过程控制课程设计流量比值控制

一．设计任务分析
设计任务的描述
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;
设计的目的
通过对一个完整的生产过程控制系统的课程设计,使我们进一步加深对过程控制系统课程中所学内容的理解和掌握,提高我们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综合应用的能力;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;
设计的要求
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;
本次设计的具体要求
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．总体设计方案
方案论证
根据实际生产情况,比值控制系统可以选择不同的控制方案,比值控制系统的控制方案主要有开环比值控制系统,单闭环比值控制系统,双闭环比值控制系统几种;
方案一：
单闭环控制系统原理设计的系统框图如图所示;
图单闭环流量比值控制系统原理图
单闭环流量比值控制系统与串级控制系统相似,但功能不同;可见,系统中没有主对象和主调节器,这是单闭环比值控制系统在结构上与串级控制不同的地方,串级控制中的副变量是调节变量到被控变量之间总对象的一个中间变量,而在比值控制中,副流量不会影响主流量,这是两者本质上的区别;
方案二：
在单闭环控制系统基础上,增加一个主流量闭环控制系统,单闭环比值控制系统就成为双闭环比值控制系统,其方框图如图所示;
双闭环较之于单闭环而言更加复杂,选用的设备也更多,但对于实际生产,生产效率和质量十分重要,因此对系统的稳定性和精确度要求较高;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;
经过分析,当系统处于稳态时,比值关系是比较精确的；在动态过程中,比值关系相对而言不够精确;另外,如果主流量处于不变的状态,副流量控制系统又相当于一个定值控制系统;
方案二的双闭环流量比值控制系统,是在主流量也需要控制的情况下,增加一个主流量闭环控制系统构成的,由于增加了主流量闭环控制系统,主流量得以稳定,从而使得总流量能保持稳定;
双闭环比值控制系统主要应用于总流量需要经常调整的场合;如果没有这个要求,两个单独的闭环控制系统也能使两个流量保持比例关系,仅仅在动态过程中,比例关系不能保证;
方案选择
通过方案的论证可知,单闭环流量比值控制系统适用于负荷变化不大,主流量不可控制,两种物料间的比值要求较精确的生产过程;而双闭环流量比值控制系统适用于主副流量扰动频繁,负荷变化较大,同时保证主、副物料总量恒定的生产过程;
该设计针对控制对象,主流量选择为氯化钾液体,而副流量则选择是硫酸液体,实际生产中,由于这两种化学成分并不十分稳定,因而可能造成扰动频繁,并且属于负荷变化较大;
经过分析,选择方案二的双闭环流量比值控制系统来设计该生产控制系统更为合适;
双闭环比值控制系统的结构
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;
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;
双闭环比值控制系统的结构图,如图
,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;当需要实现动态壁纸关系时,比值器就不能省;
双闭环比值控制所用设备较多、投资较高,而且运行投入比较麻烦,只有
在工业特定要求如严格控制两种物料比例的情况下使用;
三．实验装置说明及使用
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;
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;
压力传感器、变送器：采用工业用的扩散硅压力变送器,含不锈钢隔离膜片,同时采用信号隔离技术,对传感器温度漂移跟随补偿;压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测,其精度为级,因为为二线制,故工作时需串接24V直流电源;
温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器,分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温;经过调节器的温度变送器,可将温度信号转换成4～ 20mADC电流信号;Pt100传感器精度高,热补偿性较好;
流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对电动调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量;涡轮流量计型号：LWGY-10,流量范围：0～1.2m3/h,精度：%;输出：4～20mA标准信号;本装置用了三套涡轮流量传感器、变送器;
电动调节阀：采用智能型电动调节阀,用来进行控制回路流量的调节;电动调节阀型号为：QSVP-16K;具有精度高、控制单元与电动执行机构一体化、操作方便等优点,控制信号为4～20mA DC或1～5V DC,输出4～20mA DC 的阀位信号,使用和校正非常方便;
变频器：本装置采用日本三菱变频器,控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC,～220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵;
水泵：本装置采用磁力驱动泵,型号为16CQ-8P,流量为32升/分,扬程为8米,功率为180W;本装置采用两只磁力驱动泵;一只为三相380V恒压驱动,另一只为三相变频220V输出驱动;
可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置,输入控制信号为4～20mA标准电流信号;输出电压用来控制加热器加热,从而控制锅炉的温度;
电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路,起到阶跃干扰的作用;电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2,最大压力为7Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃;
图装置总貌图操作前准备
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;
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;具体管道开关及器件位置如图所示：
图管道开关及器件位置图
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;
控制面板接线说明
控制面板如图所示
图控制面板图
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;
变频器使用：开启变频器后,其指示灯会自动工作在“EXT”外部控制状态下,
当我们设置好参数P30=1,P53=1,P62=4选择正转将STF和SD短接再将DC4~20mA控制信号给到变频器信号输入端子去,就可以自动控制了,其中0~5V电压输入不可用;
手动控制频率时,可在控制信号线和正反转短接线都拔下的情况下,按下“PU/EXT”按钮,就可将变频器的工作状态从EXT切到PU状态下,将频率调到某一值,按下“SET”键,这时会有F和设定值交替闪烁3秒的状态,表示设定成功,按下“RUN”键,变频器会自动运行到设定频率,在运行状态下,可通过旋转频率设定器来调整当前运行频率;注意切不可在变频器带电机运行时,拔下任一根强电输入输出线,造成变频器在运行状态下突然断电或电机缺相,先将变频器停止按下“STOP”键,再在断开变频器输入电源的情况下接线; 磁力驱动泵1为380V磁力驱动泵,磁力驱动泵2为220V磁力驱动泵;本实验采用变频器控制泵打水,所以用到的泵为220V磁力驱动泵,开启实验设备前谨记保证F2-1阀门处于打开的状态;
AI智能调节仪部分设置参数解释：
Sn输入规格
Sn=32：—1V100mV-500mV
Sn=33：1-5V电压输入
dip小数点位
dil输入下限显示值
dih输入上限显示值
oPL调节器输出下限值
oPH调节器输出上限值
CF系统功能选择
CF=0为反作用调节方式
CF=8为有分段功能限制功能的反作用调节方式
Addr通讯地址
run运行状态及上电信号处理
run=0手动调节状态
run=1自动调节状态
四．单回路参数整定
由于电动阀跟变频器控制下的磁力泵的过程传递函数是未知的,因此我们必须对这测出这两个被控对象特性;
被控对象特性的测试方法
通过分析建模可知,其数学模型为：
1
()
W s
()
H s
Q s
（）＝
=1
K
TS+
若令Q1s作为阶跃扰动,即Q1s=X0
S
,
则HS=
/
1
K T
S
T
+
×0
X
S
=K0
X
S
-0
X
1
K
S
T
+
对上式取拉氏反变换得ht=KX01-
t
T e-
式中T=RC位时间常数,K为放大系数;
当t→∞时,h∞=KX0,因而有K=h∞/X0.
当t=T时,则有：hT=KX01-e-1==∞
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7所示;当由实验求得图所示的阶跃响应曲线后,该曲线上升到稳态值的63%;所对应的时间,就是时间常数T;
图阶跃响应曲线
电动阀传递函数测试
图为电动阀输入与输出特性的方框图：
图电动阀输入与输出特性方框图
在t 0时给电动阀的输入量,得出相应的曲线;如图所示
图 电动阀的输入量特性曲线图
当t —>∞时,h ∞=K 0x ,因而有K=h ∞/
0x =输出稳态值/阶跃输入;故K==
为了方便计算y *t1=, y *t2=,则可得
可求得0T = 而HS= 1s
Ke Ts τ-+
故HS= 6.4449.411 1.572s
e s -+
4．3 变频器——磁力泵传递函数测试
图为变频器——磁力泵输入与输出特性的方框图：
图磁力泵输入与输出特性图
与电动阀传递函数相同,得出其相应曲线如图所示：
图 磁力泵输入与输出特性曲线图
同理,当t —>∞时,h ∞=K 0x ,因而有K=h ∞/
0x =输出稳态值/阶跃输入;故
K==
为了方便计算y *t1=, y *t2=,则可得
可求得1T =
而HS= 1s
Ke Ts τ-+
故HS= 7.42815.8071 2.88s
e s -+
4．4用MATLAB 进行仿真
如图所示为电动阀、变频器——磁力泵两个回路在MATLAB 的仿真：
图 MATLAB 仿真原理图
其中两个回路的比例度&分别为40%和50%,I 值都为,仿真的响应曲线如图和图所示：
图主变量流量曲线图 图副变量流量曲线图说明：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;
五． 比值控制系统参数调节
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→Q max 变化时,相应变送器的输出电流为4→20mA;由此可知,任一瞬间主动流量Q 1和从动流量Q 2所对应变送器的输出电流分别为
I 1=416max
11+⨯Q Q I 2=
416max 22+⨯Q Q 式中Q 1max 和Q 2max 分别为Q 1和Q 2最大流量值;
设工艺要求Q 2/Q 1=K,则式1可改写为
Q 1=16
)4(1-I Q 1max
同理式2也可改写为
Q 2=16
)4(2-I Q 2max 于是求得
12Q Q =4
412--I I max 1max 2Q Q 折算成仪表的比值系数K ′为：
K ′ = K max
2max 1Q Q 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2CF=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：
六． 结果分析
给定阶跃响应曲线
图给定阶跃响应曲线图
图为主回路曲线,红线表示给定值的变化,从给定流量20上升到30作为输入,绿线表示输出值的变化,由图可以看出输出值在输入值变化一段时间后能自动跟踪输入值,而且偏差不大,基本符合要求;
图从动回路曲线图
图为从动回路曲线,红线是自动跟踪主回路输出值作为从动回路的输出值,实现自动控制;在比例控制系统中,采用了K=1的比值控制,因此主回路的输出值与从动回路的输出值比值为1：1;紫色线是从动回路的输出量,由图能清楚地看到输出流量基本与输入值重合,从动回路的快速性很好;改变K的大小,能改变系统两种流量的比值;
加入扰动时的响应曲线
图加入扰动时的响应曲线图
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;
图
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;
双闭环比值控制系统实际操作调试结果
图3-4-3 双闭环比值控制系统实际操作调试结果
双闭环比值控制系统实际操作输出曲线
图3-4-3 双闭环比值控制系统实际操作输出曲线
七．心得体会
本次课程设计,经过老师的悉心指导和同学们的相互配合跟相互帮助,顺利完成了此次设计,这次课程设计,收获了很多,在查阅相关资料的时候,学到了许多书本以外的应用性的知识;在整个课程设计的过程中,接触到了以前从来都没有接触过的设备;学习了新设备的运用;经过2个星期的学习与调试,基本完成双闭环流量比值控制;这两星期中出现过很多很多问题,如特性曲线显示不平稳,锅炉加热管烧坏,两条回路比例无法调节等问题,经过逐一
的检查,排除障碍,最后得到实验结果;经过这次课程设计,使我对THJ-2型高级过程控制系统实验装置有了基本的了解,对过程控制技术的原理及应用有了个进一步的理解,对单回路控制,比值控制,双闭环回路控制有了进一步的深入研究;加强了我对过程控制技术的认识,明白了过程控制系统技术在实际应用的重要性;
八．参考文献
1 王再英,刘淮霞,陈毅静.过程控制系统与仪表M.北京：机械工业
出版社,2006
2 卲裕深,戴先中 .过程控制工程. 北京：机械工业出版社,
3 孙炳达.自动控制原理.北京：机械工业出版社,。