过程控制课程设计-流量比值控制
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一．设计任务分析
1.1 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。 1.2 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。 1.3 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。 1.4 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。
给定值 K
调节器 1
电动 阀 流量变送器 1
调节器 2
变频
磁力
器
泵
流量变送器
2
扰 管动 道 Q1（流量）
扰 动 管道
Q2 （ 流 量）
图 2.3 双闭环比值控制系统的结构图
2.4 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、定值控制，使从动量均比
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。
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 2.2 所示。
主控制器
+-
螺旋输送机变频器 检测/变送器 1
螺旋输送机
KCL
比值器
+
副控制器
-
硫酸泵变频器
硫酸泵
H₂SO₄
检测/变送器源自文库2
图 2.2 双闭环流量比值控制系统原理图 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。
2.2 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。 2.3 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 2.3
检测/变送器 1
KCL
比值器
控制器
变频器
泵
-
H₂SO₄
检测/变送器 2
图 2.1 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：
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
2.1 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 2.1 所示。
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
1.1 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。 1.2 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。 1.3 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。 1.4 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。
给定值 K
调节器 1
电动 阀 流量变送器 1
调节器 2
变频
磁力
器
泵
流量变送器
2
扰 管动 道 Q1（流量）
扰 动 管道
Q2 （ 流 量）
图 2.3 双闭环比值控制系统的结构图
2.4 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、定值控制，使从动量均比
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。
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 2.2 所示。
主控制器
+-
螺旋输送机变频器 检测/变送器 1
螺旋输送机
KCL
比值器
+
副控制器
-
硫酸泵变频器
硫酸泵
H₂SO₄
检测/变送器源自文库2
图 2.2 双闭环流量比值控制系统原理图 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。
2.2 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。 2.3 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 2.3
检测/变送器 1
KCL
比值器
控制器
变频器
泵
-
H₂SO₄
检测/变送器 2
图 2.1 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：
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
2.1 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 2.1 所示。
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