工业废碱液处理控制系统的设计.doc

辽 宁 工 业 大 学过程控制系统课程设计（论文）题目：工业废碱液处理控制系统的设计本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器学 号学生姓名专业班级设计题目工业废碱液处理控制系统的设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能设计工业废碱液处理控制系统，使得在新的流量比值下保证PH值等于7某些工厂排出的废液中含有碱，若把废液排入江河湖泊，将会造成环境污染。对此，常在废液中加入适量的酸，将其中合成中性的再排放，可保护环境卫生。废碱液和酸的流量比是随第三参数PH的变化来决定的。当废碱液和酸的浓度变化时，必然会改变PH值。设计任务及要求1、确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；4、若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数测量范围：0+14PH值 ； 控制范围：71PH值 ； 最大偏差：2PH值；工作计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天 ）2、确定系统的控制方案，绘制原理结构图、方框图。（1天 ）3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。（2天 ）4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（ 1天）5、上机实现系统的模拟运行、答辩。（3天 ）6、撰写、打印设计说明书（1天 ）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要随着社会的发展，工业生产占据主要，同时，工业生产也给自然环境带来了一系列的污染问题，解决环境污染问题成为现今社会科学发展的主要问题。某些工厂排出的废液中含有碱，若把废液排入江河湖泊，将会造成环境污染。这需要将废液进行处理，调节液体的PH值，使PH值达到合理范围，降低对环境的污染。本文对工业废碱液处理系统进行设计，采用变比值控制系统，以PH值为第三参数来控制废碱液与酸的流量比，通过传感器检测处理后液体的PH值，根据检测回来的信号传输到指定的调节器，按照相应的控制策略与控制算法进行调节，然后按相应的调节结果进行执行。从而形成闭环比值-串级控制系统，也叫变比值控制系统，这样来使系统稳定的进行废碱液的处理，以达到适应一定的环境要求，减少环境污染，合理的进行工业生产。关键词：废液碱；PH值；比值控制系统目 录第1章 绪 论1第2章 系统设计分析与方案论证22.1 系统控制分析22.2 被控参数与控制参数的选择32.3 控制方案的论证与选择32.4 本系统变比值控制系统构成42.5 系统框图42.6 系统干扰的分析6第3章 系统仪表的选型73.1 检测元件的选型73.1.1 PH值变送器选型73.1.2 流量变送器选型83.2 控制（调节）器的选型93.3 执行器的选型113.4 系统作用方式判断113.4.1 执行器的气开、气关判断123.4.2 控制器的正反作用判断12第4章 系统控制算法134.1 控制（调节）规律选择134.1.1 主控制规则的选择134.1.2 副控制规则的选择134.2 系统主要性能参数计算144.2.1 比值系数的计算14第5章 系统调试与仿真155.1数学建模仿真155.2 PID系统调试16第6章 总结18参考文献19IV本科生课程设计（论文）第1章 绪 论环境污染是目前人类生存与发展的第一问题，也与人类日常生活息息相关，一但生活的环境受到威胁、污染，将使自然环境的质量降低，对人类的生存与发展、生态系统和财产造成不利影响的现象。甚至会使人类难以生存。因此环境污染问题越来越成为世界各个国家的共同课题之一，也是工业生产过程必须要考虑并解决的首要问题。对于现阶段的一些工业生产部门，对于废碱液的处理方法各有不同，有的使用人工处理，有的使用设备手动处理，这些处理难免会出现很大的误差，也无法避免一定量的污染，所以很多生产部门开始考虑自动控制处理，检测排放的PH值来进行酸碱的配比，以达到稳定的生产过程，并且降低对环境的污染问题。本设计系统为工业废碱液处理系统，将工业废碱液进行加酸中和处理，以达到排放水的PH值在合理的范围内。通过对工业废水的处理使排放废水无污染，进而降低对水的污染来降低工业生产对环境的污染，进行合理化、高效率的生产过程。由于系统主要对第三参数的检测，来改变其余参数的设定值，有因为其余参数为流量参数，并且副参数随着主参数变动，参数的变动需要一定的比值控制，而且生产工艺要求两种流量的比值要随着第三参数的需要进行调节，所以本系统设计采用比值系统中的变比值系统。第2章 系统设计分析与方案论证本章介绍系统的整体概况与本控制系统的控制方案选择，详细的阐述系统控制流程，主、副控制参数与对象的选择。2.1 系统控制分析本系统是废碱液排放处理，属于液体流量范畴内，主要处理的方式是将废碱液与含酸的液体相混合，进行化学上的中和反应，使最终排放的废液的PH值达到控制要求的范围内，因此得知主要的被控制参数为PH值，通过检测PH值的波动来进行系统的控制。除此之外系统还检测废碱液的流量，进行流量控制，由于系统存在PH值的主要干扰和流量的干扰情况，因此系统分为主回路控制与副回路控制。在稳态时，系统PH值输出在恒定的合理范围，酸与碱液的配比为一恒定值，系统主要干扰为PH值的波动作为主回路控制，其他干扰为酸、碱液体的流量作为副回路控制。当主回路的PH值超出合理范围值，系统通过检测元件检测波动情况，通过变送器传送给调节元件，根据控制算法进行相应的控制调节，执行元件执行相应的动作，使系统的PH值输出再次进入合理范围，以达到新一种稳定。当干扰来至于副回路的流量时，通过流量的检测元件检测变化情况，在把检测信号送到控制器与执行器进行相应的调节，使系统恢复到新的稳态情况。控制系统大体框图如下。+主调节器副调节器执行器对象1对象2测量变送器1测量变送器2图 2.1 系统分析大体框图从系统分析与框图来看，本系统具有串级控制系统的特点，但考虑系统的控制参数与控制对象，串级控制系统又不能满足所有要求，因此应该选择具有串级控制系统的特点也能很好的完善控制系统的控制方案。2.2 被控参数与控制参数的选择根据对系统的分析可知，主要的被控参数为系统排放液体的PH值，所以被控参数选择PH值，根据PH值的变动，来调节酸碱的配比，所以控制参数为酸液与废碱液的流量，但是又要检测自身的流量值控制自身流量带来的干扰问题，所以副被控参数为酸碱的流量。2.3 控制方案的论证与选择根据系统分析可知，系统具有串级控制系统的特点，但是系统需要进行两种不同流量的控制，并且两种物料流量要按照一定的比值经行配比，所以选择比值控制系统。方案一：采用双闭环比值控制系统，对于双闭环比值控制系统，能跟好的控制两种液体流量的配比，同时也能克服各自流量带来的干扰问题。但是当酸或者碱的浓度发生变化时候，流量是恒定了，但是排除液体的PH值发生变化了，克服不了对PH值带来的干扰问题，还是无法完成系统的要求。F1TF1CF2TF2CKQ1 废碱液Q2 酸液图2.2 双闭环比值系统方案二：采用变比值控制系统，变比值控制系统，具有串级控制系统的特点，同时也有双闭环比值控制系统的特点，能够很好的控制流量的问题，也能随第三参数的改变来控制流量的配比，能够很好的克服PH值带来的干扰问题。总上所述，根据两种方案的对比，考虑到更多干扰的控制，所以应以第三参数PH值作为主参数，又考虑到流量比值又是随主参数变动的，所以本设计选择变比值控制系统，又叫做串级比值控制系统。2.4 本系统变比值控制系统构成根据控制系统的分析与控制方案的确定，画出系统控制方案的组成图。酸碱反应容器F1TF2TF2CPHTPHCFCQ1 废碱液Q2 酸液图2.3 变比值控制系统构成2.5 系统框图系统的分析要根据系统的框图，包括系统硬件元件的设计、系统静态参数的计算、系统动态参数的计算、系统传递函数的计算等等，都要依据系统的状态，画好一个系统框图对整个系统的分析起到至关重要。+G(S)G(S)G(S)G(S)G(S)G(S)+-X(S)Y(S)G(S)Q1(S)Q2(S)U(S)G(S)图 2.4 系统框图图中用拉式变换后的系统传函字母代替，下面列举每个字母代替的含义：G(S)-主控制器G(S)-比值控制器G(S)-控制阀G(S)-副流量对象G(S)-主对象G(S)-碱液检测变送器G(S)-酸液检测变送器G(S)-主检测变送器变比值控制系统的工作过程是，系统在稳定状态下，主动量和从动量经检测、变送送入除法器相除，除法器的输出即为它们的比值，同时又作为比值控制器的测量值。此时主被控变量是稳定的，主控制器的输出也稳定不变，并且和比值信号相等，从动量阀门稳定于某一开度。当主动量Q1受到干扰发生波动时，除法器输出要发生改变，比值控制器经过调节作用，改变阀门开度，使从动量Q2也发生变化，保证Q1与Q2的比值不变。当主对象受到干扰引起被控变量Y发生变化时，主控制器的测量值将发生变化。主控制器的输出将发生改变，也就是改变了比值控制器的设定值，从而对主动量Q1和从动量Q2的比值加以修正，以此来稳定主对象的被控变量Y。2.6 系统干扰的分析对于一个系统干扰的分析，应该说是一个系统设计的关键所在，只有对干扰分析合理到位，才会使系统更好的运行，当系统受到干扰时候，是系统快速、稳定的建立一个新的稳态。本系统的干扰有PH值的波动、废碱液流量的波动、酸液流量的波动、还有管道压力、酸碱反应容器的液位等等，本系统主要干扰为PH值干扰。由于PH值干扰为主要干扰，保持PH值波动在合理范围内是本系统主要功能所在，所以使PH值干扰进入主回路控制系统，能更好的及时进行控制，流量的波动作为系统的副干扰，将干扰控制在副回路中，当干扰进来后，在副回路的控制下及时进行调试，避免了干扰信号进入主回路控制系统，避免了干扰对PH值的波动。第3章 系统仪表的选型由系统框图可知，在整个系统工艺的流程上，我们需要三个变送器元件、控制器（调节器）元件和执行器元件。合理的硬件元件选择也会使系统的整体系统更加优秀，所以系统硬件的选择要慎重，经过多方面的因素考虑，以下将进行本设计系统的硬件选型。3.1 检测元件的选型本系统的检测元件主要为变送器，包括一个PH值变送器和两个流量变送器，选择规则根据以下因素：1. 首先确定变送器的测量范围与精度等级要求。以及检测元件所适应的环境。2. 尽可能选择时间常数小的变送器，如果时间常数大的话，势必会给降低系统的响应速度，使系统的性能大大降低。3. 合理选择坚持点，减小测量纯滞后。如果安装为了远离系统本应该的输出位置，势必给系统带来滞后时间，会使系统性能降低，例如：本系统的PH值检测。如果变送器安装远离反应容器输出点，就会给系统带来纯滞后，增加系统时间常数。4. 测量信号的处理。确保输出信号为标准信号，并信号中无干扰。5. 在系统完善的前提下考虑变送器经济问题，减少系统设计带来的不必要开支。3.1.1 PH值变送器选型本系统对PH值的测量要求为测量范围：0+14PH值 ； 控制范围：71PH值 ； 最大偏差：2PH值；根据要求结合所需要考虑的5条因素，本系统选择Apure公司的RP-106PH值变送器。Apure在线PH值变送器RP106广泛应用于生物发酵、农业、化肥、农药、炼油、纯水、电力、制药、污水处理等行业的生产过程测量。专门针对海水等场合的电子线路板优化处理，即使长期工作在海洋环境下，同样稳定工作。PH值变送器实物与特性如下。图 3.1 实物图表3.1 RP-106 PH值变送器特性PH值测量范围014.00PH分辨率和精度0.01PH和0.01PH温度电极Pt1000/Pt100温度补偿自动测量值漂移PH：最大0.75%测量范围电源24VDC，2线制信号输出420mA；带隔离；15VDC信号输出负载600校准方式两点校准和斜率校准安装方式就地安装或者壁挂安装外形尺寸133*78*90mm（长*宽*深）重量 330g3.1.2 流量变送器选型变送器的选择需要考虑很多情况因素,例如,变送器适应的场合,变送器输出的信号范围,检测的介质等等。系统对流量的要求低，主要是变送器适应的场合，由于系统检测的流量液体为酸性和碱性，对一般的变送器会有腐蚀，所以要求选择测量范围宽，抗腐蚀的流量变送器。根据变送器选择因素要求结合上述条件，本系统选择有丹东通博电气公司生产的EFTN型靶式流量变送器。实物图与主要技术参数如下。图 3.2 实物图产品特点：l 能准确测量各种常温、高温、低温工况下的液体、气体、蒸汽，粘稠介质及各种流体介质的流量。l 灵敏度极高，能测量超小流量，其可测量低流速为0.8m/s。l 无可动部件，使用安全可靠，安装简单方便，极易维护。l 计量准确，精度0.5级，重复性好，一般为0.1%。l 测量范围宽，最大测量范围可达1:20。l 压力损失小，仅为标准孔板的1/2P左右。l 可采用干式标定方法，即砝码挂重法。l 可根据实际需要更换靶板来改变测量流量范围。l 能在线直读指示值，又能远程发信。主要技术参数如下表：表 3.2 主要参数公称通经DN15DN300重复性0.1%公称压力0.642MPa测量管材料碳钢；3精度0.5级防爆标志本安型：防爆型；供电电压1228V供电防护等级IP67输出信号两线制420mA 介质温度-196+450环境温度-40+70补偿形式温度补偿；压力补偿3.2 控制（调节）器的选型控制即为系统的核心，对于信号的处理方式有很多种，例如，单片机控制、PLC控制、DSP控制、数字PID控制等等，这些都属于数字算法控制范畴，是当今发展的前驱，但对于普通的控制系统，考虑到稳定、安全、功能完善与经济的问题，模拟PID控制系统还是占一定的位置，是数字控制系统取替不了的，因此本系统设计采用模拟控制系统，模拟式PID调节DDZ-型仪表。具体型号为DTL-3100，实物图与特点如下。1) 采用高增益、高阻抗线性集成电路组件，简化了仪表线路，提高了仪表精度、稳定性和可靠性，降低了功耗。2) 采用国际标准信号制，现场传输信号为4-2OmA直流电流，控制室联络信号为1-5V直流电压。信号为二线制传愉方式。3) 采用集中统一24V DC供电，并备有蓄电池作为备用电源，在工频电源停电的情况下仍能正常工作，有利于保障生产安全。4) 由于采用集成电路扩展了功能，在基型调节器的基础上可增加各种功能，构成各种特种调节器。如非线性调节器可以解决严重非线性过程的自动控制问题，前馈调节器可以解决大扰动及大滞后过程的控制。还可以根据需要在调节器上附加一些单元，如输人报警、偏差报誉、输出双向限幅及其他功能的电路。5) 整套仪表可以构成安全火花型防爆系统，而且增加了安全单元安全栅，实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离。图3.3 DTL-3100型控制外部图3.3 执行器的选型调节阀类型的选择：气动执行器和电动执行器调节阀口径（Dg、dg）大小的选择：主要依据是阀的流通能力。正常工况下要求调节阀开度处于1585之间。调节阀气开、气关形式的选择：主要以安全方面考虑。调节阀流量特性的选择：系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的特性是非线性的(一阶以上特性)，而变送器、调节器(若比例作用时)和执行机构的放大系数是常数。因此往往通过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总放大倍数不变的目的。控制阀是自动控制系统中的一个重要组成部分，其作用是根据调节器的输出命令，直接控制能量或物料等介质的输送量达到控制工艺参数的目的。由于控制阀安装在生产现场，长年与生产介质直接接触。且往往工作在高温，高压，深冷，强腐蚀，易堵塞等恶劣条件下。因此，如果对控制阀选择不当或者维护不善。就会使整个控制系统不能可靠工作或严重影响系统的控制质量，根据能源的种类控制阀分为气动，电动和液动三种，其中电动调节阀可以直接接受来至于控制器的信号，驱动能力强、节能环保、安装方便等优点，因此本系统选择电动调节阀。电动机位置发信器输入信号阀行程阀减速器伺服放大器 图3.4 电动调节阀原理由于控制的选择为DDZ-型仪表，模拟式控制器，相对于执行器也可以选择直接对应的模拟式执行器，本设计选择DKJ电动执行器，它与DDZ-型仪表相组合使用，同时模拟式元件，能很好的匹配调节。3.4 系统作用方式判断根据变比值控制系统组成图，可进行系统控制作用方式的判断，主要为控制器的正、反作用判断，执行器正、反作用的判断。3.4.1 执行器的气开、气关判断气开、气关式的选择主要考虑到人身安全、系统设备安全等问题，对于本系统设计当没信号的时候，酸液的入口应关闭，以免过度的酸液流入，所以执行器应选择气开式“+”调节阀。3.4.2 控制器的正反作用判断正反作用主要原则是使系统组成反馈控制系统，主回路调节器控制PH值，当PH值增大时，说明排放的液体中酸的比例过多，应减小酸液阀门，所以主控制器应选择反作用调节“”副回路调节器控制比值的，假如废碱液增多时，需要酸增多，保持给定的比值恒定，所以比值控制器应选择正作用“+”调节。第4章 系统控制算法系统的控制算法包括主、副控制器的控制规律选择，系统性能指标的计算以及系统重要参数的确定。4.1 控制（调节）规律选择根据被控过程特性与生产工艺要求，了解调节器控制规律对控制质量的影响，合理选择调节器的控制规律，是过程控制方案设计的重要内容之一。选择调节器的控制规律就是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。P控制规律：适用于控制通道滞后较小，时间常数不太大，扰动幅度较小，负荷变化不大，控制质量要求不高，允许有余差的场合。如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。PI控制规律：引入积分作用能消除余差。适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制。PD控制规律：引入了微分，会有超前控制作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量。适用于过程容量滞后较大的场合。对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作用。PID控制规律：可以使系统获得较高的控制质量，它适用于容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合，如反应器、聚合釜的温度控制。本系统控制器分为主控制器与比值控制器，主控制调节来至于PH值的干扰，比值控制器调节系统酸液与废碱液的配比，主控制器安装在整个控制系统的主回路中，比值控制器位于副回路中。4.1.1 主控制规则的选择对于主要参数的控制，关系到产品的质量，系统的性能，一般工艺上要求不可以存在残差，所以主调节器通常选择PI调节，以实现主变量的无差控制，由于主控制是对流量PH值的控制，难免会有一些时间上的滞后，在加上检测元件的时间常数等问题，因此，主控制选择PID控制规律。4.1.2 副控制规则的选择对于系统来说，比值参数并不是主要控制对象，但当干扰一旦出现时，应对干扰进行及时控制，系统响应的时间一定要快速，时间常数一点要小，由于I环节的加入，虽然控制无残差，但是大大减低的了系统响应的速度，所以，对于副控制器的控制规律采用单独的P算法。4.2 系统主要性能参数计算对于变比值控制系统,主要的参数为比值系数,还有各个环节的传递函数,包括时间常数,比例放大常数等等.其中比值系数为废碱液与酸液的配比,传递函数主要为PID控制的参数整定。4.2.1 比值系数的计算比值系数计算是比值控制系统设计中的一个重要环节，在控制方案确定以后，必须把工艺规定的流量比K，转换成仪表信号之间的比值系数K后才能进行比值设定。根据变送器的不同情况，对比值系数K的计算进行讨论。由于本设计选择的流量变送器，流量与测量信号之间成非线性关系，变送器输出为标准4-20MA DC信号，的流量测量范围为0，的流量测量范围为0所以比值系数计算公式如下。 （41）K：流量比；:副流量参数；：主流量参数 （42） （43）从以上二式可得仪表之间的比例系数K。 （44） （45）K为废碱液和酸液的配比值，目的是使酸碱以一定的比值反应，使反应后的液体PH值控制在合理范围内，本系统要求上下浮动为1，根据化学上的合理计算才能得到K值，再根据主、副流量测量范围，从而计算出K。第5章 系统调试与仿真过程控制系统的仿真一般采取先建模后仿真的步骤,本文主要介绍系统的数学建模,采取机理法数学建模方式。5.1数学建模仿真机理法数学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，在根据每个元件单元的数学模式，进行MATLAB仿真，本文不介绍MALTAB仿真,以实验室过程控制系统经行仿真。机理法建模的首要条件是必须对生产过程的机理有充分的了解，并且能够比较准确地用数学语言加以描述。机理法建模的基础是物质与能量平衡关系。对于本控制系统，先对主回路系统进行建模，在对副回路系统进行建模，副回路控制对于主回路控制存在一定的关系。各自回路建模后，找出主、副回路的关系，进行建模联系。是建模成为一个统一整体。对于本系统机理法建模的步骤：1）根据建模过程和模型使用目的做出合理的假设。对于本系统，可假设反应器内在稳态的情况下碱与酸的反应合理完全，并且在输出流量内所检测的PH值处处相等。2）根据被控过程内在机理建立数学模型。先分析系统内储能元件，确定系统传函的阶次，确定输入量与输出量，根据基本公式（51），还有被控过程内部发生物理、化学变化应遵守的基本定律和相关的动量平衡方程、相平衡方程以及反映流体流动、传热、化学反映等基本规律的运动方程、物性参数方程和某些设备的特性方程等方程式。单位时间内物质/能量流入量-单位时间内物质/能量流出量=被控过程内部物质/能量存储量的变化率。 （51）建立系统动态特性方程组，消去中间变量，得到反映系统输入与输出之间的动态关系的微分方程或传递函数。3）简化。在满足控制工程和产品质量的前提下，对于可以忽略的参数，可以简化处理，使方程尽量简洁。4）进行软件仿真处理。采用MATLAB进行仿真，调节动态方程中所代表的的系统性能参数，是系统控制在合理范围内。本设计在过程控制实验室进行仿真，有现成的过程控制系统。5.2 PID系统调试对于系统调试，主要是系统控制规律的整定，本系统为主回路的PID控制算法整定，副回路的P控制算法整定，以及硬件元件安装的是否合理，以达到减低系统安装带来的纯滞后。对于PID控制规律的整定，需要一步一步进行系统调试，使系统符合控制要求，达到当干扰到来时，系统能及时快速的响应，动态过程时间短，使系统的动态、静态性能达到完善。本文采取的是实验室过程控制系统进行调试，将过程控制系统实验室的控制设备连接成本系统的设计现况，进行PID调试与仿真。根据PID参数整定方法，先置Td=0，Ti=，调节比例度P，是系统过渡过程为4：1的衰减比，然后将P放大10%-20%，将积分时间由大到小逐渐增加，直至获得衰减比为4：1过渡过程，然后将P减小10%-20%，Ti适当缩短后，在把Td由短至长的逐步加入，直至满意为止，以下为仿真结果图。图5.1 系统存在明显的残差此时系统的比例度P(%)为44，没