水泵流量控制系统设计

摘要

随着科学技术的迅猛发展，自动化技术在工业，农业，科技及人们日常生活中发挥着重要的作用。过程控制通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分之一。其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医疗、水利、电力、冶金、轻工、纺织、建材、核能、环境等许多领域，在国民经济中占有极其重要事务地位。过程控制的主要任务是对生产过程的有关的参数进行控制。使其保持恒定或按一定规律变化，在保证总质量和生产的前提下，使连续型生产过程自动地进行下去。连续生产过程中，流量是一个很重要的参数。

在连续生产过程中，有各种物料在工艺设备间传送。为了有效地进行生产操作和工艺控制，经常需要测量介质（液体、气体和蒸汽等）的流量。同时，为了进行经济核算，也需要知道在一段时间内流过的介质总量。所以，流量监测是控制生产和进行经济核算所必需的一个重要手段。按照控制任务要求，流量控制系统一般是定值的，根据较快较准较稳得性能要求，采用单闭环控制系统，控制规律是PID控制规律。闭环相比开环可以减小误差，满足需要。流量控制系统一般有四部分组成，控制器、执行器、被控对象以及流量检测传感变送器。控制器的输入由给定与反馈的偏差决定，控制器的输出控制调节阀，从而控制被控对象。传感变送器将被控变量检测并变送到输入端与给定进行比较，得到的偏差作为控制器的输入，闭环控制系统是按偏差控制的，因而性能比较优越。

关键词：过程控制流量控制闭环控制系统

水泵流量控制系统的设计

1 设计目的与要求

1.1 设计目的

水泵流量控制系统系统原理图如图1-1所示。

PID智能调节器

图1-1 水泵流量控制系统原理图

如图1所示，这是一个流量控制系统原理图，按照生产的要求，一般设计成定值控制系统，要求流量稳定在某个值，根据较快较稳较准和抗干扰的性能要求下，采用单闭环控制结构和PID控制规律，闭环控制系统相比开环系统，性能更加优越。对自来水厂用泵将水打入水槽（泵1和泵2同时用），以备下一道工艺生产需要，进行设计将流量控制在500±3立方米/小时，以满足生产要求。

2 系统结构设计

2.1 控制方案

整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象四部分组成。在本次过程控制系统中控制器为计算机，采用的算法为PID控制规律，调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成如下图3-1所示。

当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道将水送到水箱，由HB返回信号，判断是加大调节阀流量还是减小调节阀流量。若需要加大（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而保证流量控制在500±3立方米/小时；若不需要，则通过电磁阀使流量保持或减小。

2.2 系统结构

过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图2-1。

图2-1 流量单回路控制系统框图

3各个环节的设计方案

3.1被控变量与控制变量选择

3.1.1被控变量选择原则

根据被控参数的选择与生产工艺密切相关，被控参数的选择通常有两种方法。一种是选择能直接反映生产过程中产量和质量，又易于测量的参数作为被控参数，称为直接参数法。如果生产过程是按质量指标进行控制，按理应以直接反映产品质量的变量作为被控参数，但有时由于缺乏检测直接反映产品质量参数的有效手段，无法对产品质量参数进行直接检测；虽能检测，但检测信号很微弱或滞后很大，直接参数检测不能及时、正确地反映生产过程的实际情况。这时可以选择与质量指标有单值对应关系、易于测量的变量作为被控参数，简介反映产品质量、生产过程的实际情况。在选择被控参数时，还要求所选参数有足够的灵敏度。

选取被控参数的基本原则是首先考虑选择对产品产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用、可直接测量的工艺参数为被控参数；当直接参数不易测量，或其测量之后很大时，应选择一个易于测量，与直接参数有单值关系的简接参数作为被控参数；同时兼顾工艺上的合理性和所用仪表的性能及经济性。

3.1.2控制变量选择原则

设计单回路控制系统时，选择控制变量的原则可归纳为以下几条：

1)控制变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。

2)控制变量一般应比其他干扰对被控参数的影响灵敏。为此，应通过合理选择控制变量，使控制通道的放大系数0K 大、时间常数0T 小、纯滞后时间0 越小越好。

3)为使干扰对被控参数的影响小，应使干扰通道的放大系数f K 尽可能小、时间常数f T 尽可能大。扰动引入系统(控制通道)的位置要远离被控参数，尽可能靠近调节阀(控制器)。

4)被控过程存在多个时间常数，在选择设备及控制参数时，应尽量使时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大很多，同时注意减小其他时间常数。这一原则同样适用于控制器、调节阀和测量变送器时间常数的选择。控制器、调节阀和测量变送器(三者均为系统控制通道中的环节)的时间常数应远小于被控过程中最大的时间常数(这

个时间常数一般难以改变)。

5)在选择控制变量时，除了从提高控制品质的角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产效率及生产过程的经济性。一般不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量或者用户的需求，不允许控制。另外，从经济性考虑，应尽可能地降低物料与能量的消耗。

3.1.3本系统被控变量与控制变量的选择

由设计任务和以上分析可知，本系统要求维持出口水流量恒定，并且出口流量也是易于检测的，所以选择出口水流量作为该系统的被控变量。在选择控制变量时，要从所有允许控制的变量中尽可能地选择一个对被控参数影响显著、控制性能好的输入变量作为控制变量。水的流量是较易于控制的，通过调节阀就可以控制住，所以选择水的流量作为本系统的控制变量。

3.2检测环节设计

3.2.1检测环节设计原则

过程控制系统中的检测元件指的是用于参数检测的传感器、变送器。传感器、变送器完成对被控参数以及其他一些参数、变量的检测，并将测量信号传送至控制器。测量信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数迅速、准确地测量是实现高性能控制的重要条件。

3.2.2本系统检测环节设计

流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。根据本试验装置的特点，采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量0~.03m3/h,压力1.6Mpmax,4-20mA标准信号输出。可与显示，记录仪表，积算器或调节器配套。避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点，确保实验效果能达到教学要求。主要优点：

(1)采用整体焊接结构，密封性好；

(2)结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损失；

(3)采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定；

(4)仪表反映灵敏，输出信号与流量呈线性关系,量程比宽；