流量-鍋爐液位前饋控制系統(tǒng)

1、-. z.課程設(shè)計任務(wù)書指導(dǎo)教師填寫課程設(shè)計名稱 過程控制系統(tǒng) 學(xué)生*專業(yè)班級 自動142班 設(shè)計題目 流量鍋爐液位前饋控制系統(tǒng) 課程設(shè)計目的本課程的課程設(shè)計是自動化專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)完過程控制系統(tǒng)課程后，進(jìn)展的一次全面的綜合訓(xùn)練，其目的在于加深對過程控制系統(tǒng)理論和根本知識的理解，在熟悉工藝流程的根底上，掌握運用工程整定方法設(shè)計過程控制系統(tǒng)，以及系統(tǒng)的調(diào)試和投運的根本方法。二、設(shè)計內(nèi)容、技術(shù)條件和要求一技術(shù)要求按課程設(shè)計任務(wù)書提供的課題，應(yīng)根據(jù)給出的設(shè)計任務(wù)，按可選的被控對象設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。組成4人的設(shè)計小組，分模塊進(jìn)展,共同協(xié)作完成一個實際系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試任務(wù)。要求20%流量擾動作用下的液位變

2、化不超過15%，恢復(fù)時間小于2分鐘，穩(wěn)態(tài)誤差小于3%二設(shè)計內(nèi)容1、熟悉工藝流程及實驗環(huán)境，根據(jù)對水位控制或工業(yè)鍋爐生產(chǎn)過程控制的要求，設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)方案；2、完成主要測控儀表的選型；3、繪制系統(tǒng)構(gòu)造框圖、系統(tǒng)工藝流程圖、系統(tǒng)硬件連線圖，并在實驗中修正完善；4、按要求進(jìn)展系統(tǒng)調(diào)試，分析P、I、D參數(shù)對控制質(zhì)量的影響，分析前饋控制系統(tǒng)對擾動的調(diào)節(jié)作用及補償能力；5、撰寫詳細(xì)的設(shè)計說明書。三設(shè)計說明書要求設(shè)計說明書應(yīng)包含以下內(nèi)容1.設(shè)計目的；2.設(shè)計要求；3.系統(tǒng)方案設(shè)計包括：被控變量的選擇、控制變量的選擇，控制器類型的選擇、控制器正反控制方式的選擇、調(diào)節(jié)閥的選擇、各測量傳感器的選擇；4.系統(tǒng)構(gòu)

3、造框圖、系統(tǒng)工藝流程圖、系統(tǒng)硬件連線圖；5.調(diào)試過程分析，調(diào)試結(jié)果、調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決方法；6.設(shè)計心得體會；7.參考文獻(xiàn)。時間進(jìn)度安排按教學(xué)方案規(guī)定，過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計總學(xué)時為兩周，其進(jìn)度及時間大致分配如下：6.26 查閱資料、完成各局部硬件設(shè)計；6.28 在模擬實驗平臺上進(jìn)展系統(tǒng)調(diào)試，分析實驗結(jié)果；6.30 總結(jié)設(shè)計過程、編寫課程設(shè)計說明書。主要參考文獻(xiàn)1、過程控制及儀表，邵裕森主編， 電子工業(yè)2、過程控制系統(tǒng)， 涂植英主編， 機械工業(yè)3、過程控制， 金以慧主編，清華大學(xué)指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日設(shè)計說明書一、設(shè)計目的本課程的課程設(shè)計是自動化專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)完過程控制系統(tǒng)課程后，進(jìn)展的一

4、次全面的綜合訓(xùn)練，其目的在于加深對過程控制系統(tǒng)理論和根本知識的理解，在熟悉工藝流程的根底上，掌握運用工程整定方法設(shè)計過程控制系統(tǒng)，以及系統(tǒng)的調(diào)試和投運的根本方法。本設(shè)計針對液位控制系統(tǒng)中較為根底的鍋爐液位作為控制對象，流量鍋爐液位前饋控制系統(tǒng)具有非線性，滯后，耦合等特征，能夠很好的模擬工業(yè)過程特征。而對于控制系統(tǒng)的選擇為前饋反響系統(tǒng)。一般的控制系統(tǒng)都屬于反響控制, 這種控制作用總是落后于擾動作用。對于時滯較大、擾動幅度大而頻繁的過程控制往往不能滿足生產(chǎn)要求。引入前饋控制可以獲得顯著的控制效果。前饋控制是按照擾動作用的大小進(jìn)展控制, 所以控制是及時的。如果補償作用完善可以使被控變量不產(chǎn)生偏差。二

5、、設(shè)計要求2.1 設(shè)計內(nèi)容1熟悉工藝流程及實驗環(huán)境，根據(jù)對水位控制或工業(yè)鍋爐生產(chǎn)過程控制的要求，設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)方案；2完成主要測控儀表的選型；3繪制系統(tǒng)構(gòu)造框圖、系統(tǒng)工藝流程圖、系統(tǒng)硬件連線圖，并在實驗中修正完善；4按要求進(jìn)展系統(tǒng)調(diào)試，分析P、I、D參數(shù)對控制質(zhì)量的影響，分析前饋控制系統(tǒng)對擾動的調(diào)節(jié)作用及補償能力；5撰寫詳細(xì)的設(shè)計說明書。2.2技術(shù)要求要求20%流量擾動作用下的液位變化不超過15%，恢復(fù)時間小于2分鐘，穩(wěn)態(tài)誤差小于3%三、系統(tǒng)方案設(shè)計控制系統(tǒng)選擇單回路控制系統(tǒng)，以及在單回路的根底上加前饋控制，形成前饋反響控制系統(tǒng)。比擬兩種控制系統(tǒng)在應(yīng)用中的區(qū)別和優(yōu)勢。單回路反響系統(tǒng)通常采用

6、PID算法控制，基于偏差來消除偏差，控制作用產(chǎn)生在被控量變化之后，因此不能及時地消除偏差。前饋控制是基于擾動來補償擾動對被控量的影響，控制作用產(chǎn)生在被控量變化之前，所以能及時地消除偏差到達(dá)很好的響應(yīng)效果。但是前饋控制屬于開環(huán)控制，無法檢驗響應(yīng)，通常無法單獨使用，所以與單回路結(jié)合，采用前饋反響控制方法，可以既保存了反響控制良好的跟隨給定的優(yōu)點，有彌補了抗擾特性的缺乏，可實現(xiàn)很好的控制效果。在前饋反響控制系統(tǒng)中，擾動進(jìn)水支路為擾動量，在擾動支路中通過渦輪流量計檢測支路進(jìn)水量，在擾動進(jìn)入水箱改變液位之前，通過前饋補償器的計算減小電動調(diào)節(jié)閥的開度，使液位不會出現(xiàn)過大的改變，使擾動在產(chǎn)生偏差之前消除偏差

7、?？傻竭_(dá)更好的控制精度。3.1被控變量和控制變量的選擇液位和流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用的兩個參數(shù)，對液位和流量進(jìn)展控制的裝置在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的十分普遍。液位的時間常數(shù)T一般很大，因此有很大的容積遲延，如果用單回路控制系統(tǒng)來控制，可能無法到達(dá)較好的控制質(zhì)量。而前饋反響控制系統(tǒng)可以用一般常規(guī)儀表來實現(xiàn)，本錢增加也不大，卻可以起到十清楚顯的提高控制質(zhì)量的效果，因此往往采用前饋控制系統(tǒng)對液位進(jìn)展控制。一般情況下，流量是影響液位的主要因素，將它納入前饋反響復(fù)合控制系統(tǒng)進(jìn)展控制，不僅有效地克制了流量對液位造成的干擾，而且使系統(tǒng)工作頻率提高，能夠?qū)σ何粚嵭休^快的控制。為了保證控制精度，將鍋爐液位作為被控對象

8、，鍋爐的液位主要由進(jìn)水量和出水量決定，因此將進(jìn)水量與出水量選作控制對象。鍋爐液位是通過壓力液位傳感器測得，將檢測到的液位信號與給定液位值進(jìn)展比擬后送入調(diào)節(jié)器，在數(shù)顯智能調(diào)節(jié)儀中經(jīng)過PID運算后，其輸出信號作為調(diào)節(jié)器電動調(diào)節(jié)閥閥門的開度信號，控制進(jìn)水量的大小，從而控制液面高度。3.2 控制器類型的選擇整個過程控制系統(tǒng)由控制器、調(diào)節(jié)器、測量變送、被控對象組成。在本次控制系統(tǒng)中控制器為EFPT-0102型數(shù)顯智能調(diào)節(jié)儀，采用算法為PID控制規(guī)律，調(diào)節(jié)器為電磁閥，測量變送為HB、FT兩個組成，被控對象為流量PV。當(dāng)系統(tǒng)啟動后，水泵開場抽水，通過管道分別將水送到上水箱和下水箱，由HB返回信號，是否還需要

9、放水到下水箱。假設(shè)還需要即水位過低，則通過電磁閥控制流量的大小，加大流量，從而使下水箱水位到達(dá)適宜位置；假設(shè)不需要即水位過高或剛好適宜，則通過電磁閥使流量保持或減小。3.3 主、 副控制器正反控制方式確實定在單回路控制系統(tǒng)中， 要使一個過程控制系統(tǒng)能正常工作， 系統(tǒng)必須為負(fù)反響。對于前饋控制系統(tǒng)來說， 主、 副調(diào)節(jié)器中正反作用方式的選擇原則是使整個控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反響系統(tǒng)。 即其主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。 各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的規(guī)定與單回路系統(tǒng)設(shè)計一樣。3.4調(diào)節(jié)閥的選擇電動調(diào)節(jié)閥對控制回路流量進(jìn)展調(diào)節(jié)。采用QS201直行程電子式電動執(zhí)行器，無需配伺服放大器，控制單元與電動執(zhí)行機構(gòu)一

10、體化，可靠性高，操作方便，并可與計算機配套使用，組成最正確調(diào)節(jié)回路。有輸入控制信號4-20mA及單相電源即可控制與轉(zhuǎn)實現(xiàn)對壓力流量溫度壓力等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點。采用PS電子式直行程執(zhí)行機構(gòu)，4-20mA閥位反響信號輸出雙導(dǎo)向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性，閥門用于截斷或接通管路中的介質(zhì)。出水控制閥門我們選擇VT-16型號的線性鋼鑄閥，該閥門采用彈簧連接，可預(yù)置閥門關(guān)斷力，保證閥門的可靠關(guān)斷，防止泄露，具有性能穩(wěn)定可靠、控制精度高、使用壽命長等優(yōu)點。3.5測量傳感器的選擇 流量傳感器用來對電動調(diào)節(jié)閥的主流量和干擾回路的干擾流量進(jìn)展檢

11、測。根據(jù)本試驗裝置的特點，采用工業(yè)用的LDS-10S型電磁流量傳感器，公稱直徑10mm，壓力1.6Mpma*,4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，可與顯示、記錄儀表、積算器或調(diào)節(jié)器配套。防止了渦輪流量計非線性與死區(qū)大的致命缺點，確保實驗效果能到達(dá)課設(shè)要求。 流量轉(zhuǎn)換器采用LD2-4B型，與電磁流量傳感器配套使用，輸入信號：00.4mV，輸出信號：420mA DC，允許負(fù)載電阻為0750歐姆，根本誤差為輸出信號量程的0.5%。液位傳感器用來對水箱液位變送、鍋爐液位變送和水槽液位變送進(jìn)展檢測，采用工業(yè)的DBYG擴散硅壓力變送器，本變送器按標(biāo)準(zhǔn)的二線制傳輸，喜愛用高品質(zhì)低耗精細(xì)器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高?？?/p>

12、方便的與其他DDZ3*型儀表互換配置，并能直接替換進(jìn)口同類儀表。校驗的方法是通電預(yù)熱15分鐘后，分別在零壓力和滿程壓力下檢查輸出電流值。在零壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電流為4mA，在滿量程壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電流為20mA。本傳感器精度為0.5級，因為為二線制，故工作時需串24V直流電源。壓力傳感器用來對上水位水箱和中水位水箱的壓力進(jìn)展檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴散硅壓力變送器，0.5級精度，二線制4-20mA標(biāo)志信號輸出。3.6所需設(shè)備的型號及用途序號圖位號型號規(guī)格名稱用途1F1-E(FE-1)LDG-10S0300L/h電磁流量傳感器進(jìn)水流量檢測2F1-1T(FIT-1)LD2-

13、4B(420 mA)電磁流量轉(zhuǎn)換器進(jìn)水流量變送和顯示3F2-E(FE-2)LDG-10S0300L/h電磁流量傳感器出水流量檢測4F2-1T(FIT-2)LD2-4B(420 mA)電磁流量轉(zhuǎn)換器出水流量變送和顯示5L1-T(LT-1)DBYG04Kpa(0400mm)(420mA)擴散硅壓力變送器水箱液位變送6L2-T(LT-2)DBYG04Kpa(0400mm)(420mA)擴散硅壓力變送器鍋爐液位變送7L3-T(LT-3)DBYG04Kpa(0400mm)(420mA)擴散硅壓力變送器水槽液位變送8M1QS201行程16mm直行程電子式電動執(zhí)行器配Vc1調(diào)節(jié)閥9VC1VT-16DN=20

14、mmdN =10mm線性鑄鋼閥進(jìn)水流量調(diào)節(jié)閥10M2QS 201行程16mm直行程電子式電動執(zhí)行器配Vc2調(diào)節(jié)閥11VC2VT-16DN=20mmdN =10mm線性鑄鋼閥出水流量調(diào)節(jié)閥四、控制系統(tǒng)設(shè)計4.1、前饋系統(tǒng)構(gòu)造框圖單回路控制器，即PID控制器的傳遞函數(shù)為Wc(s)，被控對象鍋爐液位的傳遞函數(shù)為Wo(s)。Wm(s)為前饋控制器；Wf(s)為過程擾動通道傳遞函數(shù)；Wo(s)為過程控制通道傳遞函數(shù)；F(s)為系統(tǒng)可測不可控擾動；Y(s)為被控參數(shù)；典型的前饋反響控制系統(tǒng)框圖如下所示，它是由一個反響回路和一個開環(huán)補償回路疊加而成的復(fù)合系統(tǒng)。在擾動f(s)作用下，系統(tǒng)輸出為：Y(s)=Wf

15、(s)F(s)+ WM(s)Wo(s)F(s)-Wc(s)Wo(s)Y(s) 單回路前饋反響恒值系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： =根據(jù)絕對不變性原理，應(yīng)有=0，前饋模型為： Wm(s)= -. z.4.2、系統(tǒng)工藝流程圖-. z.4.3、硬件連線圖五、參數(shù)整定5.1比例積分調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調(diào)節(jié)消除余差。它的調(diào)節(jié)規(guī)律為：或 式中為比例帶，可視情況取正值或負(fù)值；為積分時間。和是PI調(diào)節(jié)器的兩個重要參數(shù)。圖3.1是PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)，它是由比例動作和積分動作兩局部組成的。在施加階躍輸入的瞬間，調(diào)節(jié)器立即輸出一個幅值為e/的階躍，然后以

16、固定速度e/TI變化。當(dāng)t=TI時，調(diào)節(jié)器的總輸出為2e/。這樣，就可以根據(jù)圖3.1確定和TI的數(shù)值。還可以注意到，當(dāng)t=TI時，輸出的積分局部正好等于比例局部。由此可見，TI可以衡量積分局部在總輸出中所占的比重：TI愈小，積分局部所占的比重愈大。5.2比例積分微分調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律是或P調(diào)節(jié)是一種簡單控制方式，其輸入與輸出偏差信號的積分成比例關(guān)系。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例環(huán)節(jié)就立即進(jìn)展反響來減少偏差。比例調(diào)節(jié)的作用設(shè)置的越大，調(diào)節(jié)的速度就越快。但比例作用過大時，會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，另外，只采用比例調(diào)節(jié)的系統(tǒng)輸出將存在穩(wěn)態(tài)誤差。I調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)用于消除系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)誤差，它的輸

17、入與輸出偏差信號的積分成正比關(guān)系。如果系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱為有差系統(tǒng)，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，就需要引入積分調(diào)節(jié)。但積分作用會使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)變慢，假設(shè)參數(shù)選擇的不當(dāng)會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。D調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)動作是使調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被調(diào)量的變化速度來移動調(diào)節(jié)閥，而不要等到被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大偏差后才開場動作，它等于賦予調(diào)節(jié)器以*種程度的預(yù)見性，能夠顯著改善調(diào)節(jié)的效果。但微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用，它可以與其它調(diào)節(jié)動作結(jié)合成PD和PID調(diào)節(jié)動作。單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器采用PID控制，利用給定信號與反響信號作為偏差，偏差信號為PID調(diào)節(jié)器的輸入信號，調(diào)節(jié)器輸出信號控制調(diào)節(jié)閥開度，以此來調(diào)節(jié)液位高度。

18、比例控制作用可使系統(tǒng)快速到達(dá)穩(wěn)定，但是不能消除系統(tǒng)余差，比例系數(shù)增大，余差會減小，但隨著比例系數(shù)的增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會逐漸下降。積分控制作用能消除系統(tǒng)余差，使系統(tǒng)成為無差系統(tǒng)，但降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并增加了調(diào)節(jié)時間。微分作用無法消除余差，但是提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此PID調(diào)節(jié)器是一種很理想的控制規(guī)律，它在比例的根底上引入積分可以消除余差，再參加微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對于大局部控制問題PID調(diào)節(jié)器都能解決，但是當(dāng)系統(tǒng)中的負(fù)荷或干擾變化比擬劇烈或比擬頻繁，或調(diào)節(jié)質(zhì)量要求更高時，僅采用單回路反響的PID調(diào)節(jié)方案就不太適宜了。本系統(tǒng)中，如果在系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定后參加擾動，必須在等到液面升高產(chǎn)生偏差后，系統(tǒng)才能作用，該過程如下：YZ|e|e0uFY可見調(diào)節(jié)過程較長，導(dǎo)致調(diào)節(jié)時間較長，必然出現(xiàn)較大超調(diào)量。前饋反響控制就是在單回路反響控制的根底上，在擾動量支路中參加檢測元件，并通過前饋補償器在擾動產(chǎn)生影響前減小或消除擾動。本系統(tǒng)中，假設(shè)原電動調(diào)節(jié)閥開度為80%，流量為F1，如果參加擾動，前饋檢測到擾動通道流量為F2，則通過前饋補償器直接調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥使流量減小|F1-F2|，假設(shè)使開度變?yōu)?0%。該過程如下：u2FY可見調(diào)節(jié)過程很短，調(diào)節(jié)時間大大地縮短，超調(diào)量也會顯著減小，甚至如果前饋補償器設(shè)計的好可以不產(chǎn)生超調(diào)。-. z.六、 調(diào)試結(jié)果、 調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決方法6.1 調(diào)試結(jié)果參