流量主要是为了与锅炉房输出的流量作比较，用作蒸汽费用凭证）。

新蒸汽的压力是由电动阀门的开度来调节。

第四章9溶出器液位控制系统设计4.1总体方案论证1.高压溶出器的构造与课题要求图4-1高压溶出器构造1-蒸汽管；2-套筒；3-蒸汽喷头；4-出料管；5-入孔；6-不凝性气体排出管如上图所示，溶出器内径1.6米，高13.5米，容积25.9立方米。

设有蒸汽喷头，进料口，出料口。

课题要求是液位控制用的是数字开关量,目标量为11m,,误差为0.2m。

2.单回路控制系统方案单回路控制系统作为过程控制系统中最简单，最基础，应用最广泛的的形式，可解决工业生产过程中大量参数定值控制问题。

其液位控制基本形式如下图图4-2单回路系统液位控制基本形式其运用到溶出罐上，其控制系统构造则可描述为下图图4-3单回路系统溶出罐液位控制

（1）确定被控变量被控变量为9溶出罐液位，11米，误差0.2m。

（2）确定操纵变量影响溶出器液位的因素有进料口流量和出料口流量。

故有三种不同的控制方案。

方案一（控制进料口流量）方案二（控制出料口流量）由上面两种方案综合比较后，确定将进料口流量作为操纵变量较为理想。

即为图4.1-3所示。

3.串级控制系统方案由于液位的时间常数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。

二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。

在此设计任务中，进料口流量是影响液位的主要因素，其时间常数较小。

故可以把它纳入副回路进行控制，不仅有效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。

当然还有一切其他的复杂控制方法，例如前馈控制，补偿控制。

但这两种控制方案难以用一般常规仪表来实现，在经济和简便性上不如串级控制。

故综上考虑，决定使用串级控制方案。

图4-4串级控制系统其系统方框图可绘制成如下形式图4-5液位串级控制4.2硬件设计由上面所采用的控制方案可以得到，该控制系统硬件应该由5部分构成液位检测以及传送装置，流量检测以及传送装置，控制阀，控制器。

控制器采用单片机实现。

图4-6硬件连接图4.2.1液位检测与传送装置在化学和石化行业过程容器的物位测量中，最常用的方法是压力变送器。

它测量容器中介质的差压。

这里有两种形式的变送器压力变送器和差压变送器。

在压力变送器中，压力施加于压力传感元件，以标准大气压为基准，或在特殊情况下以绝对大气压为基准。

差压变送器的膜盒由正负压室组成。

高位压力作用于正压室，低位压力作用于负压室。

这样可由容器的压力差的大小来推算出液位值。

如果正负压室的监测点都被液体浸没，那么差压变送器会输出一个正比于介质密度的信号。

简单的说，其检测原理将差压转换为电信号。

该变送器具有坚固耐振、量程、零点、阻尼现场连续可调。

精确度高、稳定性好等特点。

特别适合液体液位测量。

淮安市开开仪表有限公司所生产的HAKK-301法兰式型变送器.其传感器采用干式陶瓷压力传感技术，具有精度高、长期稳定性好、工作温度范围宽、抗载能力强、体积小，膜片面积大、不积物、可带现场指示器和不带现场指示器。

HAKK-301法兰式型变送器可将液体液位转变成4-20mADC的电流信号输出。

鉴于以上因素，选择此变送器。

图4-7HAKK-301法兰式型变送器实物HAKK-301法兰式型变送器基本技术参数相对压力01.6Mpa静态液位最大液位高度100m最小液位高度0.1m尺寸70*70*130标准法兰GB911.6-88以上参数完全满足本系统设计要求。

4.2.2流量检测与传送装置流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多。

有转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计和堰等。

至今为止,可供工业用的流量仪表种类达60种之多。

鉴于电磁流量计具有如下特点◆仪表结构简单、可靠，无可动部件，工作寿命长。

◆无截流阻流部件，不存在压力损失和流体堵塞现象。

◆无机械惯性，响应快速，稳定性好，可应用于自动检测、调节和程控系统。

◆测量精度不受被测介质的种类及其温度、粘度、密度、压力等物理量参数的影响。

故在此选用电磁流量计。

选用淮安市开开仪表有限公司所生产的HAKK-LDE电磁流量计。

图4-8电磁流量计原理图图4-9HAKK-LDE电磁流量计HAKK-LDE电磁流量计基本技术参数*仪表精度管道式0.5级，1.0级*测量精度电导率大于5uS/cm的各种液体和液固两相流体。

*流速范围0.28m/s*环境温度-100度350度*输出信号420mA.DC,负载电阻0750欧*电源电压90220V.AC、24-10V.DC*最大功耗10VA由于此流量计需工作在250多度高温下，由型谱可查得，应使用T3耐高温型。

4.2.3控制阀控制阀又称调节阀，是工业过程控制中的主要执行单元仪表，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变流体流量。

控制阀一般由执行机构和阀门组成。

如果按其所配执行机构使用的动力，控制阀可以分为气动、电动、液动三种，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动控制阀，以液体介质如油等压力为动力的电液动控制阀，另外，按其功能和特性分，还有电磁阀、电子式、智能式、现场总线型控制阀等。

根据设计要求在此选用电动控制阀。

选择南通中矿水泥成套设备有限公司生产的ZAJV电子式电动V型调节球阀。

图4-10ZAJV电子式电动V型调节球阀图4-11ZAJV电子式电动V型调节球阀闸门开度图4-12ZAJV电子式电动V型调节球阀具体参数4.2.4控制器在此采用两片单片机构成其控制器部分。

一片负责对液位传感器所等到的液位进行判断，一片为主控制器，负责接收1单片机与电磁流量计所发送的信息，并做出判断。

并对电动阀进行控制。

4-13控制器结构示意图4.3控制算法一般来说，对于串级控制系统，主变量不允许有余差。

对于副变量的要求一般都不是很严格，允许它有波动和余差。

为了主变量的稳定，主调节器必须具有积分作用。

因此，住调节器通常都选用比例积分规律。

有时，对象控制通道容量滞后比较大，为了克服容量滞后，选择比例积分微分三作用的调节器作为主调节器。

副调节器的给定值随主调节器的输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副调节器一般不设置积分作用，微分作用也不需要，因此当副调节有微分作用时，一旦主调节器的输出稍有变化，执行机构就将大幅度地变化。

但副调节器容量滞后比较大时，可以适当加一点微分作用，一般情况下，副调节器只需要比例作用就可以了。

本系统的液位对象容量滞后比较大，故主调节器选用比例积分微分调节作用，而流量对象时间常数很小，副调节器只用比例作用。

4.4软件设计系统软件主要由主程序、采样程序和PID算法程序和一些子程序组成4-14主程序流程图主程序的主要功能是完成AT89C51的初始化，设置液位的上限和下限采样和数据处理模块本系统利用定时循环轮流对液位进行实时采样，对实时数据进行数据处理，并采用PID控制方案。

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I根据以上推导，得到增量式PID控制算法的程序流程图如下图所示。

4-15PID控制算法子程序9fz-SOfSD771988.VcUk71988第五章液位控制系统调试方法5.1比例、积分和微分的分析5.1.1比例调节（P调节）比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。

比例调节作用是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。

5.1.2积分调节（I调节）在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，比例积分PI控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

积分调节作用是使系统消除稳态误差,提高无差度。

因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。

积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。

反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。

积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。

5.1.3微分调节（D调节）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。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后delay组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例微分PD控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

微分调节作用微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。

因此,可以改善系统的动态性能。

在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。

此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。

微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。

5.2PID参数整定方法PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。

它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类一是理论计算整定法。

它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。

这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。

三种方法各有其特点