压力控制变频水箱过控课程设计-压力控制变频水泵实训系统

中南大考

《过程控制系统》

课程设计报告

设计题目压力控制变频水泵实训系统

指导老师________________

设计者_________________

专业班级______________

学号_______________

设计日期___________

目录

第一章过程控制系统课程设计的目的意义.....................3

1.1设计目的..............................................3

1.2课程在教学计划中的地位和作用........................4

第二章压力控制气箱实验设计与调试（实验部分）............5

2.1压力控制系统装置组成和原理...........................5

2.2压力控制系统装置的选型...............................7

2.3控制系统的控制要求...................................7

2.4控制系统的实验调试...................................8

第三章基于组态软件下的压力控制变频水泵实训系统（仿真部分）

..................................................................................................................12

3.1MCGS组态软件的系统构成............................12

3.2组态环境下压力控制系统的设计.......................15

第四章收获、体会..........................................24

附录：......................................................25

参考文献....................................................28

第一章过程控制系统课程设计的目的意义

1.1设计目的

经过一个学期的过程控制系统的理论知识学习，为了将理论与实践相结合更

加紧密，将所学知识更加深入化，学校开设了本次过程控制仪表的课程设计，本

课程设计是为《过程控制系统》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过程控制对象进行设计与选型，促进学

生对过控系统的理论与设计的进一步认识。通过课程设计，使学生对前续课程所

学过的专业基础知识与专业知识进行综合运用和实践。掌握过程控制系统的设计

方法，熟悉各种仪表的选型，学会对控制系统进行参数整定以及控制规律选择的

方法。

本课程设计主要是通过对实验室中现有的设备进行了解和分析，掌握实验装

置的工作原理与设计、调试方法。阐述系统的工作原理、控制算法、仪表选型和

软、硬件设计方法。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。基本要求如下：

1）掌握实验装置的工作原理与设计、调试方法；

2）熟悉过程参数的测量方法；

3）选择合适的测控仪表；

4）根据实验要求和控制理论的分析方法，合理地设计过程控制系统，并进行硬

件选型与设计；

5）选择合适的控制算法，通过调节仪表的特性参数（主要是PID参数），使系统

运行在最佳状态。

6）掌握MCGS工程组态软件的使用方法，为上位机编制监控软件，绘制系统工艺

流程图和结构组成图。

3

1.2课程在教学计划中的地位和作用

课程设计是培养学生独立思考-、开拓创新及分析综合性问题的能力的重要途

径。本课程设计主要是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、过程控制系统的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。

它是一门培养学生具有一定的过程控制系统设计能力的主要专业课之一，工

程性、实用性很强，除了在教学内容中充分反映这一特点外，十分需要实验内容

的配合。因此，实验课是该课程中重要的教学环节，通过实验，使学生加深课堂

教学内容的理解，了解集散控制系统基本操作，初步掌握集散控制系统的组态操

作、监视设计，培养学生进行集散控制系统工程设计的初步能力。

课堂教学的目的是为了把知识传授给学生，而课程设计则是学生利用已掌握

的知识解决实际问题，同时也把学生对知识的掌握程度反馈给老师，二者密不可

分。过程控制仪表课程设计是本学期教学内容的重点，是不可缺少的重要环节。

这是在我们之前所做过的实验基础上进行的一次综合性实验。本次课程设计的目

的主要是培养我们设计控制整个系统的能力。是对几门课程所学知识的综合应

用，主要包括过程控制系统、自动控制原理、微型计算机控制技术及现代检测技

术。同时由于本次实验任务比较重，需要每组成员之间进行分析、讨论，分工合

作，通过几位同学共同努力完成一项任务，培养了我们团队合作的精神。

4

第二章压力控制气箱实验设计与调试（实验部分）

2.1压力控制系统装置组成和原理

压力控制系统由下列4部分组成:①被控对象一密闭的压力容器，②电动阀，

③压力变送器和④PID智能调节器等。它们连接成控制系统的方框图如图2.1所

Zj\o

图2.1压力控制系统原理方框图

图2.1中被控对象是三个互相串联的不同大小的密闭压力容器，被调参数是

密闭压力容器的压力，调节参数是流入密闭压力容器的气流量Q,密闭压力容器

压力由压力变送器检测得到压力反馈信号PTf,它和压力设定信号PTs进行比较，

得到偏差信号PTi,调节器对输入偏差PTi进行PID运算，输出变化量y控制信

号，控制电动调节阀门的阀位，改变调节参数Q,使被调参数PT保持在设定值。

该装置由三个互相串联的不同大小的密闭压力容器和针型阀、压力及流量等

检测变送仪表组成，配套的仪表屏上安装了控制、显示等仪表，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所示。压缩空气分两路

进入压力容器。支路1为控制通道，压缩空气经减压调整为200KPa,通过调节

阀的流量可由玻璃转子流量计指示，经1号气罐和针阀R1（可调气阻）、2号

气罐和针阀R2、3号气罐和针阀R3最后排放入大气。支路2为扰动通道，压

5

缩空气经减压调整为60KPa,通过调节阀的流量也可由玻璃转子流量计指示，进

入1号气罐、2号气罐或3号气罐的通路由截止阀Fl、F2及F3控制，相当于

扰动的加入位置可以选择。

图2.2带连接信号插座孔的压力装置工艺模拟流程图

本装置有三个检测变量(1号气罐、2号气罐、3号气罐罐内压力)，可从

中选择一至二个为被控变量。有两个可控制的变量(两个经调节阀的压缩空气流

量)，一般，支路1流量作为操作变量通路，支路2则为扰动输入通路。在确定

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回路。如图2.2所示

的简单内给定闭环1号气罐压力控制回路的接线方式如下：首先把1号气罐压力

PT1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：PT1(+)接Rl(+),R1(-)接C1(PV+),Cl(PV-)接PTl(-),再把调节器

的输出电流信号接到支路1电动调节阀上，如：C1(O+)接VL1(+),VL1(-)

接Cl(O-)连接即可完成。用同样的方法可构成串级控制回路等复杂控制回路

6

2.2压力控制系统装置的选型

控制器（调节器）。该装置配有三个单回路调节器Cl、C2和C3,控制输出

信号为4~20mA。

记录仪为无纸3通道记录仪R,输入信号4~20mA。

压力变送器：压力变送器为LSYB,1号~3号输入量程均为0~80KPa,变送输

出为4~20mA。

电子式电动调节阀：电子小流量调节阀，电动调节阀输入4~20mA电流信号,

对应阀门输出开度0~100%。

流量计：流量计是一种为LGJ-6型的玻璃浮子流量计，输入流量为0~3m3/h,

无信号变送输出，只有浮子指示。

两路电压/电流转换器。其中VI为第1路电压输入信号端，H为第1路电

流输出信号端，V2为第2路电压输入信号端，12为第2路电流输出信号端，。

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。

2.3控制系统的控制要求

1.对不同的控制对象特性进行测试，然后设计相应的压力、流量、液位及温

度控制系统方案，并根据不同的控制算法对控制器参数进行整定，保证控制系统

能正常运行，来了扰动信号，在100秒内能消除扰动，使系统最终稳定在给定控

制目标值，要求控制误差精度在建以内。

（1）理解PID控制算法及P、I、D各参数的含义及作用；

（2）用工程的方法（看曲线，调参数）整定调节器控制规律及PID参数，并观

察PID参数对系统动态、静态性能的影响。

（3）测取流量过程控制系统的动态、静态特性；

具体要求：在100秒内能消除扰动，使系统最终稳定在给定控制目标值，要

求控制误差精度在1%以内。

7

2.PID参数整定原则和算法

(l)PID调试方法一般原则：在输出不振荡时;增大比例增益P。在输出不

振荡时，减小积分时间常数Ti。在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。

(2)PID控制器参数的工程整定，各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可

参照：压力P:P=30~80%T=24~l80s

(3)PID控制器由比例单元(P)、粉单元(I)和微分单元(D)组成。其

输入e(t)与输出u(t)的关系为：

式中e(f)="，)-<?«)

因此它的传递函数为：

U(s)

"S)=Kp14---------1-TS

E(S)D

其中Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数

2.4控制系统的实验调试

L压力简单闭环控制系统

通常该装置可选择1号罐(2号或3号罐)压力为被控变量，组成压力简单

控制系统。如图为1号罐压力简单控制系统的带控制点工艺流程图和方块图。

8

图2.3号气罐压力简单控制系统的带控制点工艺流程图

在上图2.3的压力控制系统中，被控变量是1号气罐罐内压力，设定值为

50%(40Kpa),操作变量为支路1压缩空气流量，支路2则选作扰动输入，扰动

的加入位置Fl、F2及F3,可以选择控制截止阀开关。

图2.41号气罐压力简单控制系统方块图

2.实验数据及分析

①只引入比例控制器

9

pKPa-

图2.5只引入比例环节的响应曲线(P=100)

图2.6只引入比例环节的响应曲线(P=50)

由上两图可知，比例带由大变小，比例系数由小变大时，系统静差减小。但

是单纯的引入比例控制器，尽管静差在减小，仍不能符合实验的要求，并且比例

系数增大的同时，误差减小但并不能消除稳态误差，而且过大的比例系数会带来

振荡，故根据实验曲线P调节到50。

②引入比例积分控制器

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图2.7引入比例积分环节的响应曲线

引入适当的积分环节后，由上图可明显看出，静态误差基本已消除，这也是

积分环节的最大作用。在单纯比例环节的基础上，又进一步的调节比例带P值，

在不影响响应时间的基础上，使得系统响应曲线的振荡减小。同时，为了使得调

节时间能够满足实验要求，经过反复的调节，最后整定在P=42,1=15。（控制周

期T=1S）

图2.8引入比例积分微分环节的响应曲线85

由图可知，引入微分环节后，曲线并没有太多变化，反而在某些时候的扰动

II

让系统不稳定起来，抗干扰能力减弱，故最后没有引入微分环节。

(2)实验小结

经过调节，最终PID整定为P=42,I=15,D=0

由图2.8可知：

超调量=(53.8-48)\48*100%=12.1%;

调节时间为85s;

稳态误差=(48.4-48)\48*100%=0.83%.

可以满足出现扰动，能够较好的完成在100秒内能消除扰动，使系统最终稳

定在给定控制目标值，制误差精度在现以内。

本次实验主要研究的是单回路控制系统，单回路控制系统给定量是某一固定

的值，要求系统的输出量稳定到给定量，单回路系统的结构简单，成本较低，性

能比较好，调试方法简单。所以被广泛应用于工业控制领域。通过对单回路系统

的分析和认识，掌握了压力控制的工作原理、控制算法、仪表选型和软、硬件设

计方法。

第三章基于组态软件下的压力控制变频水泵实训系

统(仿真部分)

3.1MCGS组态软件的系统构成

本次课程设计所用的组态软件为MCGS,MCGS(MonitorandControl

GeneratedSystem)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位

机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows

12

95/98/Me/NT/2000等操作系统。

MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成

现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显

示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

使用MCGS,用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易

举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监

控系统的开发工作。

MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出

特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机

械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现

场的长期实际运行，系统稳定可靠。

(1)MCGS组态软件整体构成

MCGS6.2软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于

一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照

组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成

用户组态设计的目标和功能。

|组态环境：|/--------\|运行环境：

组态生成|f组态结果、解释执行

应用系统I\数据库J组态结果

MCGS组态软件(以下简称MCGS)由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个

系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。

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多任务多线程

组

实

实

态

时

时

软

数

数

据

据

件

库

库

核

心

一

一

图3.2组态软件系统图

MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支

持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画

设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩

展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构

成了用户应用系统，统称为“工程”。

(2)MCGS组态软件的软件构成

MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行

策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。

14

3.2组态环境下压力控制系统的设计

(1)绘制工艺流程图

利用MCGS组态软件的动画设计版块，创建动画显示，如下图3.4

压力控制麴水泵实训系统

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图3.4压力控制变频水泵系统的工艺流程图

15

(2)压力控制系统的数据变量

名字类型

P数值型

I数值型

D数值型

PID数值型

PID组组对象

KP数值型

KI数值型

KD数值型

KPX数值型

KIX数值型

KDX数值型

OUT数值型

LAST-OUT数值型

PIDL数值型

PIDH数值型

FF1开关型

FF2开关型

FF3开关型

扰动阀数值型

控制死区数值型

设定压力数值型

气压上限数值型

气压下限数值型

压力1数值型

压力2数值型

压力3数值型

气压组组对象

压力数值型

控制位开关型

扰动输入数值型

扰动阀1开关型

扰动阀2开关型

调节阀1数值型

调节阀2数值型

偏差1数值型

偏差2数值型

储水箱上限位数值型

储水箱下限位数值型

实训水箱上限位数值型

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(3)设置PID参数控制区域

根据压力单回路控制系统的原理，运用MCGS组态软件所提供的类似于C

语言的脚本程序编写语言实现PID控制算法。本系统采用PID位置控制算法，其

控制算式如下：

"(左一1)+Kp(1+5+争e(k)—Kp(l+半)e(k-1)+与e(k-2)

=u(k-1)+aQe(k)-axe(k-1)4-a2e(k—2)

%=勺(1+尹冬)

%=Kp(l+学)

上述算式中，K.为比例系数，7；为积分时间，〃为微分时间。

单击启动按钮系统开始工作，通过设置设定压力值，根据PID的设置调节，

实现给定输出调节。同时，两个水箱依次发生数值和图像变化，显示出要设置的

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给定值。可以在扰动输入中输入扰动值，此时出现扰动信号，根据PID控制，可

以在100S内消除扰动，使系统再次达到稳定。

（4）设置实时响应曲线显示部分

1——电磁阀控制

电皿等同I

19

分别设置红色曲线代表控制输出；天蓝色曲线代表设定压力，深蓝色曲线代表实

训水箱压力。深蓝色实时曲线量程为0——350KPao

2——电磁球阀控制

20

分别设置红色曲线代表控制输出；天蓝色曲线代表设定压力，绿色曲线代表储水

箱压力。绿色实时曲线量程为50——350KPao

3——比值控制

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比值控制参数设置

比值器比值

参软

比值控制P

I参数

D参数

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分别设置红色曲线代表控制输出；天蓝色曲线代表设定压力，绿色曲线代表储水

箱压力。绿色实时曲线量程为50——350KPa,深蓝色曲线代表实训水箱压力，

深蓝色实时曲线量程为0——350KPao比值为实训水箱的压力与储水箱的压力之

比，通过压力比值，可以控制变频水泵的频率，达到控制水箱液位，最终达到压

力比值的要求。

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第四章收获、体会

本次课程设计我们做的实验项目为压力控制变频水泵实训系统的调试和设

计，在之前的课程实验中我们做的就是三个气体压力箱控制，所以这次课程设计

的前半段比较轻松的完成了PID的调试，只不过此次实验是在计算机中控制PID

参数。通过实验，进一步熟悉里书本的理论知识，并且逐渐将理论与实践相结合,

掌握了具体的控制器等使用方法。此次课程设计的要求是一个人做一台设备，所

以我选择了今年的新设备一一压力控制变频水泵实训系统。这不仅要求我从头开

始了解设备的原理和控制方法，而且还要求自己摸索mcgs动态仿真图。我在自

学的过程中，不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中

也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专

业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。在本次设计中，我们完成了具体的

压力控制变频水泵实训系统的调试，达到了实验预期的控制效果。对相应的控制

器等元件有了个比较直观的认识，了解了压力控制系统的体系结构、技术特点和

构成要素。同时在整个设计种从对象分析、方案设计、硬件选择、安装调试等方

面全面锻炼了我的工程设计能力。

通过本次课程设计，逐步了解并熟悉了MCGS组态软件下的压力控制系统的

设计，培养解决工业控制、工业检测等领域具体问题的初步能力。从对象分析、

方案设计、硬件选择、安装调试等方面全面锻炼了我的工程设计能力。基本技能

得到训练和提高，例如组成系统、编程、调试、查阅资料、绘图、编写说明书

等；理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。提高了分析问

题和解决问题的能力，能够很好的将一个问题或系统从整体到部分再到整体的把

握。

当然也明白了自己在相关专业上知识的匮乏，已经实际动手能力的欠缺，以

后会再学习理论知识的同时，多多涉猎相关内容，更多进行实践操作，充实自己,

完善自己。

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附录：

if扰动输入＞0andFF1=1then

扰动1=扰动输入

扰动阀1=1

else

扰动1=0