过程控制系统课程设计

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过程控制系统
课程设计
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、
2012年01月12日
设计报告目录
【1】内容一：过程控制课程设计的相关资料 (1)
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【2】内容二：过程控制课程设计 (6)
（1）过程控制系统设计及其主要内容 (6)
（2）被控对象特性分析 (6)
（3）控制系统控制结构原理图 (7)
（4）控制系统工艺流程图 (8)
（5）一次仪表选型表 (10)
（6）课程设计总结 (11)
（7）参考文献 (12)
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内容一：过程控制课程设计的相关资料
一．液位控制系统中PID控制
数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在水箱控制系统中有着极其重要的控制作用。

常用的PID控制系统原理框图如下所示：
#
PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成偏差
PID控制规律为：
写成传递函数形式为：
-
PID是比例,积分,微分的缩写形式：
比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。

因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。

积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。

反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。

积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。

微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。

因此,可以改善系统的动态性能。

在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。

此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。

微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器
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二．自适应控制
自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。

任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时表现在系统的外部。

从系统内部来讲，描述被控对象的数学模型的结构和参数，设计者事先并不一定能准确知道。

作为外部环境对系统的影响，可以等效地用许多扰动来表示。

这些扰动通常是不可预测的。

此外，还有一些测量时产生的不确定因素进入系统。

面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应控制所要研究解决的问题。

自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。

具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。

随着生产过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。

既然模型在不断的改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改进。

在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。

比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辩识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自
身调整到一个满意的工作状态。

再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辩识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应。

三．模糊控制基本原理
图为一般控制系统的架构，此架构包含了五个主要部分，即:定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断及反模糊化，底下将就每一部分做简单的说明：
(1) 定义变量
[
也就是决定程序被观察的状况及考虑控制的动作，例如在一般控制问题上，输入变量有输出误差E与输出误差之变化率EC，而控制变量则为下一个状态之输入U。

其中E、EC、U统称为模糊变量。

(2) 模糊化
将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，依适合的语言值（linguistic value）求
该值相对之隶属度，此口语化变量我们称之为模糊子集合（fuzzy subsets）。

(3) 知识库
包括数据库（data base）与规则库（rule base）两部分，其中数据库是提供处理模糊数据之相关定义；而规则库则藉由一群语言控制规则描述控制目标和策略。

(4) 逻辑判断
模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，而得到模糊控制讯号。

此部分是模糊控制器的精髓所在。

(5) 解模糊化
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将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，做为系统的输入值
四．压力控制系统
压力控制系统是以气体或液体管道或容器中的压力作为被控制量的反馈控制系统。

在许多生产过程中，保持恒定的压力或一定的真空度常是正常生产的必要条件。

很多化学反应需要在恒压下进行，为保持流量不变也常需要控制主压力源的压力恒定。

根据不同应用场合，压力控制可采用不同的方式。

当控制性能要求不高时，可采用比较简单的控制装置，如压力调节阀等。

对性能要求较高或生产过程比较复杂，宜采用压力控制系统。

压力控制系统的结构是闭环的，由压力传感器、压力控制器和被控对象组成。

原理：压力传感器测量被控压力，并转换成便于利用的信号形式，如电压、电流、位移、转角等。

比较装置将反映压力大小的信号与给定压力值比较，产生偏差信号。

偏差信号通过压力控制器作用到压力调节机构上，按照消除偏差的方向来改变被测点的压力，将其调节到给定的希望值。

比较复杂的系统常采用改变泵的速度或降低泵的效率的办法来调节压力。

在简单的压力控制系统中则多用节流阀调节压力。

压力控制系统同其他反馈控制系统一样，也存在自激振荡的可能性。

如果对应于一定的压力偏差，阀门开启或关闭的速度过快，就可能产生自激振荡。

这种振荡可用限制反馈的办法加以消除。

描述压力控制系统性能和设计的基本理论，同任何其他反馈控制系统的基本
内容二：过程控制课程设计
一．过程控制系统设计及其主要内容
1.出水流量定值系统：根据管道仪表流程图1，设计一用水箱作水源的单回路流量控制系统。

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2.压力定值控制系统：根据管道仪表流量图2，设计一水泵做水源，VC2作执行器的串联式压力控制系统。

3.串级控制系统：根据管道仪表流程图3，设计一锅炉液位串级进水流量控制系统。

二．被控对象动态特性分析
1.出水流量定值控制系统：
被控变量为出水流量。

出水流量控制器根据给定值绘制出水流量控制电动阀控制指令，从而控制出水流量，出水流量传感器采集出水流量值，反馈到出水流量控制器，与给定值进行比较后得出的残差信号再次输出给出水流量控制电动阀，控制出水流量，从而达到出水流量为定值的目的。

2.压力定值控制系统：
控制变量为出水流量，被控变量为出水压力。

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出水流量控制器根据给定值给出出水流量控制电动阀控制指令，从而控制出水压力，出水压力传感器采集水压力值，反馈到出水流量控制器，与给定值进行比较后得出的残差信号再次输出给出水流量控制电动阀，控制出水压力，从而达到出水压力为定制的目标。

3.串级控制系统：
主被控变量为锅炉液位，副被控变量为进水流量。

锅炉液位控制器给出控制信号给进水流量控制器，副回路中，进水流量控制器根据给定值给出进水流量控制电动阀控制指令，从而控制进水压力，进水压力传感器采集出水压力值，反馈到进水流量控制器，与给定值进行比较后得出的残差信号再次输出给定水流量控制电动阀，控制进水压力；主回路中，进水流量值影响锅炉液位，锅炉液位传感器采集锅炉液位值，反馈到锅炉液位控制器，与最初给定值进行比较得出残差信号再次输出给进水流量控制器的副回路控制进水流量，从而达到控制锅炉液位的目的。

三.控制系统控制结构原理图
1.出水流量定值控制系统：
2.压力定值控制系统：
&
3.串级控制系统：
四．控制系统工艺流程图
1.锅炉液位L2定值调节的流程图
2.压力P2定值调节之二（用水泵作水源、VC1作执行器的串联式压力调节）的流程图
；
3.锅炉液位L2调节之一串级出水流量F2调节的流程图
五．一次仪表选型表；
六．课程设计总结
通过两个多星期的课程设计，我们的收获与体会很多。

对我们来说这是一次很好的机会来锻炼自己的动手实践能力，而本次课程设计显然是与以往的课程实验课是不同的，它的综合性很强，而且趣味性很强。

与实际联系了起来，是检验我是否能真正学以致用，运用到实际中去的很好的一次实践。

在学习完一个学期的这门课程后，我对它的相关内容学到了很多，在此之前对这方面似乎没有什么具体的概念，只是在通过学习自动化其它学科的过程中对此有些了解。

通过本学期对这门课程的具体的、有针对性的学习让我对其了解不再仅仅是停在表面，而是更深了一步。

但是学习后也一定不会立刻全懂，更主要的是对以表的应用并不很清楚。

如果只学一个学期的这本教材效果一定不是很好的，所以这次课程设计正是为我提供了一个很好的学习机会。

锻炼了我的逻辑思维，在设计中难免会遇到好多的问题，随时都会有不明白或者不清楚的地方，这样就需要努力思考并且努力寻找解决问题的方法。

可以在和同学们之间的互相交流、认真讨论每个问题中，不知不觉对这门课程的感觉就更进了一步，对它的理解就深了一个层次，对它的应用范围、领域也有了很好的认识。

这绝对是一个很大的收获。

在设计中我很大的感触就是感觉自己的知识不足，因为面临的实际问题中通常都是综合性比较强的设计课题，这些问题综合了所学过的自动化中很多学科中的内容，要在对很多学科都很好的掌握基础上去解决。

由于有这些困难，所以这样一来就要自己尽量能好好了解一些与设计课题相关的知识，希望对自己的设计有所帮助。

所以设计
期间，要翻阅很多以前的课本，在复习一下以前学过的知识，也可以去图书馆参阅相关的书籍，这样在通过查阅大量的资料的过程中就锻炼了我自主学习的能力。

七.参考文献
（1）《过程控制系统》李国勇编著电子工业出版社
（2）《过程控制系统实验教程》李国勇编著清华大学出版社。