過程控制課程設計06027.doc

北 華 航 天 工 業(yè) 學 院課程設計報告（論文）設計課題： 過程控制 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 設計時間： 201311.25-2013.12.06 北華航天工業(yè)學院電子工程系 過程控制 課程設計任務書姓 名： 專 業(yè)：自動化班 級： 指導教師： 職 稱：副教授學 號 課程設計題目：前饋-反饋控制系統的設計與整定已知技術參數和設計要求：對三容水箱液位、壓力控制系統進行設計。參數要求：液位控制精度位5，壓力控制精度為3。1、測試對象獲得數學模型。2、設計前饋-反饋控制系統，選擇所有系統部件，并說明選擇依據。3、畫出控制系統硬件結構圖和系統框圖。4、設計基于組態(tài)王軟件的監(jiān)控軟件。5、連接系統進行投運，通過監(jiān)控軟件整定系統控制參數，達到控制精度要求。6、完成設計報告。所需儀器設備：PCT-III型過程控制系統教學實驗裝置、計算機、組態(tài)王軟件成果驗收形式：系統實際運行達到要求設計報告完整、無錯誤參考文獻：過程控制工程 孫洪程 高等教育出版社過程控制工程手冊 周春暉 化學工業(yè)出版社PCT-III過程控制使用說明書 浙江求是科教設備有限公司時間安排下發(fā)設計任務（第1天）系統設計、連接（第2、3、4天）監(jiān)控組態(tài)程序；（第5、6天）聯機調試（第7、8天）撰寫課程設計報告（第9天）通過答辯（第10天）指導教師： 教研室主任： 2013年12月6日內 容 摘 要自本世紀30年代以來，自動化技術獲得了驚人的成就，已在工業(yè)和國民經濟各行各業(yè)起著關鍵的作用。自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現代化水平的一個重要標志。自動控制按輸入量的變化規(guī)律分類，可分恒值控制系統（Fixed Set-Point Control System）、隨動控制系統（Follow-up Control System）、過程控制系統（Process Control System）。前饋-反饋控制系統的設計與整定，采用自動控制技術，實現對水箱液位的過程控制。首先對被控對象的模型進行分析。然后，根據被控對象模型和被控過程特性并加入PID調節(jié)器設計流量控制系統，采用動態(tài)仿真技術對控制系統的性能進行分析。 關鍵詞： 自動化 過程控制 PID 目 錄一 概 述 1二 方案設計與論證 2 21 前饋控制 2 22 反饋控制 2 23 前饋-反饋控制 3 24前饋-反饋控制系統PID算法 4 25 控制方案的論證5 251控制方案的可靠性5 252控制方案的安全性5 253控制方案的經濟性5三 儀表的選擇與參數的設定 6 31 設備型號 632 調節(jié)器及其參數的設置 7 33 儀器儀表的組合安裝 834 計算機的參數設置 9四 實驗步驟 9五 實驗結果 10六 結論 11七 心得體會 12八 參考文獻 13 一、概述 PCTI型過程控制實驗裝置是基于工業(yè)過程物理模擬對象，它集自動化儀表技術，計算機技術，通訊技術，自動控制技術為一體的多功能實驗裝置。系統包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數，可實現系統參數辨識、單回路控制、串級控制、前饋控制、比值控制等多種控制形式。本裝置還可根據用戶的需要設計構成DDC、DCS、PLC、FCS、TCS等多種控制系統。該實驗裝置既可作為本科、?？啤⒏呗氝^程控制課程的實驗裝置，也可作為研究生及科研人員在復雜控制系統、先進控制系統研究方面提供物理模擬對象和實現手段。裝置特點:1 裝置由控制對象、控制屏、計算機三部分組成，對象構布局合理，造型美觀大方。2 真實性、直觀性、綜合性強，控制對象元件全部來源于工業(yè)現場。控制屏正面有完整的系統結構圖案。3 參數全面，涵蓋了液位、流量、壓力、溫度等典型參數。4 PCT-II過程控制實驗裝置具有控制參數和控制方案的多樣化。該裝置可通過對其管路上的閥門切換和對模擬信號接線板上信號的連接組合，可構成數十種過程控制實驗。5 在PCT-II過程控制實驗裝置中充分考慮了大專院校，高等職業(yè)技術學院工業(yè)自動化專業(yè)的大綱要求，完全能滿足教學實驗、課程設計、畢業(yè)設計的需要，同時學生可自行設計實驗方案，進行綜合性、創(chuàng)造性過程控制系統實驗的設計、調試、分析，培養(yǎng)學生的獨立操作、獨立分析問題和解決問題的能力。隨著對過程控制系統性能要求的不斷提高,傳統反饋控制策略難以適應不同工況下被控對象動態(tài)特性的改變。提出了前饋-反饋復合控制策略,研究了前饋控制器在物理上不可實現情況下的設計方法,給出了具體操作步驟。在過程控制系統中應用的仿真結果表明:前饋-反饋復合控制能夠將可測擾動在影響系統輸出前得以補償;系統的動態(tài)性能和穩(wěn)定性能均優(yōu)于傳統反饋控制。解決了擾動通道時滯小于主控通道時,前饋控制器在物理上不可實現的技術難題,對過程控制系統有一定理論意義和工程參考價值。 前饋是通過校正輸入來改善控制系統的性能；反饋是通過獲得輸出誤差，進而校正，得到理想的輸出；前饋-反饋控制系統中既有針對主要擾動信號進行補償的前饋控制，又存在對被調量采用反饋控制以克服其他的干擾信號。引入反饋控制，是為了使系統能克服所有擾動信號對被調量產生的影響；因為除了已知的主要的擾動信號以外，系統中還存在其它的擾動信號，這些擾動信號對被調量的影響比較小，有的是我們能夠考慮到的，有的我們根本就考慮不到或無法測量，都通過反饋控制加以克服。二、方案設計與論證 本設計通過前饋反饋控制系統實現對液位的控制。21 前饋控制 前饋控制又稱擾動補償，它與反饋調節(jié)原理完全不同，是按照引起被調參數變化的干擾大小進行調節(jié)的。在這種調節(jié)系統中要直接測量負載干擾量的變化，當干擾剛剛出現并能被測出時，調節(jié)器就能發(fā)出調節(jié)信號使調節(jié)量作相應的變化，使兩者在被調量發(fā)生偏差之前抵消。因此，前饋調節(jié)對干擾的客服比反饋調節(jié)及時。但是前饋控制是開環(huán)控制，其控制效果需要通過反饋加以檢驗。前饋控制器在測出擾動之后，按過程的某種物質或能量平衡條件計算出校正值。如果前饋支路出現擾動，經過流量計測量之后，測量得到干擾的大小，然后在反饋支路通過調整調節(jié)閥開度，直接進行補償。而不需要經過調節(jié)器。 在前饋反饋控制系統中，前饋控制屬于開環(huán)控制，在設計中經過對主流量的檢測，及時的針對主要擾動進行液位的偏差抑制。當流量測量值較預定值發(fā)生波動，即時通過計算機進行PID計算，輸出控制信號，進行液位調節(jié)；反饋控制屬于閉環(huán)控制，通過對液位的測量，及時對液位進行調控。反饋環(huán)節(jié)通過對液位的監(jiān)測，將測量值與給定值進行比較，形成偏差后，通過A/D傳輸給計算機，進行預先設定的PID計算，輸出控制型號，進行液位調節(jié)。22 反饋控制 反饋控制（英文名稱為Feedback Control），是指從被控對象獲取信息，按照偏差的極性而向相反的方向改變控制量，再把調節(jié)被控量的作用饋送給控制對象，這種控制方法稱為反饋控制，也稱作按偏差控制。反饋控制總是通過閉環(huán)來實現的。 反饋控制的特點有：按偏差進行調節(jié)；調節(jié)量小，失調量?。荒茈S時了解被控變量變化情況；輸出影響輸入（閉環(huán)）。23前饋-反饋控制 前饋反饋復合控制系統中前饋控制器的傳遞函數是根據完全補償性原理求解的。要使得擾動Z(s)得到完全補償，即Z(s)變化時不對被調量C(s)產生影響，應有： 解得 ： 前饋-反饋控制系統的特點：（1） 系統綜合了反饋、前饋控制系統的優(yōu)點，彌補了他們的缺點，因而前饋-反饋控制系統得到了廣泛的應用。（2） 引入前饋補償沒有影響到系統的穩(wěn)定性。 很顯然，前饋無論加在什么位置，都不會構成回路，系統的特征式都保持不變，因而不會影響系統的穩(wěn)定性。 （3）引入反饋控制后，前饋完全補償條件并沒有改變。前饋-反饋系統主要由以下幾個環(huán)節(jié)構成：（1） 擾動信號測量變送器：對擾動信號測量并轉化統一的電信號。（2） 被調量測量變送器：對被調量測量并轉化統一的電信號。（3） 前饋控制器：對干擾信號完全補償。（4） 調節(jié)器：反饋控制調節(jié)器，對被調量進行調節(jié)。（5） 執(zhí)行器和調節(jié)機構。（6） 擾動通道對象：擾動信號通過該通道對被調量產生影響。（7） 控制通道對象：調節(jié)量通過該通道對被調量進行調節(jié)。如圖1前饋反饋實驗流程圖 和圖1 計算機控制前饋反饋控制系統的框圖 圖1 前饋反饋實驗流程圖 圖2 計算機控制前饋反饋控制系統的框圖24 前饋反饋控制系統PID算法前饋反饋控制系統是通過PID控制規(guī)律實現對液位控制的最終目的，PID控制是比例積分微分的簡稱。在工業(yè)生產工程自動控制的發(fā)展歷史中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。PID算法具有以下的優(yōu)點：（1）原理簡單，使用方便；（2）適應性強；（3）魯棒性強，即其控制品質對被控對象特性的變化不太敏感。 PID控制即比例積分微分控制，調節(jié)器的輸出是其輸入的比例，積分，微分的函數。PID控制現在應用最廣，技術最成熟。其控制結構簡單，參數容易調整，不必求出被控對象的數學模型便可以調節(jié)，因此無論模擬調節(jié)器或者數字調節(jié)器大都采用PID調節(jié)規(guī)律。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t）與輸出u (t）的關系為u(t)=kpe(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt 式中積分的上下限分別是0和t，因此它的傳遞函數為：G(s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(TI*s)+TD*s，其中kp為比例系數； TI為積分時間常數； TD為微分時間常數。在調節(jié)PID控制時，先把微分作用取消掉，只保留PI，先調比例，再調積分，最后加上微分再調。如果振蕩過快，加大P。如果振蕩后過很久才穩(wěn)定，減小P。減少積分時間。如果振蕩的周期太長，加大積分時間。如果對調節(jié)對象變化反應過慢，增大D。最后把波形調到只有一兩個振蕩就平穩(wěn)了，就是最好的效果。25 控制方案的論證251控制方案的可靠性控制方案采用前饋反饋控制，前饋反饋控制技作為一種傳統的控制方式，在工業(yè)生產過程中，技術上的應用已經相當成熟。作為液位控制，在要求控制精度的情況下，不能單純依靠反饋控制，加入前饋控制后，可以消除提前的擾動對反饋控制的影響。而且對于提前的擾動為已知，比如對液位能夠產生的擾動，在這里為管道內的流量，是可以精確測量的量，因此符合采用前饋控制的條件。使得前饋反饋控制的可靠性得到保證。252控制方案的安全性在工業(yè)生產過程中，對液位的控制中，容器中的介質類型有很多，可能為常見的水，也可能為化學藥劑。因此控制方案和所用儀器儀表的安全性非常重要。對于儀器儀表，我們根據介質的性質不同選用合適的型號即可。對于控制方案，因為是單純的液位控制，不涉及化學反應等使介質發(fā)生變化的過程，所以關鍵是控制精度的保證，比如在鍋爐中要保證水位的高度，避免水位過高飛濺。在這次設計中設想的介質為水，因此在控制精度得到保證的情況下，控制方案的安全性也得到了保證。253控制方案的經濟性由于控制方案選擇的是傳統的控制方式，控制過程明確，需要的儀器儀表數量較少，因此成本低，較容易實現。3、 儀表的選擇及參數的確定 由于不是大型生產過程，對自動化水平要求不高，所以選擇采用常規(guī)儀表控制?？紤]到價格、實用性等因素，選擇數字化、智能化的電動控制儀表。31 設備型號原理圖中的用到的每一個設備的型號，輸入輸出信號的范圍，如表1 設備型號所示。 表1 設備型號 元件序號型號主要參數數量備注液位變送器寧波市精誠自動化設備輸出電流420mA，工作電源24（15%）V DC2壓力變送器可通過P=*g*h測得。比例器寧波市精誠自動化設備輸出電流420mA，工作電源24（15%）V DC1變頻器MM440P700=2；P1000=21調節(jié)閥Honeywell電動調節(jié)閥輸入電流420mA流量計上海光華輸入00。3m3/h，輸出420mA1水箱浙江求是科教設備公司生產水箱I（上位水箱）液位高度：0450mm水箱II（中位水箱）液位高度：0450mm水箱III（下位水箱）液位高度：0450mm水箱IV（不銹鋼儲水箱）液位高度：0500mm432 調節(jié)器及其參數的設置 調節(jié)器，是將生產過程參數的測量值與給定值進行比較，得出偏差后根據一定的調節(jié)規(guī)律產生輸出信號推動執(zhí)行器消除偏差量，使該參數保持在給定值附近或按預定規(guī)律變化的控制器。調節(jié)器分為模擬調節(jié)器和數字調節(jié)器。 調節(jié)器的主要功能是接受變送器送來的測量信號Vi，并將它與給定信號Vs進行比較得出偏差，對偏差進行PID連續(xù)運算，通過改變PID參數，可改變調節(jié)器控制作用的強弱。除此之外，還具有測量信號、給定信號及輸出信號的指示功能。 電動調節(jié)閥對控制回路流量進行調節(jié)。采用智能電動調節(jié)閥，具有精度高、技術先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執(zhí)行機構一體化，可靠性高、操作方便，并可與計算機配套使用，組成最佳調節(jié)回路。執(zhí)行機構直接接受4mADC或1控制信號，輸出mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。ZDS系列的閥門采用柔性彈簧連接，可預置閥門關斷力，保證閥門的可靠關斷，防止泄露。驅動電機采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機，運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉，控制精度高。因此本調節(jié)閥具有性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點。 技術指標: 電源：220VAC 50HZ 功耗： 5VA輸入信號：420mADC 輸入阻抗： 100（42mADC） 輸出信號：420mADC環(huán)境溫度: 2070 重復精度：1%調節(jié)器與上位機連接時，需要連接到計算機的COM口。調節(jié)器背面接口說明如下：1 2 端 15V電壓輸入端，2 3 端 0。21V電壓輸入端，2 3 4端 熱敏電阻輸入端，5 7端 420mA電流輸出端，9 10端 220V電源輸入端，17 18端 輸出端（A，B）。調節(jié)器選用上海萬迅儀表有限公司的AI708，AI818（有的實驗設備用AI808）。液位控制時調節(jié)器能自整定出比較理想的參數，如將調節(jié)器參數Ctrl=2，則調節(jié)器進入自整定調節(jié)狀態(tài)，調節(jié)完畢，Ctrl=3。 其需要設置的參數如下： 708 808M5=10 DF=3 （參考值）P=6 P=20 （參考值）T=1 I=434 （參考值）Ctl=5 d=28 （參考值）Sn=33 Sn=33 （1-5V電壓輸入）Dip=0 Dip=0 （小數點位數為0）Dil=0 Dil=0Dih=450 Dih=450Sc=0 Sc=0Op1=4 Op1=4CF=2 CF=2Run=2 Run=2 Loc=808 Loc=808在調節(jié)器接線時應注意：（1）接線時注意電源的種類、極性，嚴防接錯電源。（2）通電前應請指導老師確認無誤后方可通電。（3）動手調校前，應搞清調節(jié)器各部件的作用，凡實驗中未設計的可調元件一律不得擅自調整。（4）調節(jié)器在調校前應預熱15分鐘。33儀器儀表的組合安裝自控工程設計中，除了確定恰當的控制方案、選擇合適的控制工具（測量儀表、常規(guī)二次儀表，DCS系統、FCS系統、PLC系統與各種執(zhí)行機構）、正確安裝儀表之外，還要正確連接各個控制單元來構成控制系統?？刂葡到y各個單元之間的信號是通過相互連接的電（管）纜、電（管）線進行傳遞的，連接正確則可正確的傳遞信號，各個單元可按部就班的協調工作，完成預想的設計目的。如果連接錯誤，則信號傳輸錯誤，相應的接收單元不能接受到相應的信號，此時各單元不能協調工作，也就不能完成預想的設計目的。因此，儀表的正確連接是自動控制系統對生產過程實行控制的前提。儀表連接的內容除了各個單元之間信號的連接之外，還包括儀表工作時所需能量的連接，即還需要進行儀表電源、氣源和液壓源的連接。要保證控制系統和儀表的正常工作，儀表連接過程中還需要考慮抗干擾和使用安全問題，因此儀表連接還包括信號電纜屏蔽層接地、儀表接地端子接地等內容。34計算機的參數設置：其需要設置的參數如下： XP=100 （參考值）（比例增益） Ti=4 （參考值）（積分時間 秒） Td=0 （參考值）（微分時間 秒） Sp （計算機控制給定值） OP （計算機輸出值） PV （液位檢測值） QKC （反饋系數）四、實驗步驟1、根據實驗系統流程圖構成前饋、上水箱液位作為主回路，流量作為前饋信號。打開閥門V15、V3、V6。2、按附圖上水箱液位和流量組成前饋實驗接線圖接好實驗導線。3、接通總電源和各儀表電源。 4。打開程序SIMATIC Manager，把STP7 5。2V的程序下傳到PLCS7-300的主機里，工租管理器界面中，點擊FILEOPEN按扭，選擇C: PLCPRO前饋反饋5點擊OK按扭,然后把程序下載下去。6點擊按扭后，點擊文件、打開按扭，然后選擇前饋反饋，在激活既進入前饋反饋對象特性測試及控制實驗界面。7點擊歷史曲線按扭，進入PID參數設置界面。點擊切換按扭置手動，8點擊PID設定中的Q2進行數據輸入使系統液位處于某一平衡位置。9改變Q2輸出，使系統輸入幅值適宜的正向階躍信號，這時系統輸出也有一個變化信號，使系統在較高液位所達到平衡狀態(tài)。10觀察計算的液位2的正向階躍響應歷史曲線，直至達到新的平衡為止。點擊打印曲線按扭，打印正向階躍響應曲線。11改變輸出使系統輸入幅值與正向階躍相等的一個反向階躍信號，這時系統輸出也有一個變化信號,使系統液位下降至一個平衡狀態(tài)。12觀察計算機的液經2反向階躍響應歷史曲線，直至達到新的平衡為止。13。 系統穩(wěn)定后，改變回路中流量的大小，觀察液位的變化和計算機上流量及液位的歷史曲線的變化。記錄并處理歷史曲線。 5、 實驗結果實驗結果如圖3前饋反饋記錄曲線 圖3 前饋反饋記錄曲線六、結論前饋反饋控制理論的應用非常廣泛，對水箱液位的前饋反饋控制便是其中的一個典型應用。隨著科學技術和控制理論的進步，出現了很多先進的控制理論。但是傳統的控制理論本身也具備容易實施、儀器儀表需求量少，成本低的特所以傳統的控制理論仍然有應用的領域。加之中國當前控制技術仍大量采用了傳統的控制技術，所以對前饋- 反饋控制的研究仍然有實際應用價值。對水箱的液位前饋反饋控制，在日常生產生活中，應用比較容易實現。在參考了許多關于過程控制的資料后，