千里之行，始于足下。第2頁/共2頁精品文檔推薦過程控制課程設計論文重慶大學都市科技學院

課程設計報告

課程名稱：過程操縱系統(tǒng)及其應用

設計題目：單容敞口槽液位操縱系統(tǒng)設計

院系：電氣信息學院

班級：電氣(1)班

姓名：趙凱

學號：20080099

指導教師：李運樹

設計時刻：2011年12月

《自動化儀表與過程操縱課程設計》任務書

課程設計題目單容敞口槽液位操縱系統(tǒng)設計及仿真研究

學院電氣學院專業(yè)電氣工程年級2008級

已知參數(shù)和設計要求：

某生產(chǎn)過程中有一圓柱形敞口儲液槽，截面直徑為10m，高為10m，生產(chǎn)運行過程中額定出口流量為80m3/min。由恒壓母管供給液料，采納調節(jié)閥操縱供給液料的流量。

設計液位操縱系統(tǒng)，要求如下：

1、液位穩(wěn)定在儲液槽高的90%數(shù)值上；

2、在出口流量變化幅度為額定值的20%時，液位波動別超過穩(wěn)定值的5%；

3、生產(chǎn)過程中液料別能溢出，液位別能低于儲液槽高的20%。

學生應完成的工作：

1、查閱相關文獻資料，對工藝過程舉行詳細描述，畫出操縱工藝流程圖，建立操縱對象的

數(shù)學模型；

2、經(jīng)過分析比較，挑選設計操縱系統(tǒng)方案，確定被操縱量和操縱量，對系統(tǒng)擾動舉行分析，

提出解決方法，畫出操縱系統(tǒng)結構框圖；

3、挑選變送器，調節(jié)器，調節(jié)閥等檢測操縱儀表的型號，編寫操縱設備清單；

4、依照對象特性和操縱要求設計操縱算法；

5、對操縱系統(tǒng)舉行仿真研究，驗證設計的正確性，經(jīng)過仿真對設計參數(shù)舉行調整，以滿腳

指標要求

6、對設計過程舉行總結，寫出詳細的設計講明書。

目前資料收集事情（含指定參考資料）：

1、過程操縱系統(tǒng)設計資料

2、過程操縱系統(tǒng)工程設計黃正慧等

3、過程操縱工程手冊周春輝等

4、自動化儀表手冊自動化儀表手冊編寫組

5、石油化工自動操縱設計手冊石油化工自動操縱設計手冊編寫組

課程設計的工作打算：

1、下達任務，安排分組0.5天

2、查閱資料，熟悉過程操縱系統(tǒng)設計過程3天

3、熟悉操縱對象工藝要求，建立動態(tài)模型1天

4、操縱系統(tǒng)方案選型論證，繪制系統(tǒng)結構圖3天

5、過程操縱儀表選型，列出設備表2天

6、設計操縱系統(tǒng)操縱參數(shù)2天

7、操縱系統(tǒng)仿真研究，對操縱參數(shù)舉行修正2天

8、編寫設計講明書1.5天

任務下達日期年月日完成日期2011年12月18日

指導教師（簽名）學生趙凱（簽名）

名目

第一章過程操縱儀表課程設計的簡述和目的(3)

1.1過程操縱的簡述(3)

1.2課程設計的目的(3)

第二章單容水箱液位操縱系統(tǒng)建模(4)

2.1液位操縱的實現(xiàn)(4)

2.2被控對象(4)

2.3水箱建模(4)

第三章相關參數(shù)要求和檢測儀表型號的挑選(8)

3.1參數(shù)要求(8)

3.2儀表型號的挑選(9)

第四章液位操縱系統(tǒng)中PID算法操縱(10)

4.1PID原理(10)

第五章總體設計方案(11)

5.1設計思想及講明(12)

5.2總體設計流程圖(12)

第六章軟件設計(13)

6.1軟件設計流程圖及其講明(14)

第七章總結和體味(15)

第八章參考文獻(16)

第一節(jié)過程操縱儀表課程設計的簡述和目的

1.1過程操縱的簡述

過程操縱是自動技術的重要應用領域，它是指對液位、溫度、流量等過程變量舉行操縱，在冶金、機械、化工、電力等方面得到了廣泛應用。尤其是液位操縱技術在現(xiàn)實日子、生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，比如民用水塔的供水，假如水位太低，則會妨礙居民的日子用水；工礦企業(yè)的排水與進水，假如排水或進水操縱得當與否，關系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位的操縱，假如鍋爐內液位過低，會使鍋爐過熱，也許發(fā)生事故；精流塔液位操縱，操縱精度與工藝的高低會妨礙產(chǎn)品的質量與成本等。在這些生產(chǎn)領域里，都是基本上勞動強度大或者操作有一定驚險性的工作性質，極容易浮現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的的損失?？梢?，在實際生產(chǎn)中，液位操縱的準確程度和操縱效果直截了當妨礙到工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟效益甚至設備的安全系數(shù)。因此，為了保證安全條件、方便操作，就必須研究開辟先進的液位操縱辦法和策略。

在本設計中以液位操縱系統(tǒng)的水箱作為研究對象，水箱的液位為被操縱量，挑選了出水閥門作為操縱系統(tǒng)的執(zhí)行機構。針對過程操縱試驗臺中液位操縱系統(tǒng)裝置的特點，建立了基于VisualBasic語言的PID液位操縱模擬界面和算法程序。盡管PID操縱是操縱系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種操縱算法。然而，要想取得良好的操縱效果，必須合理的整定PID的操縱參數(shù)，使之具有合理的數(shù)值

1.2課程設計目的

本課程設計是為《過程操縱儀表》課程而開設的綜合實踐教學環(huán)節(jié)，是對《現(xiàn)代檢測技術》、《自動操縱理論》、《過程操縱儀表》、《計算機操縱技術》等前期課堂學習內容的綜合應用。其目的在于培養(yǎng)學生綜合運用理論知識來分析和解決實際咨詢題的能力，使學生經(jīng)過自個兒動手對一具工業(yè)過程操縱對象舉行儀表設計與選型，促進學生對儀表及其理論與設計的進一步認識。課程設計的要緊任務是設計工業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)常遇到的液位操縱系統(tǒng)，使學生將理論與實踐有機地結合起來，有效的鞏固與提高理論教學效果。

經(jīng)過課程設計，能夠使我們針對典型的工業(yè)操縱對象，實現(xiàn)水箱液位的串級操縱。從而使我們了解水箱液位串級操縱系統(tǒng)組成原理，加深對串級操縱這一復雜操縱辦法的明白，初步掌握工業(yè)操縱系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)辦法，掌握水箱液位串級操縱系統(tǒng)調節(jié)

器參數(shù)的整定與投運辦法，掌握液位串級操縱系統(tǒng)采納別同操縱方案的實現(xiàn)過程。

第二節(jié)單容水箱液位操縱系統(tǒng)建模

2.1液位操縱的實現(xiàn)

除模擬PID調節(jié)器外，能夠采納計算機PID算法操縱。首先由差壓傳感器檢測出水箱水位；水位實際值經(jīng)過單片機舉行A/D轉換，變成數(shù)字信號后，被輸入計算機中；最終，在計算機中，依照水位給定值與實際輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到單片機中，由單片機將數(shù)字信號轉換成模擬信號。最終，由單片機的輸出模擬信號操縱交流變頻器，進而操縱電機轉速，從而形成一具閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)水位的計算機自動操縱。

2.2被控對象

本設計探討的是單容水箱的液位操縱咨詢題。為了能更好的選取操縱辦法和參數(shù)，有必要懂被控對象—上水箱的結構和特性。

由圖2-1所示能夠懂，單容水箱的流量特性：

水箱的出水量與水壓有關，而水壓又與水位高度近乎成正比。如此，當水箱水

V開度適當，在別溢出的事情下，位升高時，其出水量也在別斷增大。因此，若閥

2

當水箱的進水量恒定別變時，水位的上升速度將逐漸變慢，最后達到平衡。由此可見，單容水箱系統(tǒng)是一具自衡系統(tǒng)。

圖2-1單容水箱結構圖

2.3水箱建模

這個地方研究的被控對象惟獨一具，那算是單容水箱（圖2-1）。要對該對象舉行較好的計算機操縱，有必要建立被控對象的數(shù)學模型。正如前面提到的，單容水箱是一具自衡系統(tǒng)。依照它的這一特性，我們能夠用階躍響應測試法舉行建模。

如圖2-1，設水箱的進水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2

固定于某一開度值。若Q1作為被控對象的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控對象的數(shù)學模型算是h與Q1之間的數(shù)學表達式。

依照動態(tài)物料平衡關系有

12dh

QQCdt

-=（2-1）將式（2-1）表示為增量形式

12dh

QQC

dt

??-?=（2-2）式中，1Q?、2Q?、h?——分不為偏離某一平衡狀態(tài)10Q、20Q、0h的增量；C——水箱底面積。

在靜態(tài)時，1Q=2Q；dhdt=0；當1Q發(fā)生變化時，液位h隨之變化，閥2V處的靜壓也隨之變化，2Q也必定發(fā)生變化。由流體力學可知，流體在紊流事情下，液位h與流量之間為非線性關系。但為簡化起見，經(jīng)線性化處理，則可近似以為1Q?與h?成正比，而與閥2V的阻力2R成反比，即

22hQR??=

或22

h

RQ?=?（2-3）式中，2R為閥2V的阻力，稱為液阻。

將式（2-3）代入式（2-2）可得

221dhRChRQdt

?+?=?（2-4）

在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得：

2012()()()11

RHsKGsQsRCsTs=

==++（2-5）式中，T=R2C為水箱的時刻常數(shù)（注意：閥V2的開度大小會妨礙到水箱的時刻常數(shù)），K=R2為過程的放大倍數(shù)。令輸入流量1()Qs=0/Rs，0R為常量，則輸出液位的高度為：

000

()(1)1/KRKRKRHssTsssT

=

=-

++(2-6)即1

0()(1)tT

htKRe

-=-（2-7）

當t→∞時，0()hKR∞=因而有0()hKR∞==

輸出穩(wěn)態(tài)值

階躍輸入

（2-8）

當t=T時，則有

100()(1)0.6320.632()hTKReKRh-=-==∞（2-9）

式（2-7）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應曲線是一單調上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2所示。由式（2-9）可知該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所對應的時刻，算是水箱的時刻常數(shù)T。該時刻常數(shù)T也能夠經(jīng)過坐標原點對響應曲線作切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值的交點所對應的時刻算是時刻常數(shù)T。

圖2-2階躍響應曲線

由xK=1m3/cm,

R=1m/m3,K=R0,T=R0C,C=π(D/2)2

=πX25=78.5

故依照式（2-5）能夠得出G(S)=1

s5.78100

+

t

00.63h00()h00()22Th(t)2

經(jīng)過matlab仿真得到階躍響應的仿真圖如下：

StepResponse

Time(sec)

Amplitude

00.511.522.533.544.5

0.10.20.30.40.50.6

0.70.80.91System:ClosedLoop:rtouI/O:rtou

Time(sec):0.545Amplitude:0.501

經(jīng)過matlab仿真得到根軌跡圖、伯德圖的仿真圖如下：

10

-2

10

-1

10

10

1

10

2

-90-450Frequency(rad/sec)

Phase(deg

)

-40-30-20-100PrefilterBodeEditor(F)

Magnitude(dB)

10

-4

10

-3

10

-2

10

-1

10

10

1

10

2

-180

-135

-90

-45

P.M.:90.6degFreq:1.27rad/secFrequency(rad/sec)

Phase(deg)

0510********

3540G.M.:InfFreq:NaNStableloopOpen-LoopBodeEditor(C)

Magnitude(dB)-1.5-1

-0.5

-1-0.50

0.510.12

0.26

0.4

0.52

0.66

0.8

0.90.970.12

0.260.40.52

0.66

0.8

0.90.970.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4RootLocusEditor(C)

RealAxis

ImagAxis

第三章相關參數(shù)要求和檢測操縱儀表型號的挑選

3.1參數(shù)要求

依照老師的要求，我們小組的數(shù)據(jù)如下：圓柱形敞口儲液槽的截面直徑為13m，高為28m，生產(chǎn)過程中額定出口流量為36m^3/min。

依照動態(tài)物料平衡關系有

12dh

QQCdt

-=（2-1）將式（2-1）表示為增量形式

12dh

QQC

dt

??-?=（2-2）式中，1Q?、2Q?、h?——分不為偏離某一平衡狀態(tài)10Q、20Q、0h的增量；C——

水箱底面積。

22hQR??=

或22

hRQ?=?（2-3）式中，2R為閥2V的阻力，稱為液阻。

3.2儀表型號的挑選

經(jīng)過相關書籍和上網(wǎng)查詢資料，我們挑選檢測操縱儀表的型號，如下圖所示：

變送器

調節(jié)器

調節(jié)閥

YSZC-5

STB-4201

T40H

圖3-1儀表型號表

儀表名稱儀

表

型號

第四章液位操縱系統(tǒng)中PID算法操縱

數(shù)字PID操縱是在實驗研究和生產(chǎn)過程中采納最普遍的一種操縱辦法，在液位操縱系統(tǒng)中也有著極其重要的操縱作用。本章