过程控制课程设计

电气工程与自动化专业年级班
一、设计题目
双闭环流量比值控制
二、主要内容
熟悉THJ-2型高级过程控制系统实验装置，获取电动阀支路的流量和变频器－磁力泵支路的流量曲线，利用实验建模法求出它们的数学模型。

根据比值控制，选择合适的双回路调节器控制规律，并在Matlab 上进行仿真。

最终在过程控制系统实验装置平台上完成实际系统的调试，并说明两种方法的所得结果的差别。

三、具体要求
1.从组成、工作原理上对工业型传感器、执行机构有一深刻的了解和
认识。

2.分析控制系统各个环节的动态特性，从实验中获得各环节的特性曲
线，建立被控对象的数学模型。

3.根据其数学模型，选择被控规律和整定调节器参数。

4.在Matlab上进行仿真，调节控制器参数，获得最佳控制效果。

5.了解和掌握自动控制系统设计与实现方法，并在THJ-2型高级过程
控制系统平台上完成本控制系统线路连接和参数调试，得到最佳控制效果。

6.分析仿真结果与实际系统调试结果的差异，巩固所学的知识。

四、进度安排
五、完成后应上交的材料
课程设计报告。

六、总评成绩
指导教师签名日期年月日系主任审核日期年月日
目录
一.设计任务分析…………………………………………………
1.1 设计目的………………………………………………1.2 主要内容…………………………………………………
1.3 设计要求………………………………………………
二.总体方案设计…………………………………………………
2.1 实验装置说明……………………………………………
2.2 实验注意事项……………………………………………
2.3 控制面板接线说明………………………………………
三.控制方案设计…………………………………………………
3.1双闭环比值控制系统的结构………………………………
3.2双闭环比值控制系统的特点与分析………………………
四.单回路参数整定……………………………………………
4.1 被控对象特性测试………………………………………
4.2 电动阀传递函数测试……………………………………
4.3 变频器/磁力泵传递函数测试……………………………
4.4 matlab 仿真……………………………………………
4.5 比值控制系统参数的整定………………………………
五.课程设计体会…………………………………………………
六.参考文献……………………………………………………
摘要
过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。

在现代化工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。

在现代工业生产过程中，经常遇到生产工艺要求两种或多种物料流量成一定比例关系的问题，一旦比例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。

本设计被控对象为电动阀支路的流量和变频器－磁力泵支路的流量，每个支路上分别装有流量传感器对支路的流量进行测量，电动阀支路的流量是系统的主动量Q1，变频器—磁力泵支路的流量是系统的从动量Q2。

要求从动量Q2能跟随主动量Q1的变化而变化，而且两者间保持一个定值的比例关系，即Q2／Q1＝K，同时要求保证主动量与从动量保持总量恒定。

关键词：过程控制双闭环流量比值控制
一、设计任务分析
1.1 设计目的
高等工科院校的培养目标的首要任务是培养具有创新精神和实践能力得到各类人才，这种人才培养目标的实现必须有一定的实践教学环节。

课程设计就是实践教学中一个重要性环境，是理论联系实际的桥梁，是使学生增强工程观念，体察工程实际的复杂性，学习系统设计技能的初次尝试。

在本课程设计中，通过一个完整的生产过程控制系统的设计，使学生在进一步加深理解和掌握《过程控制系统》课程中所学内容的基础之上，着重训练学生将《过程检测与控制仪表》、《自动控制原理》、《微机控制技术》和《过程工程基础》等课程中所学到知识进行综合应用。

锻炼学生的综合知识应用能力，让学生了解一般工程系统的设计方法、步骤，系统的集成和投运。

从而培养学生分析问题和解决问题的能力；通过课程设计，还可以使学生树立正确的世界观，培养实事求是、严肃认真、具有高度责任感的工作作风。

1.2 主要内容
在了解、熟悉和掌握双闭环流量比值控制系统的工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础之上，根据生产过程对控制系统所提出的安全性、经济性和稳定性要求，应用控制理论对控制系统进行分析和综合，最后采用计算机控制技术予以实现。

1.3 设计要求
1.从组成、工作原理上对工业型流量传感器、执行机构有一深刻的了
解和认识。

2.分析控制系统各个环节的动态特性，从实验中获得各环节的特性曲
线，建立被控对象的数学模型。

3.根据其数学模型，选择被控规律和整定调节器参数。

4.在MATLAB上进行仿真，调节控制器参数，获得最佳控制效果。

5.了解和掌握自动控制系统设计与实现方法，并在THJ-2型高级过程
控制系统平台上完成本控制系统线路连接和参数调试，得到最佳控制效果。

6.分析仿真结果与实际系统调试结果的差异，巩固所学的知识。

具体要求：
此次设计具体要求
1．控制电磁阀的开度实现流量的单闭环的PI调节。

2．通过变频器控制电磁阀运行实现流量的单闭环的PI调节
3．用比例控制系统使副回路的流量跟踪主回路的流量，满足一定的工艺生产要求
二：总体方案设计
2.1 实验装置说明
（一）系统简介
“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置。

该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈—反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。

（二）系统组成
本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成。

系统动力支路分两路：一路由三（380V交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

（三）系统特点
1被控参数全面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。

2本装置由控制对象、智能仪表综合控制台、计算机三部分组成，系统结构布局合理，造型美观大方。

3直实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。

4具有广泛的扩展性和后续开发功能，所有I/O信号全部采用国际标准IEC信号，可通过信号接口电缆与任何后续智能化控制平台连接。

5执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构，又有变频器、可控硅移相调压装置、接触器位式控制装置等。

6调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。

7一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。

8系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。

9能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。

10各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。

11实验数据及图表在MCGS软件系统中很容易存储及调用，以实验者进行实验后的比较和分析。

2.2 实验注意事项：
1，实验前，要对被控对象及其控制系统所涉及的仪器仪表有清楚的认识。

2，先将储水箱中贮足水量，电动调节阀可以通过阀F1-1、磁力泵、F1-2、F1-8流至下水箱。

变频器—磁力泵支路可以通过阀F2-1、变频器控制的磁力泵、阀F2-5流至下水箱。

两个支路的流量传感器分别为FT1与FT2。

3，AI智能调节仪1设置参考：;Sn=33;CF=0;ADDR=1;SV=15；diH=100;dil=0; 调节仪2：Sn=32;CF=8;ADDR=2; diH=100;dil=0;
电动调节阀使用：电动阀上电后切不可用手来旋转黑色手轮，断开控制信号后，阀位有保持功能，也不可旋转手轮，只有在断开AC220V 后，才可使用手动，在一般情况下无须手动。

2.3 控制面板接线说明
接线说明：控制面板如下图示
①强电部分：三相电源输出u、v、w 接到380v磁力泵的输入u、v、w端；变频器输出端A、B、C接到220v磁力泵输入A、B、C端；单相Ⅰ的L、N并联接到调节仪1和调节仪2的L、N端；单相Ⅱ的L、N端接到电动调节阀电源的L、N端；单相Ⅲ的L、N端接到比值器电源的L、N端；
②弱电部分：电动阀支路流量FT1信号并联接到调节仪1的1、2输入端和比值模块电压输入1的+、-端，比值模块的电压输出+、-端对应接到调节仪2的1、2端，FT2信号+、-端对应接到调节仪2的3、2输入端；调节仪1的输出7、5端对应接到电动调节阀控制信号+、-端，调节仪2的输出7、5端对应接到变频器4～20mA控制信号输入+、-端，变频器STF端、SD端和RH端短接；24v电源输出+、-端接到流量计电源输入+、-端。

AI智能调节仪部分设置参数解释：
实验装置总貌图
三控制方案设计
在现代工业生产过程中，经常遇到生产工艺要求两种或多种物料流量成一定比例关系的问题，一旦比例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。

如硝酸生产中的氨氧化炉，其进料是氨气和空气，两者的流量必须具有一个合适的比例，因为氨在空气中的含量，低温时在15～28％之间，高温时在14～30％之间都有可能产生爆炸的危险，严格控制其比例，使其不进入爆炸范围，对于安全生产来说十分重要。

这种用来实现两个或两个以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统，均称为比值控制系统。

以下以选择了双闭环比值控制为控制系统结构为例进行阐述。

3.1双闭环比值控制系统的结构
双闭环比值控制系统的结构图如下：
从图中可以看出，双闭环比值系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上由一个定值控制的主动量回路（Q1）和一个随主动量变化的从动量随动控制回路（Q2）组成，并通过比值器发生联系。

凡是
两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统，均需采用比值控制系统。

被控对象为电动阀支路的流量和变频器－磁力泵支路的流量，每个支路上分别装有流量传感器对支路的流量进行测量，电动阀支路的流量是系统的主动量Q1，变频器—磁力泵支路的流量是系统的从动量Q2。

要求从动量Q2能跟随主动量Q1的变化而变化，无论主回路或从动回路都有各自的调节对象，测量变送元件和调节器。

应该指出，系统中尽管有两个调节器，它们的作用各不相同。

调节器1和调节器2具有自己独立的设定值，分别控制主动量回路和从动量回路。

3.2双闭环比值控制系统的特点与分析
双闭环比值控制系统能实现主动量的抗扰动、定植控制，使主、从动量均比较稳定，从而使总物料也比较平稳，这样，系统总负荷也将是稳定。

双闭环比值控制系统另一优点是升降负荷比较方便，只需缓慢改变主动量控制器的给定值，这样从动量自动跟踪升降，并保持原来比值不变。

双闭环比值控制系统中的两个控制回路是通过比值器发生联系的，若除去比值器，则为两个独立的单回路系统。

事实上，若采用两个独立的单回路系统同样能实现它们之间的比值关系，但只能保证静态比值关系。

当需要实现动态比值关系时，比值器不能省。

四. 单回路参数整定
4.1 被控对象特性测试
根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。

实验原理
图1（a ）单容水箱特性测试结构图
图1为单容自衡水箱特性测试及其方框图。

阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。

液位h 的变化反映了Q1和Q2不等而引起水箱中蓄水或泻水的过程，若将Q1作为被控过程的输入变量，h 为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h 与Q1之间的数学表达式。

由分析法建模可知，单容水箱的数学模型为：
01()W s ()H s Q s （）＝=1K
TS
式中T=RC 为水箱的时间常数，K 为放大系数，K=R ；C 为水箱的
b 图1 （）方框图
容量系数。

若令Q1(s)作阶跃扰动，即Q1(s)=
X
s，则
H（S）=
/
1
K T
S
T
+
×
X
S=K
X
S-
X
1
K
S
T
+
对上式取拉氏反变换得
h(t)=KX0(1-
t
T
e-)
当t—>∞时，h（∞）=KX0，因而有
K=h（∞）/X0=输出稳态值/阶跃输入
当t=T时，则有
h(T)=KX0(1-e-1)=0.632KX0=0.632h(∞)
由上可知一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2所示。

当由实验求得图2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%。

图2 单容水箱的单调上升指数曲线
所对应的时间，就是水箱的时间常数T。

该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。

4.2 电动阀传递函数测试
电动阀输入与输出特性的方框图：
在t0
时给电动阀的输入量，得出相应的曲线。

t0前输出量为20，t0手动改变输入量模拟单位阶跃，改变量由原来为25%的开度调到40%的开度。

由图可知稳定后的值h(∞)为28.5，则：
K=(28.5-20)/(0.40-0.25)≈56
由图可知T=5S 。

可知电动阀的数学模型为：
H(S)= 1s
Ke Ts
τ-+(其中K=56 ，T=5 t 为滞后时间)
4.3 变频器/磁力泵传递函数测试
变频器——磁力泵输入与输出特性的方框图：
与电动阀传递函数相同，得出其相应曲线如下图所示：
K=(33.6-21)/(0.40-0.30)=125
T=4S
由此可得变频器——磁力泵数学模型为: H(S)= 1s
Ke Ts
τ-+（T=4S ，K =125）
4.4 matlab 仿真
流量PI的经验值&(%)为40~100，I值为0.1~1之间设定。

如图所示为电动阀、变频器——磁力泵两个回路在MATLAB的仿真：
两个回路的比例度分别为40%和50%，I值都为0.5，仿真的响应曲线如下示：
说明：左图为电动阀回路相应曲线，右图为变频器——磁力泵响应曲线，图中对Y 轴上进行了放大，以更好地显示波形在1附近的变化情况，由观察可得，这种PI 设置基本能够使响应曲线稳定在1左右。

比值系数的计算：
设流量变送器的输出电流与输入流量间成线性关系，当流量Q 由0→Qmax 变化时，相应变送器的输出电流为4→20mA 。

由此可知，任一瞬时主动流量Q1和从动流量Q2所对应变送器的输出电流分别为 I1=416max 11+⨯Q Q (1) I2=416max 22+⨯Q Q (2)
式中Q1max 和Q2max 分别为Q1和Q2 最大流量值。

设工艺要求Q2/Q1=K ，则式（1）可改写为 Q1=16)
4(1-I Q1max (3) 同理式（2）也可改写为 Q2=16)
4(2-I Q2max (4) 于是求得
12Q Q =4412--I I m a x 1m a x
2Q Q (5)
折算成仪表的比值系数K ′为:
K ′ = K max 2max
1Q Q
4.5 比值控制系统参数的整定
按单回路的镇定方法分别镇定调节器1、2的PID参数，但在具体操作中先整定调节器1的参数，待主回路系统稳定后，在整定从动回路中的调节器2（CF=8，即外给定）的参数。

在主回路运用上面提到的PI值，输出流量调剂时间稍长，系统在长时间运行以后有一点偏差，因此稍为减小P的作用，适当加大I的值。

根据工艺要求，从余差、衰减率、最大偏差、过渡时间考虑设置，主从回路的PI现场整定如下表所示：
根据得到的PI数值，对实验设备的参数进行设置，并实验，观测实验结果
计算机控制界面
主回路曲线
从动回路曲线
加入扰动，（调节阀的开度，视为扰动）观测实验的结果：下示：
当加入扰动以后，系统电动阀在流量信号反馈前保持原来的开度，因此图形出现一定的波动，在输入量不变的情况下，系统能很快地进行自动调节，最后达到平衡状态。

在主回路输出Q1出现波动的情况下，影响了从动回路的输入量，导致输出量跟随输入量Q1变化，当Q1稳定是，Q2也很快地趋于稳定。

调试的结果基本上符合设计的要求
五课程设计体会
今次为期两个礼拜的过程控制系统的课程设计，由于受到实验设备的限制，全班的人分为2组，通过大家的合作终于在规定的时间内完成要求内的设计。

这次的课程设计实验的设备是现成的，所以主要的工作集中在参数的计算设计和现场的调试上。

虽然当中没有遇到多大的困难，但是也是遇到了不少的阻滞。

总结设计如下：
1.由于实验的对象是个实实在在的东西，所以在有些参数的设置上面，不能一味的只是根据理论的计算值，而是要根据计算值与实际的现场操作调试的结果从而去改变调整参数的大小与配合。

2.由于控制的对象是流量，所以系统是存在着比较大的滞后与延迟的，所以实验的时候，在调整了参数之后要等待一段时间，待系统稳定之后再去读取实验的数据或者是获取实验的曲线。

3.实验器材是用380V的电源的，所以在实验过程中，开启与关断的时候要按照一定的顺序，否者会损坏设备。

六参考文献
邵裕森戴先中过程控制工程第二版.【M】北京，机械工业出版社.。