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1、第一章过程控制仪表课程设计的目的意义11.1 设计目的11.2 课程设计在教学计划中的地位和作用1第二章液位控制系统实验调试22.1 控制系统工艺流程22.2 控制系统的控制要求32.3 系统的实验调试5第三章液位控制系统工艺流程及控制要求93.1控制系统工艺流程93.2设计内容及要求10第四章总体设计方案124.1 设计思想124.2 总体设计流程图13第五章硬件设计155.1 硬件设计概要155.2 硬件选型165.3 硬件电路设计系统原理图及其说明17第六章软件设计196.1 软件设计流程图及其说明196.2 源程序及其说明20第七章系统调试及使用说明22第八章收获与体味23参考文献24
2、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时常遇到的液位（压力、流量或者温度）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。本次课程设计，我个人选题为水箱液位控制系统。通过课程设计，可以使我们针对典型的工业控制对象，
3、实现水箱液位的串级控制。从而使我们了解水箱液位串级控制系统组成原理，加深对串级控制这一复杂控制方法的理解，初步掌握工业控制系统的设计和实现方法，掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法，掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。1.2 课程设计在教学计划中的地位和作用过程控制仪表课程设计是本课程集中实践环节的主要内容之一，是在完成课程的理论与实验教学的基础上，为自动化专业本科生开设的一门综合性的专业课程，是较为重要的实践性教学环节。通过本次课程设计，使学生通过对一个实用工业过程控制系统（如液位控制系统）的设计、安装、调试来综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，达到素质和
4、创新能力进一步提升。继而掌握过程控制系统设计的基本理论、基本方法和基本技能及其在自动化及其他领域中的应用，使学生能简单地掌握工业对象系统模型设计规范及工程设计的内容步骤。此外，课程设计综合了学生所学的自动控制理论、微型计算机控制技术、可编程序控制器PLC等多门课程内容，整合各门专业课的工程应用，进而使学生获得过程控制技术的基本训练，将本科阶段所学的专业课系统的应用于实际过程的自动化设计，缩短专业知识向实际工程设计的时间，为毕业之后的继续教育、科学研究、技术开辟打下良好基础。第二章液位控制系统的实验调试2.1控制工艺流程该装置由三个相同大小的容器、液位检测变送仪表及执行机构组成，配套的仪表屏上安
5、装了配有连接信号插座孔的整个工艺流程摹拟图、调节控制仪表、手操器、显示仪表等。图2.1液位控制系统工艺流程图三级串联水箱工艺图如图2.1所示，它由三个水箱组成，稳压水由两路经过电动调节阀Vcl和Vc2以及手动阀V1-V6,分别流入三个水箱。调节阀Vcl和Vc2可以作为控制回路的执行机构，另一个用于产生扰动信号。若以进入水箱的水流量作为输入量，水位作为其输出量，则每一个水箱可以看成是一个一阶惯性环节的被控对象。当Vcl作为控制回路执行机构，通过手动阀VhV3和V5的打开关闭不同组合使水箱构成不同阶次的被控对象。选择第3个水箱的液位H3作为被调变量，关闭手动阀Vl和V3,只打开V5,则构成一阶惯性
6、环节；关闭手动阀Vl和V5,只打开V3,使两个水箱串联，则两个惯性环节构成二阶被控对象；关闭手动阀V3、V5,只打开手动阀VI,使三个水箱串联，则三个惯性环节串联构成三阶被控对象。固然，第一个水箱的液位Hl和第二个水箱的液位H2也可以作为被调变量，构成二阶或者一阶被控对象。该装置中有三个被控变量（1#水箱、2#水箱、3#水箱的液位），可从中选择一至两个为被控变量。有两个操作变量（二个调节阀开度）。普通，支路I（VCI）流量作为操作变量通路，支路2（Vc2）则作为扰动输入通路。在确定被控变量、操作变量、主要扰动和控制方案后，只要在摹拟控制流程图上的插孔进行不同的连接，就能组成不同控制回路。通常采
7、用以下方式接线：首先把1#水箱的液位信号HTl的电流信号串入无笔记录仪的1号通道Rb再串入到1号调节器（即CI）的输入端PVo再把调节器的输出电流信号接到支路1电子调节阀Vcl上。也就是先接前向通道的路线，再连接反馈回路。2.2液酶制系统要求对于一个控制系统，首先要先了解其系统的各部份的特性和性能。因此，首先，我们要对电子式电动执行器的特性和性能进行测试。包括其动作范围、动作时间及动作步长等。除以上的之外还有执行器的液位特性。执行器的液位特性是指在阀先后压力差不变的情况下，截止流过阀门的相对液位与阀芯行程对性关系。此外控制系统中PID智能调节器的参数整定也是系统能否实现性能最大化的关键。在做好
8、以上要求后，针对此液位控制系统的控制要求包括以下几个方面：1 .单回路液位控制系统单回路液位控制系统是由下列4部份组成的：（1）被控对象一一水箱；（2）电子阀；（3）液位变送器；（4）PID智能调节器等组成。它们连接成控制系统的方框图如图2.2所示。图2.2单回路液位控制系统图2.2中被控对象是三级串联水箱，被控量是水箱的液位Hs,调节参数是流入水箱的流量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Hi,调节器对输入偏差Hi进行PID运算，输出变化量U控制信号，控制电子调节阀门的阀位，改变调节参数Q,使被调节参数H保持着设定值。其中f为系统扰动信
9、号。2 .双回路液位控制系统图2.3串级液位控制系统其中，HS是主参数给定值，%是被控的主参数，Hl是副参数，上是作用在主对OII象上的扰动，f2是作用在副对象上的扰动。对于此液位控制系统，我们的最终目的是在串级操纵情况下，实现Pn）调节的最大范围。2. 3系统的实验调试串级控制系统主副控制器的选型非常重要。对于主控制器，为了减少稳态误差，提高控制精度，应具有积分控制，为了使系统反应灵敏，动作迅速，应加入微分控制，因此主控制器应具有PID控制规律；对于副控制器，通常可以选用比例控制，当副回路比例系数不能太大时，则应加入积分控制，采用PI规律。副回路较少采用PID控制。有了以上控制经验规律后，按
10、照“一步整定法”。其依据是，在串级控制系统中，副回路的被控量要求不高，可在一定范围内变化，在整定副回路参数时，利用经验数据确定副回路的比例度后再也不进行调整，只要针对主回路整定即可。这里的副回路参数可以按照以下表2.1列出的经验数据参数整定。表2.1经验法整定参数系统参数比例度/%积分时间min微分时间min温度20-603-100.5-3流量40-1000.1-1压力30-700.4-3液位20-80由于是液位控制，在系统调试时，我们首先选择副回路比例度P=25。对于主副回路PID的运算周期选择，因为副回路直接控制执行器，因此既要使得它的控制灵敏、迅速，又不能动作太频繁，增加系统损耗。我们选
11、取主回路运算时间2-3s,副回路运算时间l-2s。（对应TO分别为：4-6和2-4）在实验调试初期，由于对系统了解不深，我们也在副回路中加入了积分控制和较强的微分控制。（1=100、D=IO）根据PID智能调节仪的参数设定，我们可以算出：KpM,Ti=50s,Td=5s然后根据系统要求，实现控制系统控制范围的最大化。由于先做过了执行器特性实验和电子执行器的液位特性实验，这里，我们对执行器的线性范围（20-90）选取线性中点首先进行控制，即液位高度55mm处。通过不断调试，修改，以及串级控制对主回路的控制要求，我们最终确定了参数：P=25,1=100,D=IOo此时的调试结果，响应曲线如下：图2
12、.4主回路P=25,1=100,D=IO的响应曲线由以上响应曲线可以看出，系统在不同输入情况下的动态参数也不同。（当控制液位大于55的阶跃响应未画）这里我们对曲线做分析：(1)系统包含纯滞后环节。从物理意义上解释，因为水箱1进水，其液位变化体现在主控制水箱3需要一定时间。(2)显然，在液位控制线性中点处，其响应结果最佳。在挨近上下死区时，系统滞后时间变长，动态性能变差，调节时间也变长。(3)在系统超调量大于允许范围时，可以考虑引入积分分离及输出限幅进行改善。防止因为偏差较大而积累积分作用，导致系统调节过慢，输出幅值过大。以上控制结果，在控制范围来看，效果可以。但是由于此时副回路Dn0,导致系统
13、副回路输出动作过大；1=100,导致控制过程延长。因此我们在调试结果基本令人满意后，对副回路PlD参数进行重新改善。选取D=0,1=999。即切除了微分、积分作用，只保留比例。这时，对于系统的响应曲线变化不大，但是控制量输出却十分理想。如下图(a)、(b),即针对H=55mm时，系统阶跃响应稳定(图中的t=t)后，控制量输出随时间变化的曲线。(a)副回路保持积分、微分作(b)副回路只保留比例作用用的控制量输出曲线的控制量输出曲线图2.5副回路PlD参数对控制量变化的影响图由图2.5中两组控制量输出曲线比较，验证了对于副回路控制规律的原则要求，即副回路要求起控制的快速性，可以有余差，普通只选择P
14、控制规律，并按照表2.1经验法整定参数。固然，对于原副回路的控制量输出校正，也可以采用带死区的PID控制来限制D参数对系统动态性能的影响。这时，只要死区宽度选择合适，一样可以减小稳定后控制量的输出波动，从而减小系统机械磨损。最终通过实验，我们确定了最佳控制效果下的主副回路PID参数。见表2.2表2.2主副回路PlD参数主副回路PID参数P参数I参数D参数运算周期TO(s)PKpITi(s)TdTd(三)主回路254100501052副回路254999500001第三章液位控制系统控制工艺流程及控制要求3.1液位控制系统的工艺流程本次液位控制系统的课程设计内容，是在一个工业流程中，选择一部份需要
15、进行液位控制的部份进行设计。在工业现场，需要大量用到液位控制。比如污水槽、反应炉、锅炉等。这里，选择HPF脱硫工艺中的液位控制作为设计内容。首先对该工业流程进行简介。HPF法脱硫是国内新开辟的技术,它是以氨为碱源液相催化氧化脱硫新工艺,采用的催化剂HPF是一种复合催化剂,它对脱硫和再生过程均有催化作用。所产废液彻底可以回兑到炼焦煤中,从而大大简化了工艺流程。脱硫、脱氯效率较高,普通可达到塔后煤气含HS100mgm3,含HCN300mgm32脱硫工艺的流程如图3.1所示。图中L表示液位；P表示压力；T表示温度；F表示流量；I表示指示；C表示控制；V表示阀门；Q表示累计。双琼废液去分场进工段的导通油出丁段的S热油“款筮收工段来的摩余气水I循环上水的谭氨水冷凝鼓乂工段进工段的Hde空气图3.1HPF脱硫工艺流程HPF法脱硫的工艺流程是:鼓风机后的煤气进入预冷塔与塔顶喷洒的冷却水逆向接触,被冷却为30,冷却水从塔下部用泵抽出，送外冷器被低温水冷至28送回塔顶循环喷洒。采
