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压力控制系统的设计

本科生毕业设计

压力控制系统的研究与设计

系（部）：

专业：

学号：

学生姓名：

指导教师

2011年5月

摘要

所谓压力控制系统就是利用管道或容器中的介质压力作为被控制量，从而保证输出一个恒定的气压的反馈控制系统。

目前生产中应用的压力控制系统，主要以传统的PID控制算法为主。

但对于复杂的大型系统，其数学模型往往难以获得，传统的PID控制方式显得无能为力。

为适应复杂控制系统的控制要求，人们研究了很多智能控制方法，模糊PID控制便是其中之一。

本文主要研究了模糊PID控制及其改进方法在压力系统中的应用。

通过使用PID控制技术与模糊控制理论控制该压力系统，并利用MATLAB仿真软件对系统进行了仿真研究。

仿真研究的结果表明，参数自整定模糊PID控制可以在线调整PID参数，使控制系统的响应速度快，超调量减少，过渡过程时间大大缩短，振荡次数减少，具有较强的鲁棒性和良好的稳定性。

关键词：

过程控制，压力控制系统，模糊PID控制

ABSTRACT

Thepressurecontrolsystemsisapipeorcontainerusedinthemediapressureismeasuredasacontrolthefeedbackfromthecontrolsystem.Toensurethattheoutputofaconstantpressure.

Itisahipracticalvaluetostudythlevelcontrolmethods．applicationofthecurrentproductionlevelcontrolsystem．mainlytothetraditionalPIDalgorithm．based．Butforthelarge．scalecomplexsystems，itsmathematicalmodelsareoftendimculttoobtain.thetraditionalPIDcontrolispowerless．Inordertomeettherequirementsofthepressurecontrolsystem,peoplehavedevelopedalotofmuchintelligentcontrolmethods，andfuzzyPIDcontrolisoneofthem．ThispapermainlyresearchedthefuzzyPIDcontrolandimprovementmethodsinpressurecontrolsystem．ThroughtheuseofPIDcontroltechnologyandthefuzzycontroltheory,thepressurecontrolsystemisdesigned,andusingMATLABsimulationsoftwareofthesimulationsystem.

Simulationresultsshowthatparameterself-tuningfuzzyPIDcontrolcanadjustthePIDparametersonline,makingthecontrolsystemfastresponsespeed,smallovershoot,Shortenedtransitiontime,reducingthefrequencyofoscillation,hasstrongrobustnessandgoodstability.

Keywords:

processcontrol,pressurecontrolsystem,fuzzyPIDcontrol

第1章绪论

1.1课题背景

随着过程控制的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。

而气压控制作为过程控制的重要一类，现今也是快速成为越来越重要的一种控制媒介，其理由为在气压缸之程序控制，气压控制提供了最逻辑的控制手段，应用在现今自动化的生产机器。

气压是一个日常生活中常常接触到的物理量，初中时我们就接触了大气压的应用。

在日常生活中，我们接触到的有气压计、抽水机、抽气机、打气筒、高压锅等等，在医学领域，最常见的有气压止血带、高气压消毒、血压计等等。

在工业上，如气体压缩机、离心压缩机、富气压缩机等等，而这些在石油化工行业中起到了举足轻重的作用。

1.2压力控制系统的发展状况

随着自动控制技术的发展，精密气压产生与控制技术的应用越来越广泛。

而传统的阀门控制器控制精度不够，运行速度缓慢，且价格昂贵，已不能满足这方面的要求。

出现了多变量PID神经元网络控制系统，电气比例阀气压控制系统，基于硅微控阀门的气压控制系统，模糊PID控制压力控制系统等一系列高科技的压力控制系统。

在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。

自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。

为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。

在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。

气压液压控制技术既不是“朝阳技术”，也不是“夕阳技术”，而是与人类共存的永恒技术，且在中国还是一个不断发展的技术。

20世纪80年代以后，中国的经济发生了突飞猛进的变化，气压的应用尤其字锅炉，航空等行业，产品的技术性能已接近发达国家水平。

锅炉是经济发展时代不可缺少的商品，未来将如何发展，是非常值得研究的。

而这一切都离不开对压力控制系统的研究。

而国外一些发达国家在控制系统这方面的研究更是非常的重视，而且在高科技技术的背景下，更是取得了相当大的成果。

比如在油田领域中，运用钻井液微流量控制系统技术（MFC）通过对钻井液的精密控制，从而更高预防和减少钻井事故的发生。

还有航空领域，采用模糊控制方法实现了大气压力模拟舱内的压力控制。

采用LabVIEW软件开发测控软件,利用实验室的现有条件,结合某型电子/气动式压调器的实验,完成了飞机在各种飞行状态下所需的大气压力模拟舱内的压力控制,取得了非常好的效果。

第2章过程控制系统的总体方案

本章主要介绍本次压力控制系统设计的总体方案，其中包括确定系统任务、系统组成及工作原理、初步方案等，从而为接下来的具体设计指明了方向。

2.1系统任务

本系统由三个压力容器和针型阀、压力及流量等相关的检测、变送、模拟信号端子板组成。

整个装置有三个压力检测变量，可从中选择一至两个被控变量。

一般，支路1流量作为操作变量主输入通道，支路2则为扰动输入通道。

主要任务有三点：

1、设计控制器，对输入偏差进行PID运算，得到PID参数。

2、控制器输出变化量控制信号，控制电子调节阀门的阀位，改变调节参数，使被调参数保持在设定值。

3、确定被控变量、操作变量、主要扰动的控制方案。

2.2系统组成与工作原理

压力控制系统的研究与设计系统方框图如图2.1所示。

本图是一个简单的单闭环控制系统。

一个完整的过程控制系统图一般有调节器（控制器）、执行器、被控过程和测量变送器四个环节。

其中调节器、执行器和测量变送器都属于检测控制仪表，所以，也可以认为，过程控制系统=检测和控制仪表+被控过程。

图2.1压力控制系统方框图

2.3系统初步思路及方案

研究思路：

1、通过系统方框图以及设计要求，了解大致思路。

2、设计硬件电路，选择功能模块电路的资料

3、控制面板的设计，需要用到压力容器、压力检测计、流量检测装置、PID控制器、电子调节阀、针型阀

4、通过PID运算电路，写出PID的传递函数

5、硬件仿真，记录数据以及实时曲线。

下图是控制系统的简单结构图

图2.2控制系统的简单结构图

具体方案：

第一步先给气缸1冲入气体并且使其获得气压。

然后打开连接气缸1和气缸2的针型阀，并且通过仿真的波形图观察容器2的气压。

其仿真波形图如图3。

气缸1的气压为a，气缸2中的气压为c。

图2.3初始波形图

当气缸2的气压达到平衡（t.0）的时候，测量出PID参数分别为P、I、D。

并且保持其PID值不变。

第二步突然加大气缸1和气缸2的针型阀的开度，使气缸2中的气压突然增大，并且观察气缸1，2的仿真波形图如图2.4。

图2.4干扰后波形图

从图2.4我们可以得知容器1和容器2会重新达到一个平衡。

系统的总体方案无疑是相当重要的一环，当系统任务、系统组成及工作原理、初步方案等有了初步的确定之后，接下来的设计就会变得相对简单明了。

第3章压力闭环控制系统的具体设计

这章所要介绍的内容无疑是本次设计的核心部分，要设计一个压力控制系统。

首先得解决其中的几个重要环节：

数学模型的建立、系统的具体控制方案、PID及模糊PID具体控制原理及方法。

下面一一做详细分析：

3.1建立数学模型

3.1.1数学模型的定义

在各式各样的被控过程中，有的被控过程容易控制，而有些则很难控制，有些进行的慢，有些进行的快，要精确地描述被控过程的动态特性，离不开数学模型。

所谓数学模型就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。

3.1.2数学模型分类

（1）机理法机理法建模是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出相关的平衡方程。

（2）测试法测试法建模通过对被控过程输入、输出的实测数据进行数学处理后求得其数学模型。

3.1.3数学模型的建立及传递函数的确定

气体压力控制过程实际上是密闭容腔的充放气过程。

尽管容腔的充放气过程是气动系统的一个基本过程,但考虑到气体流动的复杂性,为了便于分析和研究问题,特作如下假设:

在常温常压下把所研究的工作介质看成理想气体,气体流动过程为等熵（可逆绝热）过程,密闭容腔充放气时气体与外界无热量交换,即视为绝热过程;气体经过阀口流动时忽略粘性阻力的影响,并忽略各处的泄漏。

要得到整个气路控制系统的数学模型,这里首先给出几个基本概念:

（1）电阻

气阻与电子线路中的电阻相似,它具有电阻的串连特性,它可以改变气体的流量,而在它的两端产生压力降。

在流体成层流状态时,气阻的大小与两端的压降成正比,与流过的流量成反比,可表为

（3.1）

式中:

R为气阻;􀀁p为气阻两端的压降;Q为气体质量流量。

在这里,电磁阀和针孔阀的特性均表现为气阻,通常电磁阀、针孔阀均只有两个状态,即开状态和关

状态,开状态下气阻大小由式

（1）决定,当关闭时气阻为无穷大。

（2）电容

在电子线路中,电容的大小由使用它两端升高单位电压所需要增加的电量来表示。

气容在气路中的作用与电容在电路中的作用相似,其值由升高单位气压所需增加的气体量表示,即:

（3.2）

式中:

m为气体质量;pC为气室中的压力;C为气容量。

对容积不变的固定气缸的气容,在常温常压下,把所研究的工作介质看成理想气体,根据气体状态方程式:

（3.3）

式中:

p为气室中的绝对压力;V为气体体积;m为气体质量;R为气体常数;

若将气容的充气放气过程视为等温过程,则得到

（3.4）

则式

（2）可以表示为

（3.5）

由上式可见,当温度T不变时,气容量C与气室的容积V成正比,由于固定气室的容积恒定,因此固定气室的气容量为一恒值。

（3）流量控制阀

流量控制阀为一种执行机构,它接受控制信号,并将其转换为相应的推杆直线位移,以推动调节机构动作。

静态特性为

（3.6）

式中:

u为控制电压;Q为介质流量。

动态特性为

（3.7）

其中Tv为控制的时间常数,一般很小,可以忽略。

则可以求得流量控制阀的传递函数的近似为

（3.8）

由于本课题涉及到多个压力容器，适合机理法建模。

下图是控制系统的简单结构图。

图3.1控制系统的简单结构图

根据课题要求，支路1流量作为操作变量的主输入通道，支路2为扰动输入通道。

通过由阀门1输入一固定气压的气流，即一般情况下阀门1不作用，而阀门2作为气缸2的输入调节阀，阀门3作为气缸2的输出调节阀，阀门4控制气缸3的输入，阀门5控制气缸3的输出。

P气缸2作为被控变量，输入流量Q阀门2是调节作用，而Q阀门5是外部扰动作用。

根据物料平衡关系，气体累积量的变化速度等于输入流量和输出流量之差。

首先对支路1进行分析，假设气缸2的容积V2是常数，则流入量与流出量相等

（3.9）

（注：

Q2、Q3、Q4、Q5分别指阀门2、阀门3、阀门4、阀门5，A代表气缸横切面积,容器2容器3的阻力分别是R1,R2）又P=F/S，气缸的的体积以及横切面积A一定，所以密度ρ在一定的体积下与压强P成正比即ρ=kP

又

（3.10）

设T1=A1ρ1R1,T2=A2ρ2R2，由G（s）=△P（s）/△Q（s）

最后导出气缸2和气缸3的过程传递函数G1（s），G2（s）分别为：

（3.11）

（3.12）

3.2控制方案的确定

通过控制方案的进一步分析，得到压力控制系统硬件简易方框图

阀门4

阀门1

图3.2压力控制系统硬件简易方框图

3.2.1被控参数的选择

生产中希望借助控制系统保持恒定值的参数称为被控参数，也称为被控变量。

被控参数的选择是控制方案的重要一环，对控制系统能否达到稳定操作、增加产量、提高质量、节能降耗、改善劳动条件、保证生产安全等具有决定性的意义，关系到控制方案的成败。

如果被控参数选择不当，则不管组成什么形式的控制系统，也不管选用多么先进的检测控制设备，均难以到预期的控制效果。

影响正常操作的因素很多，但并非都需加以控制。

只有根据工艺要求，深入分析工艺过程，才能选择出合适、可测的被控参数。

选择的方法：

对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位作为被控变量，这是容易理解的，也无需多加讨论。

1）.选直接参数即能直接反应生产过程产品产量和质量，以及安全运行的参数。

2）.选间接参数当选直接参数有困难（信号微弱或者无法进行检测）时采用。

可以选择那些能间接反应产品质量产量又与直接参数有单值对应关系的、易于测量的参数作为被控参数。

被控变量选择的原则：

1、若可行，尽量选择质量指标参数作为被控变量。

2、当不能选择质量指标作被控量时，应当选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控量。

3、所选的间接指标应当具有足够大的灵敏度，以便反应产品质量的变化。

择被控变量时需要考虑到工艺的合理性和国内外仪表的生产状况。

按照实际设计要求，以及控制系统图，可以得知，气体的流量、压力、因而选择气缸2的出口气压大小作为被控参数。

3.2.2控制变量的选择

控制变量在物理学的概念是指那些除了实验因素（自变量）以外的所有影响实验结果的变量，这些变量不是本实验所要研究的变量，所以又称无关变量、无关因子、非实验因素或非实验因子。

只有将自变量以外一切能引起因变量变化的变量控制好，才能弄清实验中的因果关系。

控制变量衍生到生活中的作用是控制一定影响因素从而得到真实的结果。

在控制系统中，把用来克服干扰对被控参数的影响，实现控制作用的变量称为控制变量，也称为操纵变量。

在一个控制系统中，可以作为控制量的参数往往不至一个，所以控制量的选择问题也是系统设计中一个重要考虑的因素。

在过程控制中最常见的控制变量是介质的流量。

在有些生产过程中，控制变量是很明显的，如液位控制系统，其控制变量一般是选择出口流体的流量，而在温度控制系统中，控制变量一般选择载热介质的流量。

但在有些生产过程中，影响被控参数的外部变量有几个，这些输入变量中，有些允许控制，有些则不允许控制。

从理论上讲，所有允许控制的变量都可选作为控制变量，但在单输入—单输出系统中只能有一个控制变量。

控制变量还需要注意几个方面：

1）、控制变量应该是可控的，即工艺上允许调节的变量2）、控制变量一般应该比其他干扰对被控量的影响更加灵敏。

为此，要合理选择控制变量，使控制通道的放大系数K0要适当选大一些；时间常数T0要适当小一些；纯滞后时间0越小越好，0与T0之比应小于1.扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；时间常数Tf要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程（即靠近调节阀）；容量滞后愈大，愈有利于控制时间常数匹配：

广义过程（包括调节阀和测量变送器）由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。

3）、注意工艺操作的合理性、经济性。

综合上述因素，在此次设计中选择气缸2的出气量作为控制变量。

3.2.4传感器、变送器的选择

过程控制系统中用于参数检测的传感器、变送器是系统中获取信息的装置。

传感器、变送器完成对被控参数以及其他一些参数、变量的检测，并将测量信号传送至控制器，测量信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数迅速、准确地测量是实现高性能控制的重要条件。

测量不准确或不及时，会产生失调、误调或调节不及时，影响之大不容忽视，因此，传感器、变送器的选择是过程控制系统设计中的重要一环。

传感器与变送设备的选择与使用，主要根据被检测参数的性质以及控制系统设计的总体功能要求来决定。

被检测参数的性质、测量精度、响应速度要求以及对控制性能要求等都影响传感器、变送器的选择与使用，在系统设计时，要从工艺的合理性、经济性、可替换性等方面加以综合考虑。

本次设计涉及到压力以及流量的测量，所以需要压力检测仪表以及流量检测仪表。

下面介绍几种常用的压力及流量检测仪表以及检测的方法

测量压力、压差的仪表很多，按照转换原理的不同，大致可以分为四类。

1、夜注式压力计2、弹簧式压力计3、电气式压力计4、活塞式压力计。

本次设计选择电气式压力计中的电容式差压变送器，因为它能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。

而且可以远距离传送信号。

电气式压力计一般由敏感元件、测量和信号处理电路组成，常用的信号处理有补偿电路、放大转换电路，如下图

图3.3压力计信号处理图

电容式差压变送器是先将差压转换成电容量的变化，再将电容量的变化转换成标准电流输出。

器结构紧凑、电路独特、测量精度高，在工业中得到广泛的应用。

下图是电容式差压变送器的传感部件结构图，被测压力P1、P2分别加于左右两个隔离膜片上，通过硅油将压力传送到测量膜片。

图3.4电容式差压变送器的传感部件结构图

下图是电容式差压变送器的实物图

图3.5电容式差压变送器的实物图

差动电容与被测压差之间的关系如下：

设测量膜片在差压的作用下变形，其中心移动距离为△d，由于位移很小，可近似认为两者呈比例关系，即

（3.13）

式中，K1为比例常数。

这样，可动极板与左右固定极板间的距离由原来的d0分别变为（d0+△d）和（d0-△d），根据公式，两个电容C1、C2可分别写成

（3.14）

（3.15）

式中，K2是由电容器极板面积和介质介电系数决定的常数。

联立可解出差压与差动电容C1、C2的关系如下：

（3.16）

正弦波电压E1加于差动电容C1、C2上，若回路阻抗R1~R4都比C1、C2的阻抗小的多，则由图中可写出

（3.17）

（3.18）

式中，I0、I1、I2均为二极管半波整流后的电流平均值。

令V1、V2、V4分别表示R1、R2、R4上的压降，则可得

（3.19）

得

（3.20）

下图是电容式差压变送器测量电路

图3.6电容式差压变送器测量电路

图中晶体管VT1之前的电路工作电流由恒流电路攻击，维持变送器工作的基本消耗电流约为4MA，而流过晶体管VT1的电流则随被测差压的大小作线性变化，使输出电流随被测差压的大小在4~20mA内变化。

3.2.5测量流量仪表的选择

流量一般是指单位时间内流过管道某一截面的流体数量，即瞬时流量。

流量可以用质量表示，也可以用体积表示，单位时间内流过的流体以质量表示时为质量流量。

单位是每秒立方米，则流量的方程为：

Q=SV=常量。

不可压缩的流体作定常流动时，通过同一流管各截面的流量不变。

对在一定通道内流动的流体的流量进行测量统称为流量计量。

流量测量的流体是多样化的，如测量对象有气体、液体、混合流体；流体的温度、压力、流量均有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。

流量测量的任务就是根据测量目的，被测流体的种类、流动状态、测量场所等测量条件，研究各种相应的测量方法，并保证流量量值的正确传递。

体积流量与质量流量之间的关系是

或

（3.21）

除了上述瞬时流量外，把某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值，称为总量。

为此，可在流量计上附加积算装置，进行瞬时流量对时间的积分运算，已获得一段时间内通过的无聊总体积或总质量。

本次设计选用差压式流量计，它是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。

它是流量测量仪表中最成熟、最常用的仪表之一。

节流装置包括节流件和取压装置，节流件是使管道中的流体产生局部收缩的元件，应用最广泛的是孔板，其次是最喷、文丘里管等。

下图是常用的差压式流量计实物图

图3.7差压式流量计实物图

在管道中插入一片中心开孔的圆盘，当流体经过这一孔板时，流体流束截面缩小，流动速度加快，依据伯努利方程，在水平管道上，孔板前面稳定流动段的流体压力P1，平均流速v1与流束收缩到最小的截面P2平均流速V2间必然存在如下关系

（3.22）

式中，ξ表示流体在截面1-1与2-2间的动能损失系数，g为重力加速度，ρ1、ρ2分别表示流体在截面1-1和2-2处的密度，如果流体是不可压缩的，那么ρ1=ρ2=ρ成立。

由流体流动的连续性方程可知，流体管道的流体体积流量为

（3.23）

式中，S1、S2分别为流体在截面1-1和2-2处的流束截面积，S1等于管道的截面积。

（3.24）

代入体积流量式中

（3.25）

令α=μ

（3.26）

式中，α称为流量系数。

这样，体积流量

（3.27）

质量流量

（3.28）

3.2.6执行器、安全栅的选择

执行器（finalcontrollingelement）是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。

执行器也是控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，由执行机构和调节机构组成。

在过程控制系统中，执行器由执行机构和调节机构两部分组成。

调节机构通过执行元件直接改变生产过