过程控制仪表课程设计-流量控制系统讲解

1、中南大学过程控制仪表课程设计报告设计题目流量控制系统设计扌旨导老师 王莉 吴同茂设计者 专业班级 学号 设计日期2013年6月目录第一章过程控制仪表设计的目的意义 21.1 设计目的 11.2 课程在教学计划中的地位和作用 1第二章流量控制系统设计 22 .1 流量控制系统设计思想 22.2 流量控制控制系统的控制要求 22. 3流量控制系统工艺流程 22 . 4 流量控制系统总体设计方案 42 . 4 .1流量控制系统总体设计框图 41. 流量单闭环控制系统 52流量比值控制 52 . 4 .2 流量控制系统硬件设计 6第三章 系统的实验调试 93.1 PID 控制方式简介 93.2数字PI

2、D位置型控制算法（差分处理） 93.3 PID 参数整定方法 103.4 本实验调试过程 103.5 调试中遇到的具体问题及解决办法 12第四章 收获、体会、建议 14参考文献 15第一章 过程控制仪表设计的目的意义1.1 设计目的本课程设计是为 过程控制仪表 课程而开设的综合实践教学环节， 是对 现代检测技术、自动控制理论、过程控制仪表、计算机控制技术等前 期课堂学习内容的综合应用。 其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解 决实际问题的能力， 使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设 计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。课程设计的主要任 务是设计工业生产过程经

3、常遇到的压力、 流量、液位及温度控制系统， 通过对典 型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、 信号处理技术和控制系统的 设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调 节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知 识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。1.2 课程在教学计划中的地位和作用控制仪表与装置是实现生产自动化的重要工具。 在自动控制系统中， 由检测 仪表将生产工艺参数变为电信号或气压信号后， 不仅要由仪表显示或记录， 让人 们了解生产过程的情况， 还需将信号传送给控制仪表和装置， 对生产过程进行自 动控制

4、，使工艺参数符合预期要求。本课程在教学计划中的目的和作用是培养学生单元操作原理的工程概念。 通 过本课程的学习， 学生能够掌握流量控制系统的设计与基本原理， 让学生理论与 实践能力相结合， 更好地加深对过程控制这门课程的理解。 更好的锻炼学生的动 手实践能力。第二章 流量控制系统设计2 .1流量控制系统设计思想工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常 要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。 PID 控制器是根据 PID 控制原理对整个控制系统进行偏差调节， 从而使被控变量的实 际值与工艺要求的预定值一致。 不同的控制规律适用于不同的生产过程

5、， 必须合 理选择相应的控制规律，否则 PID 控制器将达不到预期的控制效果。流量控制系统不包含影响调节过程快速性的大滞后效应和大惯性特性， 所以 系统响应快， 通频带宽； 系统中普遍存在外扰， 如负载流量的波动和泵的脉动造 成的压力脉动等。因此应综合考虑系统的快速性、稳定性、稳态误差、抗干扰能 力等进行综合设计。2.2 流量控制控制系统的控制要求流量控制系统的被控变量可以选择内容器或外容器的流量， 操作变量则可以 选择进内容器调节阀或外容器调节阀控制容器进水流量。 要求通过比较反馈， 再 经 PID 调节器运算， 最后调节电子阀的阀门开度， 改变流入水箱的水流量以达到 控制的目的。流量控制系

6、统不包含影响调节过程快速性的大滞后效应和大惯性特 性，所以系统响应快，通频带宽；系统中普遍存在外扰，如负载流量的波动和泵 的脉动造成的压力脉动等。因此控制要求系统的快速性、稳定性、稳态误差、抗 干扰能力等都能达到预期的目的。2. 3流量控制系统工艺流程该装置由嵌套的两个容器、 流体输送装置及相关的检测、变送、执行仪表 组成。配套的仪表屏上安装了控制、 显示、记录等仪表和水泵的启动、停止按 钮，并配有带连接信号插座孔的工艺模拟流程图。工艺过程模拟流程图如图 2.1 所示。EKM1 5 J 5FV SV & PV SV 0 FV 5V P FV 55R +Q +Q +C +0 +O +O + +0

7、 +Q + +Q+o +口 +o 入曲人虫+ o | + 口 4-0 +o +O j-c Q -O O O -0 Q -O -O cJlfcsl MoilI图2.1带连接信号插座孔的流量装置工艺模拟流程图上图2.1中，标有字母的方块为各种仪表，0为各仪表输入、输出的单线插 件的插孔（+,-插孔）。其中：C:控制器（调节器）。该装置配有4个单回路调节器，其中C1、C2和C3 的控制输出信号为420mA, C4的控制输出信号为固态继电器控制信号，每个 调节器设有三对插座孔（+,插孔）。其中：PV孔为测量值输入，SV孔为外设 定输入或阀位反馈信号输入，0孔为调节器输出。R:记录仪为无纸4通道记录仪，

8、输入信号420mA，其中R1为1号通道， R2为2号通道，R3为3号通道，R4为4号通道。到每个通道有两个插座孔， 其中上孔（+插孔）接变送器来的信号，下孔（-插孔）用来转接到其他仪表作 为输入信号，不能接错。Vl2和Il2 :两路电压/电流转换器。其中Vi为第1路电压输入信号端，Il为 第1路电流输出信号端，V2为第2路电压输入信号端，I2为第2路电流输出信 号端，0上孔（+插孔）接电压/电流转换器来的正信号，下孔（一插孔）接电 压/电流转换器来的负信号，不能接错。FT:流量变送器。流量变送器有二种，一种为 LZ型金属管浮子流量计，输 入050L/h,输出420 mA信号，另一种为LWGY型

9、涡轮流量计，输入0400L/h， 输出420 mA信号，它们都需外部提供24V工作电源。接线方式为负载正端接 FT （+ ）流量变送器正端，负载负端接 FT （）流量变送器负端。VL ：电子式电动调节阀为电子小流量调节阀，电动调节阀输入420 mA 电流信号，对应阀门输出开度 0100%。X/Y :乘除器。信号X、Y、Z之间的关系为：Z = X * A或Z = Y * A。其中 A=01.0，B=0，X 、 Y 为输入信号， Z 为输出信号，这三对插座孔均为 420mA 信号。整个装置有两个检测变量(内容器流量、外容器流量) ，可从中选择一至两 个为被控变量。 有三个控制变量(两个经调节阀的流

10、量和固态继电器控制输出 电压)，可选为操作变量，或选为扰动输入。选定被控变量、操作变量、主要扰 动和控制方案后， 只要在模拟控制流程图上的插座孔进行不同的连接，就能方 便、迅速地组成不同的控制系统。在带连接信号插座孔的流量装置工艺模拟流程图中所示， 简单内给定闭环内 容器流量控制回路的接线方式如下： 首先把内容器流量 FT1 的电流信号串入无纸 记录仪的1号通道R1,再串入到1号调节器的输入端PV，如：FT1(+)接R1(+), R1(-)接C1(PV+)，C1(PV-)接FT1(-),再把调节器的控制输出信号接到 VL1 上，如：C1的0(+)接VL1的(+)， VL1的(-)接C1的0(-

11、)连接即可完成。 用同样的方法可构成串级控制回路、比值控制回路等复杂控制回路。2 .4流量控制系统总体设计方案基本要求如下 :1) .流量控制范围在0400用巾。2) . 控制要求：单回路控制精度为 1%，双回路控制精度为 2%。2. 4.1 流量控制系统总体设计框图本课程设计流量控制系统从结构形式可以分为单闭环流量控制系统和双闭 环流量比值控制系统。 单回路控制系统包含一个测量变送器、 一个调节器、 一个 执行器和对象， 对对象的某一个被控制参数进行闭环负反馈控制。 双回路流量比 值控制系统有两个闭环回路组成， 给定流量作为内容器的设定值， 内流量的反馈 和比值器相乘作为外容器的给定。两个闭

12、环回路均采用位置PID 进行设计。1. 流量单闭环控制系统流量单闭环控制系统以下四个部分组成：（1）被控对象一一流量对象内容 器；（2）电子阀；（3）流量变送器；（4） PID智能调节器。其带控制点的工艺流 程图和方块图如图2.2和2.3所示。图2.2内容器单闭环流量控制系统工艺流程图图2.3内容器单闭环流量控制系统结构框图图2.3中被控对象为内容器，操作变量为内容器电子调节阀 VL1的阀位开度 输出，调节参数是流入水箱的水流量Q1,内容器流量由流量变送器检测得到，并作为反馈信号Qf,它和流量给定值Qs进行比较，得到偏差信号 Qi,调节器对 输入偏差Qi进行PID运算，输出变化量u控制信号，控

13、制电子调节阀 VL1的阀 位，改变调节参数Q，使被调节参数Q1保持着设定值。其中f为系统扰动信号。2. 流量比值控制本装置中有两个可控制的水流量，一路进夹套，一路进内容器。一般可从中 任意选择一路流量为主动量，另一路则为从动量，以此组成单闭环比值控制系统 或双闭环比值控制系统。若以进内容器水流量 Q1为主动量、进外容器水流量 Q2为从动量可组成双闭环比值控制系统。其带控制点的工艺流程图和方块图如图2. 4和2. 5所示电加热器F bQI图2. 4双闭环流量比值控制系统工艺流程图图2. 5双闭环流量比值控制系统结构框图给定流量作为内容器的设定值，内流量的反馈和比值器相乘作为外容器的给 定。两个闭

14、环回路均采用位置 PID进行设计。2 .4 .2流量控制系统硬件设计1. 智能调节器选型采用虹润的仪表公司的 NHR-5 3 3 0A2 7/2 7 0/0/2 /D2 /2P(12/24)/D智能调节器，其参数如下 ：规格尺寸：160*80*110m m (横式)输入信号：模拟量第一路(测量)输入分度号：420mA (-19999999)第二路(阀位反馈或外给定)输入分度号：420mA (-19999999)控制输出：4-20mA（RLC 600 Q）报警点数：2限报警通讯接口（通讯协议）：RS232通迅接口（ Modbus）馈电输出（输出电压）：2路馈电输出供电电源：DC 20-29V精度

15、：测量显示精度土 0.5%FS或土 0.2%FS频率转换精度土 1脉冲（LMS 一般优于0.2%2. 电动调节阀选型采用湖南力升信息设备有限公司的 LSDZ-50电动调节机构，技术指标如下出轴力矩（N.m） : 50动作范围：0360动作时间（S）:20控制电路选项：4-20mA输入位置输出：4-20mA直流动力电源：220VAC 50Hz精度：定位精度：0.5%，位置反馈精度：0.5%环境温度：-25+55C3. 流量计选型采用湖南金湖润华仪表科技有限公司的 RH-LDE液体流量计，技术指标如下：精度： 土 0.5%R口径： 150mm, 标准量程 6.36 635.85m3/h重复性：0.

16、05%0.2%4. 比值器选型采用虹润的 NHR-520S 2 7 / 2 7 0 / 0 / 2 /D2/2P（12/2 4）/D-（Q），技术指标如下：规格尺寸：160*80*110m m（横式）输入信号：模拟量第一路（测量）输入分度号：420mA （-19999999）第二路（阀位反馈或外给定）输入分度号：420mA （-19999999）控制输出：4-20mA（RLC 600Q）报警点数：2限报警通讯接口（通讯协议）：RS232通迅接口（ Modbus）馈电输出（输出电压）：2路馈电输出供电电源：DC 20-29V5. 无纸记录仪选型采用虹润公司的HR-SSR_8 1单色无纸记录仪，技

17、术指标如下：显示器：采用160*128点阵、高亮度黄底黑字液晶屏，LED背光、画面清晰;输入信号：电 流：010mA 420mA等输入阻抗W 250 Q输出信号：DC 420mA（负载电阻W 500Q）环境温度：0-50 c测量精度：土 0.5%FS或土 0.2%FS测量范围：-999919999字记录间隔：1、2、5、10、15、30、60、120、240秒可选6. 水泵选型采用威乐山姆逊（北京）水泵系统有限公司的立式单级管道泵IL ,技术指标 如下：流量范围：900m3/h压力范围：最大扬程：85m功率范围：0.25kw 至200kw说明：需用两台泵并联抽水.第三章系统的实验调试按照实验指

18、导书的要求接线，经老师检查无误后接通电源并给予预设值，开始实验调试的环节：3.1 PID控制方式简介根据偏差的比例（P）、积分（I ）、微分（D）进行控制的方式称为PID控制 方式，PID控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。经典的PID控制算法，从系统的稳定性、响应速度，超调量和稳态精度等各方面考虑问题，通过经 验判断和参数整定得到预期的控制效果。所以有必要先说明PID各参数的作用：1、比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差。随着比例参数KP的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是 系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。KP取值过小

19、，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。2、积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累， 输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差。 积分时间常数Ti越大系统的稳态误差消除的越快，但Ti也不能过大，否则在响 应过程的初期会产生积分饱和现象。若 Ti过小，系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。3、微分控制可以减小超调量，克服震荡，使系统稳定性提高，同时加快系统 的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。但Td不能过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节时间，并且会降低系统的抗干扰性能。总之PID参数的

20、整定必须考虑在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的 互联关系。3.2数字PID位置型控制算法（差分处理）PID控制规律：u（t） =KJe（t）占.話水Td 警T pdt公式（2.1 ）e(k)e(k1)t公式（2.2）变换成差分方程可得数字PID位置型控制算法:ku(k)=心 e(k)e(i) TdTI i =0可简记为:公式（2.3）ku(k) =Kpe(k) Ki e(i) Kd e(k)-e(k -1)i=03.3 PID参数整定方法一是简易工程法。这种方法的最大优点在于，整定参数时不必依赖被控对象 的数学模型。简易工程整定法是由经典的频率法简化而来，虽然稍微粗糙一点， 但是简单易行，

21、适于现场应用。具体方法有扩充临界比例度法、扩充响应曲线法、 归一参数整定法。二是优选法。其具体做法是根据经验，先把其他参数固定，然后用0.618法对其中某一参数进行优选，待选出最佳参数后，再换另一个参数进行优选，直 到把所有的参数优选完毕，最后根据 T、Kp、Ti、Td诸参数优选的结果取一组最 佳值即可。该方法属于经验法的一种。三是凑试法。原理：根据P、I、D参数对系统性能的影响趋势逐各整定参数 值。增大比例系数KP 一般将加快系统的响应，在有静态误差时，有利于减小静 态误差；但是过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间TI有利于减小超调，减小振荡，使系统更加

22、稳定，但系统静 态误差的消除将随之减慢。增大微分时间 TD亦有利于加快系统响应，使超调量 减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控 制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数， 都需要在实际 运行中进行最后调整与完善。3.4本实验调试过程实验中，我们首先做了流量单闭环控制系统的实验，利用数字PID位置型控 制算法，采用凑试的PID参数整定方法，我们参考各个参数对控制过程的响应趋 势，对参数实行先比例、后积分、在微分的整定步骤。1. 首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，也即比例带 P

23、由大变小, 并观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有静 差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，贝U只需用比例调节器即可， 最优比例系数可由此确定。2. 如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分 环节。整定时首先置积分时间 TI为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系 数略微缩小（如缩小为原值的0.8倍），然后减小积分时间，使在保持系统良好动 态性能的情况下，静态误差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复 改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。3 若使用比例积分调节器消除了静态误差，但动态过程经反复调整仍不能

24、 满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。在整定时，可先置微分时 间TD为0。在第二步整定的基础上，增大 TD,同时相应地改变比例系数和积分 时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。根据以上步骤，我们经过不断的修改参数、观察输出、分析结果等多次循环工作之后，我们终于得到了一组比较理想的PID控制参数值，如表2.1所示：参数PIDTo数值814.71641. 5s表2.1实验PID参数值流量单闭环调节系统参数整定完毕以后，我们又开始整定流量比值控制系 统，在保持主回路参数基本不变的情况下，对副回路参数进行调节，经反复调节及老师指导，得到最优PID参数，主控回路，P: 814.71

25、:16D:4;副控回路，P: 550I:20D:33.5调试中遇到的具体问题及解决办法1. 在给定值逐渐增大时，0-40 mVh内阀门开度基本不变，这说明0-40 mVh 以下系统存在非线性区，导致调节阀控制滞后，而 40 m3/h -400 m 3/h系统处于 较好的工作状态，响应曲线无论是从稳态误差的角度还是快速性的角度， 都能满 足控制要求。于是我们大致得出结论，系统的线性工作区约为： 40H/L-400H/L。 这是以后设定给定值的依据。2. 在流量单闭环控制系统参数调节过程中， 我们根据理论分析：因为流量计和流量调节装置中不包含影响调节过程快速性的大滞后效应和大惯性特性，所以系统响应

26、快，存在干扰，为增加系统的稳定程度和抗外扰能力，我们在参数整定初期没有采用微分控制规律，只采用 PI调节，但无论如何改变参数，系统总是 达不到理想的调节效果，无奈之下我们加入了微分作用，并相应改变了P、I参数，最终取得了较为满意的结果，调节范围、超调量、调节时间、稳态精度等技 术指标都较为满意。这个调节过程使我们认识到，理论与实践是有差距的。3. 在流量单闭环控制系统参数整定完毕以后，我们看是做流量比值控制系统实验，首先基本的硬件连线我们就遇到了问题， 我和搭档意见不一致，又都觉 得自己是对的，主要涉及硬件连线中串联和并联的问题，于是我们就向学长请教， 他告诉我们，变送器输出是4-20毫安电流

27、信号，所以各个器件要串联，否则会 分流，造成信号在传输过程中失真，最终在学长的指导下我们完成了接线任务。4. 完成接线后，我们开始调节主副回路PID参数，按照理论分析，当主回路 参数调节完成以后，只要对副回路进行调节即可，副回路对主回路性能的有影响， 但不是很大，但我们在进行双回路控制时，发现调节副回路参数，对主回路的性 能指标影响很大，于是我们去请教了老师，老师首先很耐心地帮我们核对了仪器 的参数设置，然后帮我们分析线路连接情况，最终找到问题所在，硬件连线存在 问题。我们根据老师的建议作出修正，主回路个性能均恢复正常。5. 在副回路参数调节过程中，我们又发现主副回路调节达到稳定时， 两回路输出相同，由于是主回路的反馈值经比值器最为副回路的给定值，所以主回路是定值系统，副回路是随动系统，副回路的输出