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过控课设
中南大学
《过程控制系统》
课程设计报告
设计题目液位控制系统设计
指导老师吴同茂
设计者肖斯凡
专业班级自动化12级班0909120813号
设计日期2015年9月
目录
第一章过程控制系统设计的目的意义1
1.1设计目的1
1.2课程在教学计划中的地位和作用1
第二章液位控制系统实验控制设计与调试2
2.1液位控制系统的工艺及控制要求2
2.2液位系统控制实验方案设计3
2.3系统调试与控制效果4
第三章单容水箱液位恒值控制系统设计5
3.1单容水箱液位控制要求5
3.2系统总体方案设计5
3.3系统硬件设计5
3.4系统软件设计5
第四章收获、体会和建议10
参考文献11
第一章过程控制仪表设计的目的意义
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。
其主要是设计工业生产过程经常遇到的压力、流量、液位及温度控制系统,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。
1.2课程在教学计划中的地位和作用
课程设计对过程控制课程有重要的实践意义,可以加深学生对所学知识的理解与运用。
主要的内容是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计,掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法,进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力,进而提高学生解决实际工程问题的能力。
基本要求如下:
1. 掌握变送器功能原理,能选择合理的变送器类型型号;
2. 掌握执行器、调节阀的功能原理,能选择合理的器件类型型号;
3. 掌握PID调节器的功能原理,完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统的总体设计,并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。
4. 通过对一个典型工业生产过程进行分析,并对其中的一个参数(如温度、压力、流量、液位)设计其控制系统。
以上的课程设计要求充分地结合了教材理论知识,将理论上的常用工程设计过程运用到了课程设计之中。
从整个系统的角度讲,课程将过程控制硬件系统,软件系统同书本中的理论知识有机地结合起来了,使学生要选定一个具体的工艺过程控制,从底层基本的器件选型到顶层高级的目标控制一步步实现,使我们体会到一个系统的具体构建过程,体验了过程控制系统的基本设计思路,提高了系统设计能力。
可见,课程设计对我们学习这门课有着启发性与重大的指导性意义。
第二章液位控制系统实验控制设计与调试
2.1液位控制系统的工艺及控制要求
1.液位控制系统的工艺
该装置由三个大小相同的容器、液位检测变送仪表以及执行机构组成,仪表屏上配有带连接信号插座孔的整个工艺过程模拟流程图,调节控制仪等、其具体的工艺模拟流程图如图所示
图2.1中具体符号含义如下
C:
控制器(t调节器)。
该装置配有三个单回路调节器C1,C2,C3,控制输出信号为4~20mA
PV为测量值输入,SV为外给定输入或者阀位反馈信号输入,O孔为调节器输出。
R:
记录仪为无纸记录仪,输入4~20mA,分为R1~R3三个通道
HT:
液位变送器。
液位变送器为LSRY或LSRT,1#~3#输入量程均为0~100mH0,变送器输出为4~20mA。
VL:
电子调节阀为电子小流量调节阀,电动调节阀输入为4~20mA电流信号,对应调节阀输出开度为0~100%。
V1~2与I1~2:
两路电压/电流转换器。
V1为电压输入,I1为电流输出,V2为第二路电压输入,I2为第二路电流输出。
三级串联水箱由三个水箱组成,稳压水由两路经过电动调节阀VL1和VL2以及手动阀V1~V6,分别流入三个水箱,调节阀VL1和VL2可以作为控制回炉的执行机构,另一个用于产生干扰信号。
通过使用不同的控制执行机构与手动阀,结合具体的控制水箱的液位,就可以构成一阶,二阶和三阶系统。
在具体确定控制参数时,可以使用以下方法
(1) 掌握PID控制算法及P、I、D参数的含义及功能;
(2) 用工程的方法(看曲线,调参数)整定调节器控制规律及PID参数,并观
察PID参数对系统动态、静态性能的影响。
(3) 测取液位串级过程控制系统的动态、静态特性;
体现在不同的控制系统中有如下具体要求:
超调量σ<20%,调节时间Ts≤100s,稳态误差%1,在实际确定控制系统的性能时,可以根据具体情况确定控制性能。
2.2液位系统控制实验方案设计
根据具体的控制对象的要求,我们把液位控制系统设计为单回路控制系统
单回路控制系统由以下四个部分组成:
(1)被控对象-水箱
(2)电子阀 (3)
液位变送器 (4)PID智能调节器。
其控制系统的方块图如图
系统被控制量是水箱的液位sv,调节参数是流入水箱的水流量Q,水箱液位由液位变送器检测得到液位反馈信号pv,它和液位设定信号进行比较,得到偏差信号ek,调节器对输入偏差ek进行PID运算, 输出变化量uk控制信号, 控制电子调节阀的液位,改变调节参数Q,使被调参数pv保持在设定值,系统中sv为给定信号。
根据实验装置,结合具体的控制对象的液位可以构成一阶系统。
2.3系统调试与控制效果
对于一阶控制系统,根据液位控制系统的特点采用PI控制,根据P与I的控制特点,先把PI加大,找到合适的P,然后根据实际的响应曲线再把I逐渐调小,以此来达到我们的控制效果。
通过不断地调试,我们最终确定了控制参数为 P = 0.025, I = 80,系统的调节时间为90s,超调量为0.05 得到的响应曲线如下
在调节整个系统的参数,基本的原则如下:
参数整定找最佳,从小到大顺序查
先是比例后积分,最后再把微分加
曲线振荡很频繁,比例度盘要放大
曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳
曲线偏离回复慢,积分时间往下降
曲线波动周期长,积分时间再加长
曲线振荡频率快,先把微分降下来
动差大来波动慢。
微分时间应加长
理想曲线两个波,前高后低4比1
一看二调多分析,调节质量不会低
通过对参数的调节,加深了对P,I,D的作用的认识,同时也积累了在工程实际中如何具体来调节P,I,D参数的经验。
第三章单容水箱液位恒值控制系统设计
3.1单容水箱液位控制要求
1)以单个水箱作为被控对象,微机作为控制器,液位表座位检测单元,电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统,实现对水箱液位的恒值控制。
2)控制器采用PID算法,各项控制性能满足要求:
超调量σ<20%,调节时间Ts≤100s,稳态误差%1
3)组态控制界面上,实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值:
实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线;并能显示历史曲线。
4)选择合适的PID参数,并能在组态测控界面上实时改变PID参数;
5)功过MCGS组态软件实现程序设计与调试
6)分析系统基本控制特性,并得出相应的结论
3.2系统总体方案设计
因为第一次独立设计过控控制系统,时间紧,所以使用单回路闭环控制,系统图如下
控制方法之前已有说明
3.3系统硬件设计
系统控制器选择了微机控制,用电脑设计程序与监控软件,并通过串口连接水箱的仪表和电动阀,读取液位并给出阀门开度,硬件结构简单,稳定性好,微机性能好,并且便于操作。
3.4系统软件设计
系统采用MCGS组态软件进行监控软件的设计,并将程序写入其中。
下图为监控系统界面
从界面可看出,该操作系统功能完善,可以监测当下所有信息,并可通过曲线图观察控制性能。
下面将示例如何实现各个操作功能
1)最为核心的PID算法,我采用了带死区的PID控制:
suk=kp*(ek-ek1)+kp*t/ti*ek+kp*td/t*(ek-2*ek1+ek2)
IFek<0.2ANDek>-0.2THEN
suk=0
ENDIF
uk=uk+suk
ek2=ek1
ek1=ek
ek=sv-pv
该公式为增量式pid算法,通过给定的pid值,与三次的误差值进行计算,得到阀门的增量。
在误差小于0.2范围时,认为是死区,增量为0,阀门停止动作,避免在死区内阀门动作造成的震荡。
2)IFpv>90THEN
液位上限=1
ELSE
液位上限=0
ENDIF
IFpv<10THEN
液位下限=1
ELSE
液位下限=0
ENDIF
这段为报警程序,当液位达到上限或者下限时,置1相对应变量值,令报警灯闪烁报警。
3)IF手自动=1THEN
……
uk1=uk*100
ELSE
uk=uk1/100
ENDIF
该程序为手自动切换程序,自动状态下执行pid操作,手动状态下可以直接赋值给定阀门开度。
其中,当手自动切换时,通过阀门开度的互相幅值,可以实现无扰动切换,系统稳定性增加。
4)IFuk>1THEN
uk=1
ENDIF
IFuk<0.2THEN
uk=0.2
ENDIF
阀门开度死区的设置,下限为20%,上限为100%,避免下限太低导致系统响应延迟。
总程序:
IF手自动=1THEN
suk=kp*(ek-ek1)+kp*t/ti*ek+kp*td/t*(ek-2*ek1+ek2)
IFek<0.2ANDek>-0.2THEN
suk=0
ENDIF
uk=uk+suk
ek2=ek1
ek1=ek
ek=sv-pv
IFuk>1THEN
uk=1
ENDIF
IFuk<0.2THEN
uk=0.2
ENDIF
uk1=uk*100
ELSE
uk=uk1/100
ENDIF
IFpv>90THEN
液位上限=1
ELSE
液位上限=0
ENDIF
IFpv<10THEN
液位下限=1
ELSE
液位下限=0
ENDIF
启动脚本:
kp=0.025
ti=80
td=0
ek1=0
ek2=0
ek=pv
uk=0.2
suk=0
t=1
第四章收获、体会和建议
经过将近一个星期的课程设计报告的编写,我又重新复习了一遍过程控制与微机控制中的相关理论知识,并根据理论知识,结合液位控制系统的实际,去网上查找相关资料,从对控制系统的学习认识到整个系统的软件设计,对控制系统的性能以及可靠性做了许多思考,使我加深了对过程控制系统的认识,增强自主设计控制系统。
在这个过程中,我了解并逐渐学会了如何根据具体的控制要求设置合适的控制变量,如何根据具体的被控对象调节合适的pid参数,并认识了在过程控制系统中的常见问题。
同时在软件设计中,通过运用计算机控制技术中学到控制方面的知识,结合自己在之前过控仪表实验中学到的知识设计了组态软件系统,在这个过程中,对于增量运算,位置输出形式的PID控制有了更直观的认识,同时也认识了各种控制系统各自的特点与优缺点,使自己对控制理论有了一个更深入的理解。
在实际的实验调试过程中,我调试了液位单回路一阶控制系统。
通过对系统的调试,我所获不仅是对控制理论的认识,而且也体会了在实际工程中调试系统参数的过程。
在调节单回路控制系统时,根据课本上介绍的调节PID参数的过程,我先将I设置为无穷大,D参数设置为0,然后来调节P参数,本来可以预期得到书本中的现象,但在实际的调试过程中,我发现并不是我想象的那样,实际的物理效果跟书本中的不是一回事,按照书本中那样在只调节P参数时候会出现有超调,并且响应时间较快的现象,我根本没有看到。
尽管后来调试出了一点效果,但是却是费了很大周折的。
在实验室学姐的指导下,我才发现实际中单独用一个比例根本不可能出现书中描述的效果,而是要增加一个I才有那种效果。
而且在实际的工业现场,我们使用的一般是PI调节,而不是PID调节器,主要就是因为引入D控制后,系统抗干扰能力下降,而在现场是存在大量的干扰的。
通过这样一个简单的举例,我想说明通过实际的调试,我加深了对书本与实际的区别,在我们的学习中,应该将实际与理论结合起来,理论是与实际有一定的差距。
这是我学到的最有价值的知识。
在我设计这个控制系统中,由于时间的限制和个人知识的局限,在设备上虽然可以设计出更复杂的控制系统,但是对系统算法和程序还要进一步设计。
同时在软件上面没有考虑到抗干扰,这是整个控制系统应该改进的地方。
同时在整个课程设计中,由于缺少了对更复杂的控制系统的调试,因此对自己单回路的系统性能没有一个充分的认识,这样就没法对各种控制方法进行一个实际的对比,这是这个课程设计最大的缺陷。
建议在后面的课程设计中最好多给点时间让我们有机会设计更复杂的控制系统,这样不但能加强自己的设计能力,同时也掌握了设计系统的能力。
参考文献
《过程控制及其MATLAB实现(第2版)》***********方康玲,电子工业出版社
《计算机控制工程》**********陈宗海、王雷,中国科学技术大学出版社
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- 控课设