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1、课程方案设计方案主体页眉页脚第1章绪 论1.1过程控制系统以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。1.2基本信息在石油、化工、冶金、电力、轻工和建材等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制称为生产过程自动化。生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进

2、文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段,是20世纪科学与技术进步的特征,是工业现代化的标志。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制就称为过程控制。过程控制系统process control systems）可以分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。随着工业生产规模走向大型化、复杂化、精细化、批量化，靠仪表控制系统已很难达到生产和管理要求，计算机过程控制系统是近几十年发展起来的以计算机为核心的控制系统。过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定

3、。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。以表征生产过程的参数为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。例如，锅炉中蒸汽的产生、分馏塔中原油的分离等。表征过程的主要参数有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参数的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。例如，化学反应器中催化剂的注入需要等到反应物升温至一定数值后才能开始，操作必须遵守严格的顺序。顺序控制常采用

4、可编程序逻辑控制器来实现。在实际生产过程中，往往有多个参数被控量）需要控制,又有多个变量可用作控制量。在很多情况下,被控量与控制量之间呈现出交互影响的关系，每个控制量的变化会同时引起几个被控量变化。这种变量间的交互影响称为耦合。耦合的存在会使过程控制系统变得复杂化。简化控制系统结构的一种方法是采用解耦控制和顺序控制；5.故障的防止和弥补。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。过程信息系统在操作员与自动化系统之间提供了人机交互功能，各种显示屏幕能显示过程设备的状态、报警和过程变量数值的流程图，并能在屏幕的一定区域显示过去的信息。过程信息系统还能统一处理销售、设计、内部运

5、输、存储、包装、行情调查、会计、维修、管理等环节的信息，沟通企业内部和企业内外的信息，并能根据使用人员的需要有选择地提供信息报告。例如，顾客的订货单可在门市部送到信息系统中而立即传送到信息系统的生产调度部门。1.3系统发展随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。本世纪30 年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个

6、发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管

7、理的最优化。1.4发展趋势计算机控制系统以其特有的优势和强大的功能,已在过程控制领域得到广泛的应用。同时,随着计算机软硬件技术和通讯技术的飞速发展,新的控制理论和新的控制方法也层出不穷。展望未来,它的发展趋势有以下几个方面：1.大力推广应用成熟的先进技术。普及应用具有智能I/O模块的、功能强、可靠性高的可编程控制器(PLC,广泛使用智能化调节器,采用以位总线(Bitbus、现场总线(Fieldbus技术等先进网络通讯技术为基础的新型DCS和FCS控制系统。2.大力研究和发展智能控制系统。智能控制是一种无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的过程,也是用机器模拟人类智能的又一重要领域。智

8、能控制系统的类型主要包括:分级梯阶智能控制系统、模糊控制系统、专家控制系统、学习控制系统、人工神经网络控制系统和基于规则的仿人工智能控制系统等。3.控制与管理结合,向低成本自动化(LowCostAutomation,LCA方向发展。LCA是一种以现代技术实现常规自动化系统中的主要的、关键的功能,而投资较低的自动化系统。在DCS和FCS的基础上,采用先进的控制策略,将生产过程控制任务和企业管理任务共同兼顾,构成计算机集成控制系统(CIPS,可实现低成本综合自动化系统的方向发展。总之,由于计算机过程控制在控制、管理功能、经济效益等方面的显著优点,使之在石油、化工、冶金、航天、电力、纺织、印刷、医药

9、、食品等众多工业领域中得到广泛的应用。计算机控制系统将会随着计算机软硬件技术、控制技术和通讯技术的进一步发展而得到更大的发展,并深入到生产的各部门。第2章设计目的要求及步骤2.1设计目的通过课程设计使学生将课本中所学的专业知识应用于设计实践，以巩固课堂学的专业知识，为今后的毕业设计打下良好的基础。1.了解水箱液位控制系统的组成及控制原理。2.了解PID整定和调试过程。3.了解过程控制系统设计的基本原则、内容与一般步骤。2.2设计任务 1、选择控制方案。2、绘制双容液位控制系统框图。3、确定系统传感与变送器的选择、数据采集系统、控制电路等。4、说明系统工作原理，求出被控对象的传递函数，画出控制系

10、统动态结构图。5、完成系统调试、实验。要求有调试步骤的说明，实验过程的说明，实验数据、过程曲线。第3章PID控制器参数整定3.1确定控制器参数数字PID控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID参数整定方法进行。在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。3.2选择参数控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要

11、求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。PID控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。3.3实验方法的选择3.3.1实验凑试法实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控

12、制参数。整定步骤：实验凑试法的整定步骤为先比例，再积分，最后微分。1.整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。2.整定积分环节若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤1）中选择的比例系数减小为原来的5080，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。3.整定微分环节若经过步骤2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间

13、，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。3.3.2实验经验法扩充临界比例度法实验经验法调整PID参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法,其最大的优点是，参数的整定不依赖受控对象的数学模型，直接在现场整定、简单易行。扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象，是对连续-时间PID控制器参数整定的临界比例度法的扩充。扩充比例度法整定数字PID控制器参数的步骤是：1.预选择一个足够短的采样周期TS。一般说TS应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。2.用选定的TS使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用，将控制选择为纯比例控制器，构成闭环运行。逐渐减小比例度，即加大比例放大系数KP，直至系统对输入的

14、阶跃信号的响应出现临界振荡稳定边缘），将这时的比例放大系数记为Kr,临界振荡周期记为Tr。3.选择控制度。控制度，就是以连续-时间PID控制器为基准，将数字PID控制效果与之相比较。通常采用误差平方积分作为控制效果的评价函数。定义控制度采样周期TS的长短会影响采样-数据控制系统 的品质，同样是最佳整定，采样-数据控制系统的控制品质要低于连续-时间控制系统。因而，控制度总是大于1的，而且控制度越大，相应的采样-数据控制系统的品质越差。控制度的选择要从所设计的系统的控制品质要求出发。4.查表确定参数。根据所选择的控制度得出数字PID中相应的参数TS,KP,TI和TD。5.运行与修正。将求得的各参数

15、值加入PID控制器,闭环运行,观察控制效果,并作适当的调整以获得比较满意的效果。第4章系统调试及实验4.1电动调节阀电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。有方工阀门其是一种新型材料，随着工业领域的自动化程度越来越高， 正被越来越多的应用在各种工业生产领域中。与传统的气动调节阀相比具有明显的优点：电动调节阀节能只在工作时才消耗电能），环保无碳排放），安装快捷方便无需复杂的气动管路和气泵工作站）。阀门按其所配执行机构使用的动力，按其功能和特性分为线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种4.2压力传感器压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信

16、号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。 或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。4.2.1半导体压电阻型半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表

17、面形成半导体变形压力，通过外力压力）使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。4.2.2静电容量型静电容量型压力传感器，是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容，将通过外力压力）使可动 温度传感器 压力传感器极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。系统响应为有限值得控制对象存在静差，加大比列系数Kp可以减小静差，但是Kp过大是，会使系统的动态质量变坏，引起输出量的振荡，甚至导致闭环系统不稳定。所以需要小幅度的调大。2.I积分调节器）具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累计作用影响控制量u,从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数Ti大，则积分作用弱，反之强。增大Ti

18、将减慢消除静差的过程，但可减少超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。所以积分环节可以快速的调大。3.D微分调节器）为加快控制过程，有必要在偏差出现或者变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，所以微分环节为零时系统趋于稳定。系统液位达到设定值12时的过程中阀门开度及测量值得一个动态性能指标如下图：图4-3 参数整定图3结 论本次PID整定液位设计包括：PID整定参数，调试及实验几部分的设计。从这次设计，使我加深了对专业知识的理解和应用，对有关规范、标准有了更加深刻的体会。在设计过程中，学到了更多的过程控制系统及仪表专业知识、也遇到了许多问题，在设计最初阶段，

19、由于所学的知识有限，在其中的比列，积分及微分环节上的数值选定出现了问题，在一些细节上也没有很好的注意。对于设计过程中遇到的问题。在同学们一起讨论的基础和老师的指导下克服了这个问题。同时，过程控制所涉及的内容太繁杂了，对一些过程控制知识我目前所掌握的只是其中很少的一部分，我深知我的不足，在以后的学习及生活中，我会努力地学习专业知识，提高自己的专业技能。参考文献1方康玲.过程控制系统M武汉:武汉理工大学出版社，20022刘宝坤.计算机过程控制系统M北京:机械工业出版社，20013王银锁.过程控制系统M北京:石油工业出版社，20094方康玲.过程控制与集散控制系统M北京:电子工业出版社，20095于金寿，蒋慰孙.过程控制工程M北京:电子工业出版社，2007致 谢在此次设计中，我运用所学的过程控制及PID参数整定知识及各种学习软件，认真执行相关规范，理论联系实际，完成了PID液位控制设计，锻炼了独立分析问题的能力，为以后的学习生活奠定了基础。在此期间，老师为我们作了辅导和答疑工作，帮我解决了设计过程中的一个个难题，使设计工作顺利完成同时，在本次设计及论文的写作过程中，同学们也为我提供了力所能及的帮助，尤其是同寝室的同学为我提了不少宝贵意见，并创造了浓厚的学习氛围，在此也一并向他们表示感谢！