过程控制液位控制系统

中南大学

《过程控制仪表》课程设计报告

设计题目锅炉液位控制系统

指导老师王莉吴同茂

设计者

专业班级自动化0710

设计日期 2010年6月

目录

第一章过程控制仪表课程设计的目的意义 (1)

1.1 设计目的 (1)

1.2课程在教学计划中的地位和作用 (1)

第二章液位控制系统（实验部分） (2)

2.1 控制系统工艺流程 (2)

2.2 控制系统的控制要求 (4)

2.3 系统的实验调试 (5)

第三章锅炉液位控制系统工艺流程及控制要求 (7)

3.1 控制系统工艺流程 (7)

3.2 设计内容及要求 (8)

第四章总体设计方案 (9)

4.1 设计思想 (9)

4.2 总体设计流程图 (10)

第五章硬件设计 (11)

5.1 硬件设计概要 (11)

5.2 硬件选型 (12)

5.3 硬件电路设计系统原理图及其说明 (14)

第六章软件设计 (16)

6.1 软件设计流程图及其说明 (16)

6.2 源程序及其说明 (17)

第七章系统调试及使用说明 (23)

第八章收获、体会 (24)

参考文献 (25)

第一章过程控制仪表课程设计的目的意义

1.1 设计目的

本课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。基本要求如下:

1. 掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；

2. 掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；

3. 掌握PID调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。

4．通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、液位）设计其控制系统。

1.2课程设计的基本要求

本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。课程设计的主要任务是设计工业生产过程经常遇到的压力、流量、液位及温度控制系统，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。

课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。基本要求如下:

1. 掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；

2. 掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；

3. 掌握PID调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。

4．通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、液位）设计其控制系统。

第二章液位控制系统

2.1 控制系统工艺流程

在复杂的工业过程控制系统中，简单的单回路过程控制系统不能满足性能指标要求时，就要采用复杂的过程控制系统和智能控制策略。液位串级是复杂的过程控制系统，由主、副两个回路组成，每个回路中有各自的调节器和被控对象，即主回路中的调节器称主调节器，被控象为下水槽，作为系统的主被控对象，下水槽的液位为主控制量。副回路中的调节器称副调节器，被控对象为上水槽，为系统副被控对象，上水槽液位为副被控量。

图2-1带连接信号插孔的液位装置工艺模拟流程图

串级控制系统的目的是使系统具有良好的动态性能和稳态性能，确保主被控量的控制质量，实现无差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主被控对象的时间常数大于副被控对象的时间常数，因而当主被控量未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对主被控量的影响。此外，如果扰动作用于主被控对象，由于副回路的存在，使副被控对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。

2.2 控制系统的控制要求

2.2.1双回路串级控制目的

在试验中有主\副两个控制回路，主，副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值Hs，它的 U1作为副调节器的给定值，副调节器的输出u控制执行器，以改变主参数H1。被控对象是两级串联水箱，被控量是水箱的液位Hs，调节参数是流入水箱量Q，水箱液位由液位变送器检测得到也未反馈信号Hf，它和液位设定信号Hs进行比较，得到偏差信号e1，进行PID计算，输出变化控制信号，控制电子阀门的阀位，改变进水量，是被调参数保持在在设定值。

2.2.2 试验中具体要求

(1) 掌握PID控制算法及P、I、D参数的含义及功能；

(2) 用工程的方法（看曲线，调参数）整定调节器控制规律及PID参数，并观

察PID参数对系统动态、静态性能的影响。

(3) 测取液位串级过程控制系统的动态、静态特性；

具体要求：超调量σ＜20%，调节时间Ts≤100s，余差＜5%

2.3.3主回路PID参数整定

由于主回路是一个恒值系统，我们要求其超调量，调整时间，稳态误差等参数都要求较高，

用临界扩充响应曲线法并结合PID试凑法最终整定的参数是

P=50，I=40，D=5

2.3.4副回路PI参数整定

由于主回路是一个随动系统，我们主要要求其跟随速度快，减小副回路的滞后时间，超调量，稳态误差要求相对要低一些，

用临界扩充响应曲线法并结合PID试凑法最终整定的参数是

P=100，I=45，D=3

2.3.5主副回路联调

在联调是，我们要求根据主回路修改目标值SV,系统都具有很好的响应速度快，超调小等动态特性和稳态误差小静态特性，而且调节时间尽可能小。