《过程控制技术》课程设计-调节阀单回路流量定值控制系统设计3

1、设 计 说 明 书过程控制技术课程设计设 计 题 目：调节阀单回路流量定值控制系统设计 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级：电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系2017 年 7月7日目录全套设计加扣 3012250582目录21、设计任务分析31.1背景31.2设计内容及目的32、控制系统总体方案设计42.1 控制系统对象简介42.2 控制系统的方案选择42.1.3被控参数及控制参数的选择42.1.3测量变送器的选择52.1.3执行器的选择52.1.3控制器的选择53、被控对象数学模型的建立53.1 被控对象数学模型的建立的方法简介53.2

2、数学模型的建立54、在Matlab上进行模型的搭建与仿真64.1 在Matlab上进行模型的搭建64.2 控制器的参数整定64.2.1临界比例度整定方法64.3 整定后的阶跃响应曲线75、结论96、设计体会10参考文献101、设计任务分析1.1背景单回路流量系统是近十年来伴随着制动控制、控制系统设备以及数据库等相关技术的飞速发展而应用而生的。随着这些技术的发展和电脑的普及，流量单回路系统高效可靠操作方便的优点越来越多的使用者接受。应用也日益广泛。单回路流量系统自产生以来给生产行业带来了新鲜的活力。在科学技术迅猛发展的今天，流量也越来越被人们重视，单回路流量系统就是人们常见的一种生产设施实现单回

3、路系统的控制方法很多可以用PID控制算法。但是这些控制方法的功能修改及调试都需要一定的硬件设备的支持，设计的方针效果也不是很令人满意。随着社会发展，单回路流量控制系统也必将成为工业生产过程中不可或缺的控制系统，它将慢慢走入人们的生活，给我们的生活带来意想不到的效果，改变我们的生活证明科技改变生活。1.2设计内容及目的内容：1、以THJ-2高级过程控制实验对象系统的调节阀单回路流量作为为研究对象，设计出合理的控制方案。利用MATLAB的曲线拟合的方法分别得出系统系统中的调节阀单回路流量的传递函数。2、利用MATLAB的Simulink搭建调节阀单回路流量PID控制系统。3、整定控制器的PID参数

4、，并给出整定后的阶跃响应曲线并进行分析，得出结论。目的：通过某种组态软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用但闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的流量单回路过程控制系统。2、控制系统总体方案设计2.1 控制系统对象简介水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的

5、水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长宽高=68cm5243，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底部

6、有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。2.2 控制系统的方案选择方案选择包括被控参数选择、控制参数选择、测量变送器的选择，执行器的选择、控制器的选择、控制规律的选择等2.2.1测量变送器的选择流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：01.2m3/h；精度：1.0%；输出：420mADC。2.2.2执行器的选择电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-

7、16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。2.2.3控制器的选择在控制系统中，不仅是控制器，而且被控对象、测量元件及变送器和执行器都有各自的作用方向。它们如果组合不当，使总的作用方向构成正反馈，则控制系统不但不能起控制作用，反而破坏了生产过程的稳定。所以在系统投运前必须注意检查各环节的作用方向，其目的是通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。由于控制器的输出决定于被控变量的测

8、量值于给定值之差，所以被控变量的测量值与给定值变化时，对输出的作用方向是相反的。对于控制器的作用方向是这样规定的：当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加（或给定值减小）时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。3、被控对象数学模型的建立3.1 被控对象数学模型的建立的方法简介被控对象的数学模型就是被控对象的动态特性的数学表达式，即被控对象的输出量在输入量作用下变化的数学函数关系式。总的原则：尽量简单，正确可靠。1如果数学模型是根据输入输出数据得到的，选用的数学模型越复

9、杂，需要计算的的模型参数就越多。计算过程的近似处理及误差积累，难以保证精度和模型的准确性。2当采用前馈控制等方法时，模型过于复杂，则很难实现。3最常用的是传递函数。3.2 数学模型的建立G0(S)=1/(2S+1)(13S+1)(15S+1)4、在Matlab上进行模型的搭建与仿真4.1 在Matlab上进行模型的搭建4.2 控制器的参数整定先把积分时间打至Ti=微分时间Td=0调节器只利用纯比例作用干扰作用下整定比例度使被调参数产生振荡调等幅振荡止记下时临界比例度k值及临界周期Tk值根据经验计算出各参数整定值4.2.1临界比例度整定方法临界比例度整定法又称为“闭环振荡法”，它的特点是:不需要

10、求得控制对象的特性，而直接在闭合的控制系统中进行整定。但在某些生产过程中不允许振荡的场合，此整定法就不适用了。我们先看一下，用临界比例度整定法时，怎样来得到临界比例度PB和临界周期Tk。1被控系统稳定后，把控制器的积分时间放到最大，微分时间放到零(相当于切除了积分和微分作用，只使用比例作用)。2通过外界干扰或使控制器设定值作一阶跃变化，观察由此而引起的测量值振荡。3从大到小的，逐步把控制器的比例度减小，看测量值振荡的变化是发散的还是衰减的?如是衰减的则应把比例度继续减小；如是发散的则应把比例度放大。4连续重复2、3步，直至测量值按恒定幅度和周期发生振荡，即持续4-5次等幅振荡为止。此时的比例度

11、示值就是临界比例度PB。5从振荡波形图来看，来回振荡一次的时间就是临界周期Tk，即从振荡波的第一个顶点到第二个波的顶点的时间。如果有条件用记录仪，就比较好观察了，即可看振荡波幅值，还可看测量值输出曲线的峰-峰距离，把该测量值除以记录纸的走纸速度，就可计算出临界周期Tk。得到了临界比例度PB和临界周期Tk后，就可根据经验公式求出控制器的P.Ti.Td参数，然后进行整定了。经验公式及整定方法，许多书上都有介绍，不再赘述。所谓比例度就是使控制器输出变化全范围时，输入偏差改变了满量程的百分数。比例控制器实际上就是一个放大倍数可调的放大器，其既可以起放大作用，也可以起缩小作用。比例度与控制器的放大器倍数

12、的倒数成比例，也就是说控制器的比例度示值越小，它的放大倍数就越大，它把偏差放大的能力越大，反之亦然。知道了以上关系，用临界比例度整定法时，比例度如何调整？就清楚了，变化的频度以持续4-5次等幅振荡即可；变化的幅度当然是越大越好观察，但有个前提是不能超过工艺允许的最大偏差。4.3 整定后的阶跃响应曲线5、结论对于由比例调节器构成的过程控制系统，其整定参数只有一个比例度，此时只需将比例度由大逐渐调小，观察系统过渡过程曲线，直到认为其曲线达到最佳为止。对于由比例积分调节器构成的过程控制系统，其整定参数有比例度和积分时间Ti。此时，首先将Ti，按纯比例作用整定调节器的比例度，使其得到较好的过渡过程曲线

13、。然后，把比例度放大约1.2倍，再引入积分作用并将积分时间从大到小进行调整，使其得到较好的过渡过程曲线。最后，在这个积分时间下，再改变比例度，观察其曲线变化情况，如曲线变化，就按此方向再整定比例度；如曲线无变化，可将比例度再减小一点，改变积分时间，观察曲线是否变化。这样反复多次，直到认为其曲线达到最佳为止。对于由比例积分微分调节器构成的过程控制系统，先使微分时间Td=0，再按上述比例积分调节器的整定方法，得到较满意的过渡过程曲线，然后引入微分作用，使微分时间由小到大进行调整，逐步凑试，直到得到最佳整定参数值6设计体会课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关过程控制方面的知