过程控制技术课程设计.docx
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过程控制技术课程设计
过程控制技术
课程设计报告
题目串级控制系统设计
学院（部）电子信息工程学院
专业电气自动化技术
学生姓名魏娜
学号200920314112年级09级
指导教师张玉职称助教
2011年6月30日
目录
一、引言
1、实验的...........................................................................................................3
2、实验义..........................................................................................................3
3、实验求..........................................................................................................3
二、系统设备及组成
1、实验备..............................................................................................3
2、方案设计..........................................................................................3
（1）主参数的选择和主回路的设计......................................................3
（2）副参数的选择和副回路的设计......................................................4
（3）副回路设计应考虑工艺上的合理性............................................5
（4）串级控制系统参数的选择..............................................................5
（5）主、副调节器控制规律的选择......................................................5
3、串级控制系统流程图..................................................................6
4、串级控制系统方框图..................................................................7
5、测点清单.......................................................................................7
三、实验结果及分析...................................................................................8
四、实验心得体会.........................................................................................9
五、主要参考资料………………………………….…………………………………..9
一、引言
1、实验目的：
（1）掌握串级控制系统的工作原理、设计方法；
（2）了解液位控制的构成环节；
（3）加深课本知识理解并融会贯通。
2、实验意义：
通过设计，能加深对过程控制、计算机控制技术、检测技术、自动化仪表等自动化专业的主干专业课程的理解和认识，充分了解控制系统的构成，提高综合运用所学专业知识的能力，学会过程控制系统的设计方法，为今后实际的工程设计打下良好的基础
（1）通过设计，能加深对过程控制、计算机控制技术、检测技术、自动化仪表等自动化专业的主干专业课程的理解和认识，充分了解控制系统的构成，提高综合运用所学专业知识的能力，学会过程控制系统的设计方法，为今后实际的工程设计打下良好的基础
3、实验要求：
（1）认真复习课本，查阅相关知识，做好课程设计准备；
（2）独立完成课程设计并认真仔细；
二、系统设备及组成
1、实验设备：
A3000对象系统
（1）泵
（2）电动调节阀：
工作电源24VAC，控制信号2.10VDC
（3）液位变送器：
量程为0-50cm,输出信号4-20mA。
（4）涡轮流量计：
量程为0-3m3/h,输出信号4-20mA。
2、方案设计：
主、副回路的设计
串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。
串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路关系的考虑。
下面介绍设计原则。
（1）主参数的选择和主回路的设计
串级控制系统由主回路和副回路组成。
主回路是一个定值控制系统。
对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。
凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。
若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。
否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。
另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。
（2）副参数的选择和副回路的设计
副参数的选择
副参数的选择应使副回路的时间常数小，时延小，控制通道短，这样可使等效过程的时间常数大大减小，从而加快需要的工作频率，提高响应速度，缩短过渡过程时间，改善系统的控制品质。
总之，为了充分发挥副回路的超前、快速作用，在扰动影响主参数之前就加以克服，必须设法选择一个可测的、反映灵敏的参数作为副参数。
副回路应包括生产过程中变化剧烈、频繁而且幅度大的主要扰动，并尽可能多地包括一些扰动。
由上所述，串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点。
在副回路设计时，要充分发挥这一特点，把生产过程中的主要扰动（并可能多的把其它一些扰动）包括在副回路中，以尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。
如此次实验就是以下水箱的水位为主参数与上水箱的水位为副参数的串级控制系统。
在选择副参数进行副回路设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题。
因为它是串级控制系统正常运行的主要条件，是保证安全生产、防止共振的根本措施。
如果副过程的时间常数比主过程小得多，这时副回路反应灵敏，控制作用快，但此时副回路包含的扰动少，对于过程特性的改善也就少了；相反，如果副过程的时间常数大于或接近于主过程的时间常数，这时副回路对于改善过程特性的效果较明显。
但是，副回路反应较迟钝，不能及时有效地克服扰动，并将明显地影响参数。
如果主、副过程的时间常数较接近，这时主副回路间的动态联系十分密切，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡，这就是所谓的“共振”，它不利于生产的正常进行。
串级控制系统主、副过程时间常数的匹配是一个比较复杂的问题。
原则上，主副过程时间常数之比应是3到10范围内。
在工程上，应根据具体过程的实际情况与控制要求来定。
若设置串级控制系统主要是利用副回路能迅速克服主要扰动的话，则副回路的时间常数以小一点为好，只要将主要扰动包括在副回路中即可，若设置串级控制系统，是由于副回路过程时间常数过大，为了改善过程特性，则副过程时间常数可以适当取大一些。
但是，副过程的时间常数均不宜过大和过小。
（3）副回路设计应考虑工艺上的合理性：
过程控制系统是为工业生产服务的，设计串级控制系统，应考虑和满足生产工艺要求，注意系统的控制参数必定是先影响副参数，再去影响主参数的这种串联对应关系，然后再考虑其它因素。
副回路的设计还应考虑经济性的原则。
（4）串级控制系统参数的选择
对控制参数的选择，一般可考虑：
♦1）、选择可控性良好的参数作为控制参数。
♦2）、所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的系数，并应保证大于主要扰动通道的放大系数，以实现对主要扰动进行有效控制并提高控制质量。
♦3）、所选控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性。
（5）、主、副调节器控制规律的选择
在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。
主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。
主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。
副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以了。
一般不引入积分控制规律。
因为副参数允许有余差，而且副调节器的放大系数较大，控制作用强，余差小，若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。
一般也不引入微分控制规律，因为副回路本身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利。
3、串级控制系统流程图
串级控制流程图如图1所示
图1串级控制流程图
实验以串级控制系统来控制下水箱液位，以第二支路流量为副对象，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。
下水箱为主对象，流量的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。
如图所示，设计好下水箱和流量串级控制系统。
将主调节器的输出送到副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。
由上分析副调节器选纯比例控制，反作用，自动。
主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用，自动。
反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与副反馈值相同。
待流量稳定后，通过变频器快速改变流量，加入扰动。
若参数比较理想，且扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不影响下水箱的液位。
如果扰动比较大或参数并不理想，则经过副回路的校正，还将影响主回路的温度，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使液位调回到给定值上。
当使用第一动力支路把扰动加在下水箱时，扰动使液位发生变化，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。
由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主回路的液位影响较小。
4、串级控制系统方框图
各个回路独立调整结束，使得主调节器输出与副调节器给定值相差不是太远。
我们利用前面的实验中的PID数据。
而副控制器只进行P调节。
副回路对FT102进行控制，这个反应比较快，副回路的控制目的是很快把流量控制回给定值。
可以通过另一个动力支路加入部分液位干扰。
主回路对下水箱液位进行控制。
可以在下水箱中加入主回路干扰，要平衡这个干扰，则需要经过流量调整，通过FT102来平衡这个变化。
5、测点清单
测点清单如表1所示：
序号
位号或代号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
FV101
电动调节阀
阀位控制
2～10VDC
AO
0～100%
2
FT102
涡轮流量计
管道流量
4～20mA
AI
0～3m3/h
3
LT103
液位传感器
V1水箱液位
4～20mA
AI
0～50cm
表1串级控制测点清单
水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经流量变送器、调节阀FV101后进入水箱V103，通过挡板QV116回流至水箱V104而形成水循环；其中，电动调节阀开度的大小影响管路液体流量的大小,进而影响液位。
本例为串级调节系统，调节阀FV101为操纵变量，以FT102为被控变量的流量控制系统作为副调节回路，其设定值来自主调节回路―以LT103为被控变量的液位控制系统。
需要全打开的手阀：
QV102、QV105；
需要全关闭的手阀：
QV101、QV104、QV107、QV109；
需要半打开的手阀：
QV116打开0.5cm；
三、实验结果及分析
单主回路加扰动后控制曲线如图2所示。
图2单主回路加扰动后控制曲线
系统平衡所需要的时间10分钟。
串级控制曲线如图3所示。
图3串级控制曲线
系统平衡所需要的时间不超过3分钟。
可见串级控制对于副回路内的扰动，可以快速平衡。
四、实验心得体会
通过这次过程控制的课程设计（串级控制系统设计），我有很多的体会。
在课程设计的准备阶段，我认真复习了课本知识，从中收获了很多东西，课本上的伦理知识得到了融会贯通，并且有了更进一步的理解。
实验过程中，我很认真仔细的观察实验现象，所以在课程设计中能比较好应用。
这让我深刻体会到，只有亲自动手才会把所的知识应用于生活，所学知识才不是浪费。
所以，我们应该在平时学习之于多走进实践，把理论与实践相结合，这样我们才能把知识掌握的更坚实。
在这次课程设计中，我认真仔细，遇到很大的困难时候虚心向老师同学请教，并得到良好的解决。
其次，我更坚定了自己信心，相信遇到困难一定能解决的。
四、主要参考资料
【1】《过程控制》（第三版），林锦国张利等，东南大学出版社
【2】《过程控制工程》（第二版），王冀程等，化工出版社
【3】《过程控制实验》
【4】《过程控制与自动化仪表》［M］侯志林..北京：
机械工业出版社
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