过程控制系统课程设计指导书

过程控制系统课程设计指导书林梅金张彩霞肖红军编佛山科学技术学院机电与信息学院2007年9月目录第一部分课程设计的目的与要求...........................................1第二部分课程设计的总体描述..............................................3一实验装置说明...............................................................................................3二被控对象特性测试举例..........................................................................10第三部分课程设计选题........................................................13课题一锅炉夹套与被加热介质的温度控制..........................................13课题二双闭环流量比值控制......................................................................20课题三温度的滞后控制................................................................................27课题四流量的滞后控制...............................................................................301第一部分课程设计的目的与要求一前言过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。在现代化工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。二课程设计目的在本课程设计中，通过一个完整的生产过程控制系统的设计，使学生在进一步加深理解和掌握《过程控制系统》课程中所学内容的基础之上，着重训练学生将《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进行综合应用。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。三课程设计要求按课程设计指导书提供的课题，根据给出的设计任务，自己设计系统结构，分析系统的特点和系统特性，按“可选”的被控对象设计相应的控制系统，并在实验室连接系统部件、构造硬件系统。可以自己跳线、连线，并连好对象、控制器、计算机。通过用控制器、监控计算机和实验对象的联机调试、执行、观察结果，达到预期应用功能和控制目的，比较不同方案的应用效果，完整的设计任务书。1.能够查阅工艺过程相关资料。2.依据工艺要求分析、比较、设计方案（对其合理性、工作原理及工作过程做出说明）。3.被控对象以及仪器仪表的描述。4.控制方案的选择及其论述，控制系统方框图及其说明。25.完成对象的特性曲线的测试，建立对象的数学模型。6.Matlab仿真，记录调节器参数值以及仿真结果曲线。7.画出控制系统连线示意图及说明，记录最佳控制结果的调节器参数以及结果曲线。8.仿真结果与实际操作调试结果的比较说明。9.设计体会。10.撰写规范化的说明书一份。3第二部分课程设计的总体描述一实验装置说明（一）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。（二）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。1、被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接有机玻璃圆筒形水箱、4.5千瓦电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管道组成。水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用优质淡蓝色圆筒型有机玻璃。上、中水箱尺寸均为：d=25cm,h=20cm；下水箱尺寸为：d=35cm,h=20cm。水箱结构非常独特，有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶液位单回路控制实验和双闭环、三闭环液位串级控制等实验。储水箱是采用不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝完全能满足上、中、下水箱的实验需要。模拟锅炉：本装置采用模拟锅炉进行温度实验，此锅炉采用不锈钢精制而成，由二层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套）。做温度单回路实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都有温度传感器检测其温度。盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有三个不同的温4度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间常数。盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。2、检测装置压力传感器、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0.5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：1.0%。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。3、执行机构电动调节阀：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4～20mADC或1～5VDC，输出4～20mADC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；5工作温度：－5～80℃。4、控制器本实验装置基本配置的控制器有调节仪表、比值器/前馈-反馈补偿器、解耦装置。调节仪表：本系统实验装置采用上海万迅仪表有限公司的AI系列仪表，其主要特点有：1.全球通用的85～246VAC范围开关电源或者24VDC电源供电，并具备多种外形尺寸。2.输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精确稳定。3.采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。本装置有4台调节器。其中三台型号是AI-818，另一台型号是AI-708。1.技术规格a)热电偶：K、S、R、E、J、T、B、Nb)热电阻：Cu50、Pt100c)线性电压：0－5V、1－5V、0－1V、0－100mV、0－20mV等d)线性电流（需外接分流电阻）：0－10mA、0－20mA、4－20mA等2.测量范围e)K（-50＋1300℃）、S（-50－1700℃）、R（-50－＋1650℃）、T（-200－＋550℃）、E（0－800℃）、J（0－1000℃）、B（0－1800℃）、N（0－1300℃）、f)Cu50（-50－＋150℃）、Pt100（-200－＋600℃）3.测量精度g)0.2级（热电阻、线性电压、线性电流及热电偶输入且采用铜电阻补偿或冰点补偿冷端时）h)0.2%FS±2.0℃（热电偶输入且采用仪表内部元件测温补偿冷端时）4.响应时间i)≤0.5秒（设置数字滤波参数dL=0时）j)注：仪表对B分度号热电偶在0—600℃范围时可以进行测量，但测量精度无法达到0.2级，在600-1800℃范围可保证0.2级测量精度。65.AI人工智能调节，包含模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。6.输出规格（模块化）k)继电器触点开关输出（常开+常闭）：250VAC/1A或30VDC/1Al)可控硅无触点开关输出（常开或常闭）：100-240VAC/0.2A（持续），2A（20mS瞬时，重复周期大于5S）m)SSR电压输出：12VDC/30mA（用于驱动SSR固态继电器）n)可控硅触发输出：可触发5-500A的双向可控硅、2个单向可控硅反并联连接或可控硅功率模块o)线性电流输出：0-10mA可4-20mA可定义（安装X模块时输出电压≥10.5V；X4模块输出电压≥7V）7.报警功能上限、下限、正偏差、负偏差等4种方式，最多可输出3路，有上电免除报警选择功能。8.手动功能自动/手动双向无扰动切换（仅A1-808/808P系列具备此功能）9.电源：100-240VAC，-15%，+10%50-60HZ；电源消耗：≤5W10.环境温度：0-50℃比值器、前馈-反馈装置此控制器与调节器一起使用既可以实现流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统实验，又可以实现液位与流量、温度与流量的前馈-反馈控制系统实验。解耦控制装置此控制器与调节器一起使用可以实现锅炉内胆与锅炉夹套的温度、上水箱液位与出口温度的解耦控制系统实验。（三）仪表综合控制台仪表控制台面板由三部分组成：1.电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。72.仪表面板：1块变频调速器面板、3块AI/818A智能调节仪面板、1块AI/708A智能位式调节仪、解耦装置面板，比值器/前馈-反馈装置面板，各装置外接线端子通过面板上自锁紧插孔引出。3.I/O信号接口面板：该面板的作用主要是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，再通过航空插头同对象系统连接，便于学生自行连线组成不同的控制系统，进行几十种过程控制系统的实验。（四）系统特点1.被控参数全面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。2.本装置由控制对象、智能仪表综合控制台、计算机三部分组成，系统结构布局合理，造型美观大方。3.直实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。4.具有广泛的扩展性和后续开发功能，所有I/O信号全部采用国际标准IEC信号，可通过信号接口电缆与任何后续智能化控制平台连接。5.执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构，又有变频器、可控硅移相调压装置、接触器位式控制装置等。6.调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。7.一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。8.系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，