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1、. . . 目录1 设计目的与要求21.1 设计目的22 自来水生产工艺.32.1 生产工艺32.2 生产工艺流程图43 系统结构设计53.1 控制方案53.2 系统结构54被控变量与控制变量选择54.1被控变量选择原则54.2控制变量选择原则64.3本系统被控变量与控制变量的选择75检测环节设计75.1检测环节设计原则75.2本系统检测环节设计86执行器设计86.1执行器设计原则86.2本系统执行器设计97调节器设计97.1调节器正反作用选取97.2调节器规律的选择107.3调节器参数整定11心得体会12参考文献.13. . 自来水厂流量控制系统的设计1 设计目的与要求1.1 设计目的 如图
2、，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，对自来水厂用泵将水打入水槽（泵1和泵2同时用），以备下一道工艺生产需要，进行设计将流量控制在5003立方米/小时，以满足要求。1.2 要求完成的主要任务 1、了解对象及自来水厂生产工艺2、绘制流量控制系统方案图3、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数4、撰写系统调节原理及调节过程说明书2 自来水厂生产工艺2.1 生产工艺 众所周知，由于自然因素和人为因素，原水里含有各种各样的杂质。从给水处理角度考虑，这些杂质可分为悬浮物、胶体、溶解物三大类。城市水厂净水处理的目的就是去除原水中这些会给人类健康和工
3、业生产带来危害的悬浮物质、胶体物质、细菌及其他有害成分，使净化后的水能满足生活饮用及工业生产的需要。市自来水总公司水厂采用常规水处理工艺，它包括混合、反应、沉淀、过滤及消毒几个过程。 （1）混凝反应处理 原水经取水泵房提升后，首先经过混凝工艺处理，即： 原水 + 水处理剂 混合 反应 矾花水 自药剂与水均匀混合起直到大颗粒絮凝体形成为止，整个称混凝过程。常用的水处理剂有聚合氯化铝、硫酸铝、三氯化铁等。市使用的是碱式氯化铝。根据铝元素的化学性质可知，投入药剂后水中存在电离出来的铝离子，它与水分子存在以下的可逆反应： Al3+ + 3H2O Al(OH)3 + 3H+ 氢氧化铝具有吸附作用，可把水
4、中不易沉淀的胶粒及微小悬浮物脱稳、相互聚结，再被吸附架桥，从而形成较大的絮粒，以利于从水中分离、沉降下来。 混合过程要求在加药后迅速完成。混合的目的是通过水力、机械的剧烈搅拌，使药剂迅速均匀地散于水中。 经混凝反应处理过的水通过道管流入沉淀池，进入净水第二阶段。 （2）沉淀处理 混凝阶段形成的絮状体依靠重力作用从水中分离出来的过程称为沉淀，这个过程在沉淀池中进行。水流入沉淀区后，沿水区整个截面进行分配，进入沉淀区，然后缓慢地流向出口区。水中的颗粒沉于池底，污泥不断堆积并浓缩，定期排出池外。 （3）过滤处理 过滤一般是指以石英砂等有空隙的粒状滤料层通过黏附作用截留水中悬浮颗粒，从而进一步除去水中
5、细小悬浮杂质、有机物、细菌、病毒等，使水澄清的过程。 （4）滤后消毒处理 水经过滤后，浊度进一步降低，同时亦使残留细菌、病毒等失去浑浊物保护或依附，为滤后消毒创造良好条件。消毒并非把微生物全部消灭，只要求消灭致病微生物。虽然水经混凝、沉淀和过滤，可以除去大多数细菌和病毒，但消毒则起了保证饮用达到饮用水细菌学指标的作用，同时它使城市水管末梢保持一定余氯量，以控制细菌繁殖且预防污染。消毒的加氯量（液氯）在1.0-2.5g/m3之间。主要是通过氯与水反应生成的次氯酸在细菌部起氧化作用，破坏细菌的酶系统而使细菌死亡。消毒后的水由清水池经送水泵房提升达到一定的水压，在通过输、配水管网送给千家万户。 2.
6、2 生产工艺流程图首先从泵房将水打到水池，经初滤，再加水沉淀剂聚合、过滤得到清水，加氯气消毒（小水厂加二氧化氯），将水储入清水池备用，再经高压泵压出供水。流程图如图2-1所示。进水泵-蓄水池-澄清池-过滤池-加药池-过滤池-澄清池-出水泵图2-1 自来水厂生产工艺流程图3 系统结构设计3.1 控制方案 整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID控制规律（见附录A和附录B），调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成如下图3-1所示。当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道将水送到水箱，由HB返回信号，判
7、断是加大调节阀流量还是减小调节阀流量。若需要加大（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而保证流量控制在5003立方米/小时；若不需要，则通过电磁阀使流量保持或减小。3.2 系统结构过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图3-1。图3-1 流量单回路控制系统框图4被控变量与控制变量选择4.1被控变量选择原则根据被控参数的选择与生产工艺密切相关，被控参数的选择通常有两种方法。一种是选择能直接反映生产过程中产量和质量，又易于测量的参数作为被控参数，称为直接参数法。如果生产过程是按质量指标进行控制，按理应以
8、直接反映产品质量的变量作为被控参数，但有时由于缺乏检测直接反映产品质量参数的有效手段，无法对产品质量参数进行直接检测；虽能检测，但检测信号很微弱或滞后很大，直接参数检测不能及时、正确地反映生产过程的实际情况。这时可以选择与质量指标有单值对应关系、易于测量的变量作为被控参数，简介反映产品质量、生产过程的实际情况。在选择被控参数时，还要求所选参数有足够的灵敏度。选取被控参数的基本原则是首先考虑选择对产品产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用、可直接测量的工艺参数为被控参数；当直接参数不易测量，或其测量之后很大时，应选择一个易于测量，与直接参数有单值关系的简接参数作为被控参数；同时兼
9、顾工艺上的合理性和所用仪表的性能及经济性。4.2控制变量选择原则设计单回路控制系统时，选择控制变量的原则可归纳为以下几条：1)控制变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。2)控制变量一般应比其他干扰对被控参数的影响灵敏。为此，应通过合理选择控制变量，使控制通道的放大系数大、时间常数小、纯滞后时间越小越好。3)为使干扰对被控参数的影响小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。扰动引入系统(控制通道)的位置要远离被控参数，尽可能靠近调节阀(控制器)。4)被控过程存在多个时间常数，在选择设备及控制参数时，应尽量使时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大很多，同时注意减小其他时间常
10、数。这一原则同样适用于控制器、调节阀和测量变送器时间常数的选择。控制器、调节阀和测量变送器(三者均为系统控制通道中的环节)的时间常数应远小于被控过程中最大的时间常数(这个时间常数一般难以改变)。5)在选择控制变量时，除了从提高控制品质的角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产效率及生产过程的经济性。一般不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量或者用户的需求，不允许控制。另外，从经济性考虑，应尽可能地降低物料与能量的消耗。4.3本系统被控变量与控制变量的选择由设计任务和以上分析可知，本系统要求维持出口水流量恒定，并且出口流量也是易于检测的，所以选择出口水流量作为该系统的被控变
11、量。在选择控制变量时，要从所有允许控制的变量中尽可能地选择一个对被控参数影响显著、控制性能好的输入变量作为控制变量。水的流量是较易于控制的，通过调节阀就可以控制住，所以选择水的流量作为本系统的控制变量。5检测环节设计5.1检测环节设计原则过程控制系统中的检测元件指的是用于参数检测的传感器、变送器。传感器、变送器完成对被控参数以及其他一些参数、变量的检测，并将测量信号传送至控制器。测量信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数迅速、准确地测量是实现高性能控制的重要条件。下面介绍传感器、变送器选择的一些原则及使用中应注意的一些事项。(1)传感器、变送器测量围与精度等级的选择在控制系统设计时，对要检测
12、的参数和变量都有明确的测量精度要求，参数与变量可能的变化围一般都是已知的。因此，在传感器与变送器的选择时，应按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量围与精度等级。(2)尽可能选择时间常数小的传感器、变送器传感器、变送器都有一定的响应时间，特别是测温元件。这些时间和纯滞后必然造成测量滞后；对于气动仪表，由于现场传感器与控制室仪表间的信号通过管道传递，还存在一定的传送滞后。因此，控制系统中测量环节的常数不能太大，最好选用惰性小的快速测量元件。必要时，可以在测量元件之后引入微分环节，利用它的超前作用来补偿测量元件引起的动态误差。对于传送滞后较大的气动信号，一般气压信号管路不能超过30
13、0m，直径不能小于6mm，或者用阀门定位器、气动放大器增大输出功率，以减小传送滞后。在可能的情况下，现场与控制室之间的信号尽量采用电信号传递，必要时可用气-电转换器将气信号转换为电信号，以减小传送滞后。(3)合理选择检测点，减小测量纯滞后要合理地选择测量信号的检测点，避免由于传感器安装位置不合适引起的纯滞后。纯滞后使测量信号不能及时反映被控变量的变化，从而使控制品质降低，所以在选定测量传感器的安装位置时，一定要注意尽量减小纯滞后。另外，检测位置的选择还要使检测参数能够真实反映生产过程的状态，因此，尽量将传感器安装在能够直接代表生产过程状态的位置。(4)测量信号的处理1)测量信号校正与补偿。测量
14、某些参数时，测量值要受到其他参数的影响，为了保证测量精度，需要进行校正与补偿处理。2)测量噪声的抑制。在测量某些过程参数时，由于其本身特点和环境干扰的存在，测量信号中含有干扰噪声，如不采用措施，将会影响系统控制等质量。3)测量信号的线性化处理。一些检测传感器的非线性，使传感器的检测信号与被测参数间呈非线性关系。在系统设计时，应根据具体情况确定是否进行线性化处理。5.2本系统检测环节设计流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。根据本试验装置的特点，采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量0.03m3/h,压力1.6Mpmax,4-20mA标准信号输出。可与显示，记录仪表，积算器或调节器配套。避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点，确保实验效果能达到教学要求。主要优点：1）采用整体焊接结构，密封性好；2）结构简单可靠，部无活动部件，几乎无压力损失；3）采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定；4）仪表反映灵敏，输出信号与流量呈线性关系,量程比宽；（2）流量转换器采用LDZ-4型电磁流量传感器配套使用，输入信号：00.4mV输出信号：420mA DC, 许负载电阻为0750欧姆，基本误差：输出信号量程的0.
