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1、中南大学过程控制仪表课程设计报告设计题目 HPF脱硫工艺流程设计 指导老师 设计者 专业班级 设计日期 2011年6月 目 录第一章 过程控制仪表课程设计的目的与意义- 1 -1.1课程目的- 1 -1.2 课程设计的基本要求- 2 -1.3 课程设计的地位及作用- 2 -第二章 课程设计实验- 3 -2.1控制系统装置(压力控制系统)- 3 -2.2 控制系统的控制要求及PID参数整定方法- 5 -2.3 控制系统的实验调试- 6 -第三章 HPF脱硫工艺流程系统设计- 12 -3.1 控制系统工艺流程- 12 -3.2 设计内容及要求- 13 -第四章 系统设计构思- 14 -4.1 设计
2、思想- 14 -4.2 总体设计流程图- 15 -4.3 硬件设计概要- 15 -4.4 硬件选型- 15 -第五章 软件设计- 22 -5.1 软件设计流程图及其说明- 22 -第六章 系统调试中遇到的问题及解决方法- 27 -6.1 调试单闭环流量控制系统时遇到的问题- 27 -6.2 调试流量比值控制系统时遇到的问题- 28 -第七章 实验心得- 30 -第一章 过程控制仪表课程设计的目的与意义1.1课程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
3、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。课程设计的主要任务是设计工业生产过程经常遇到的压力、流量、水位及温度控制系统，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 课程设计的基本要求本课程设计主要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
4、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、水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（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、水位）设计其控制系统。1.3 课程设计的地位及作用在工程建设中对系统的分析与设计是一个极为重要的环节，是工程项目实施的依据。课程设计就是以模拟工程实践中的任务而进行的对学生综合能力的考核。在实际的工程设计中，没有一个成熟的工程设计思路，就不可能有
5、一个良好的实施结果，甚至会导致工程项目的失败。作为自动化专业的学生，除了要有坚实的理论基础外，还必须掌握一些扎实的工程方面的知识，才能成为合格的自动化工程技术人员。通过此次的课程设计，让我们能建立起过程控制工程设计的概念，对过程控制工程设计有一整体的了解。特别是在老师的指导下，进行自控工程设计的训练，使我们在毕业后走上工作岗位，如果在自控工程领域工作，可大大缩短熟悉的过程。可以说自控工程设计是我们过控专业学生的一项基本功，今后无论从事本学科领域的哪方面工作，都是极为有用的。课程设计是密切结合过程工业实际的实践环节之一，是学习完过程控制仪表课程后进行的一次全面的综合练习。其目的在于加深对过程控制
6、工程设计思想的理解，掌握过程控制领域常用和有效的控制方案和控制系统，掌握过程工业典型操作单元的控制方案和系统特点；并接受严格和系统的实验操作训练，从而为以后的毕业环节工作和担负实际工程任务打下良好和坚实的基础。第二章 课程设计实验本次课程设计实验是在液位、压力、流量等系统中进行选择，我们选择的是压力控制系统。2.1控制系统装置(压力控制系统)该装置由三个互相串联的不同大小的密闭压力容器和针型阀、压力及流量等检测变送仪表组成，配套的仪表屏上安装了控制、显示等仪表,并配有带连接信号插座孔的工艺模拟流程图。工艺过程模拟流程图如图2.1所示 。图2.1 带连接信号插座孔的压力装置工艺模拟流程图上图2.
7、1中，标有字母的方块为各种仪表，为各仪表输入、输出信号的单线接插件的插座孔（，插孔）。其中: C：控制器（调节器）。该装置配有三个单回路调节器C1、C2和C3，控制输出信号为420mA，每个调节器设有三对插座孔（，插孔）。其中:PV孔为测量值输入，SV孔为外设定输入或阀位反馈信号输入，O孔为调节器输出。R：记录仪为无纸3通道记录仪，输入信号420mA，其中R1孔为1号通道，R2孔为2号通道，R3孔为3号通道。每个通道有两个插座孔，其中上孔（）接变送器来的信号，下孔（）用来转接到其他仪表作为输入信号，注意不能接错。PT：压力变送器。压力变送器为LSYB，1号3号输入量程均为080KPa，变送输出
8、为420mA。VL：电子式电动调节阀为电子小流量调节阀，电动调节阀输入420 mA电流信号，对应阀门输出开度0100%。FT：流量计。流量计是一种为LGJ-6型的玻璃浮子流量计，输入流量为03m3/h，无信号变送输出，只有浮子指示。V12和I12 ：两路电压/电流转换器。其中V1为第1路电压输入信号端，I1 为第1路电流输出信号端，V2为第2路电压输入信号端，I2 为第2路电流输出信号端，O上孔（插孔）接电压/电流转换器来的正信号，下孔（插孔）接电压/电流转换器来的负信号，不能接错。本装置有三个检测变量（1号气罐、2号气罐、3号气罐罐内压力）， 可从中选择一至二个为被控变量。有两个可控制的变量
9、（两个经调节阀的压缩空气流量），一般，支路流量作为操作变量通路，支路则为扰动输入通路。 在确定被控变量、操作变量、主要扰动和控制方案后， 只要在模拟控制流程图上的插座孔进行不同的连接，就能方便、迅速地组成不同的控制回路。2.2 控制系统的控制要求及PID参数整定方法1. 控制系统的控制要求(1)理解PID控制算法及P、I、D各参数的含义及作用；(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)测取流量过程控制系统的动态、静态特性； 具体要求：超调量20%，调节时间Ts100s，余差1%2. PID参数整定一般原则(1)PID调
10、试方法一般原则: 在输出不振荡时，增大比例增益P。 在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。 在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。(2)PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照：压力P:P=3070%,T=24180s3. PID参数整定方法(1)首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，知道得到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围只内，并且响应曲线已属满意，那么只须用比例调节器即可。(2)如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将经第一步整定得到
11、的比例系数略微缩小，然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。再次过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。(3)若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节。在整定时，可先置微分时间TD为零。在第二步整定的基础上，增大TD，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。2.3 控制系统的实验调试1.压力简单闭环控制系统通常该装置可选择1号罐（2号或3号罐）压力为被控变量，组成压力简单控制系统。如图2.22.3为1号罐压力简单控制系统的带控制点工艺流程图和方
12、块图。图2.2 1号气罐压力简单控制系统的带控制点工艺流程图在上图2.2的压力控制系统中，被控变量是1号气罐罐内压力，设定值为50%（40Kpa），操作变量为支路1压缩空气流量，支路2则选作扰动输入，扰动的加入位置F1、F2及F3，可以选择控制截止阀开关。图2.3 1号气罐压力简单控制系统方块图根据图2.2,按照实验要求接线。确认无误后接通电源，按照课本要求设置PID智能控制调节器控制参数（包括二级参数）。（1）实验数据及分析只引入比例控制器 图2.4 只引入比例环节的响应曲线(P=100)图2.5 只引入比例环节的响应曲线（P=50）由上两图可知，比例带由大变小，比例系数由小变大时，系统静差
13、减小。但是单纯的引入比例控制器，尽管静差在减小，仍不能符合实验的要求，并且比例系数增大的同时，误差减小但并不能消除稳态误差，而且过大的比例系数会带来振荡，故根据实验曲线P调节到50。引入比例积分控制器图2.6 引入比例积分环节的响应曲线引入适当的积分环节后，由上图可明显看出，静态误差基本已消除，这也是积分环节的最大作用。在单纯比例环节的基础上，又进一步的调节比例带P值，在不影响响应时间的基础上，使得系统响应曲线的振荡减小。同时，为了使得调节时间能够满足实验要求，经过反复的调节，最后整定在P=42, I=15。（控制周期T=1S）53.88548.4图2.7 引入比例积分微分环节的响应曲线由图可
14、知，引入微分环节后，曲线并没有太多变化，反而在某些时候的扰动让系统不稳定起来，抗干扰能力减弱，故最后没有引入微分环节。（2）实验小结经过调节，最终PID整定为P=42,D=25,D=0,T0=2由图2.7可知： 超调量=（53.8-48)48*100%=12.1%; 调节时间为85s; 稳态误差=(48.4-48)48*100%=0.83%.2.压力串级控制系统主变量为3号气缸压力，副变量为1号气缸压力的压力串级控制系统，为了提高控制质量，选择3号气缸压力为主被控变量，1号气缸压力为副被控变量的串级控制方案，把支路1通道的阀前压力波动和F1扰动纳入副回路。其带控制点的工艺流程图和方块图如图3.83.9所示。图2.8 3号罐压力简单控制系统的带控制点工艺流程图图2.9 3号气缸压力串级控制系统的方块图（1）.实验数据及分析主回路参数整定图2.10 串级控制主回路参数整定先将主副回路的参数都设定为单闭环的参数（P=42，I=15，D=0）。根据串级控制的特点，主回路的参数整定与单闭环实验类似，不需要较大的改变。可见引入了副回路后，整个系统在抑制扰动方面的能力有了很大的提升。但副回路参数的整定尚未进行，使得整个系统的超调量及稳态误差都比较大，并且调节时间明显增长了。副回路参数整定54.512048.8图2.11 串级控制副回路参数整定由图可知，在对副回路进行参数整定后，其性能有了明显
