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1、吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 1 页 共 12 页第 1 章 绪 论1.1 过程控制系统以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。1.2 基本信息在石油、化工、冶金、电力、轻工和建材等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制称为生产过程自动化。生产过程自动化是保持
2、生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段,是 20 世纪科学与技术进步的特征,是工业现代化的标志。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制就称为过程控制。过程控制系统（process control systems）可以分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。随着工业生产规模走向大型化、复杂化、精细化、批量化，靠仪表控制系统已很难达到生产和管理要求，计算机过程控制系统是近几十年发展起来的以计算机为核心的控制系统。过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20 世纪 50 年代，过程控制主
3、要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60 年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70 年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。以表征生产过程的参数为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。例如，锅炉中蒸汽的产生、分馏塔中原油的分离等。表征过程的主要参数有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参数的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。例如，化学反应器中催化剂的注入需要等到反应物
4、升温至一定数值后才能开始，操作必须遵守严格的顺序。顺序控制常采用可编程序逻辑控制器来实现。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 2 页 共 12 页在实际生产过程中，往往有多个参数（被控量）需要控制,又有多个变量可用作控制量。在很多情况下,被控量与控制量之间呈现出交互影响的关系，每个控制量的变化会同时引起几个被控量变化。这种变量间的交互影响称为耦合。耦合的存在会使过程控制系统变得复杂化。简化控制系统结构的一种方法是采用解耦控制（见解耦控制问题） ，通过引入某种补偿网络或补偿通道把一个有耦合的多变量过程化成一些无耦合的单变量过程来处理，或者经过适当的变换和处理以减小耦合影响。多变量频域方
5、法是研究和设计多变量耦合过程控制系统的一种有效工具。过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。50 年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参数保持不变,从而保证产量和质量稳定。60 年代,随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。它具有 5 个层次的功能：1.调度；2.操作模式确定；3.质量控制；4.反馈控制(自动调节)和顺序控制；5.故障的防止和弥补。80 年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。过程信息系统在操作员与自动化系统之间提供了人机交互功能，各种显示屏幕能显示过程设备的状态、报警和过程变量数值的流程图，并能在屏幕
6、的一定区域显示过去的信息。过程信息系统还能统一处理销售、设计、内部运输、存储、包装、行情调查、会计、维修、管理等环节的信息，沟通企业内部和企业内外的信息，并能根据使用人员的需要有选择地提供信息报告。例如，顾客的订货单可在门市部送到信息系统中而立即传送到信息系统的生产调度部门。1.3 系统发展随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。本世纪 30 年代就已有应
7、用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 3 页 共 12 页程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能
8、控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。1.4 发展趋势计算机控制系统以其特有的优势和强大的功能,已在过程控制领域得到广泛的应用。同时,随着计算机软硬件技术和通讯技术的飞速发展,新的控制理论和新的控制方法也层出不穷。展望未来,它的发展趋势有以下几个方面：1.大力推广应用成熟的先进技术。普及应用具有智能 I/O 模块的、功能强、可靠性高的可编程控制器(PLC),广泛使用智能化调节器,采用以位总线(Bitbus)、现场总线(Fieldbus)技术等先进网络通讯技术为基础的新型 DCS 和
9、 FCS 控制系统。2.大力研究和发展智能控制系统。智能控制是一种无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的过程,也是用机器模拟人类智能的又一重要领域。智能控制系统的类型主要包括:分级梯阶智能控制系统、模糊控制系统、专家控制系统、学习控制系统、人工神经网络控制系统和基于规则的仿人工智能控制系统等。3.控制与管理结合,向低成本自动化(LowCostAutomation,LCA)方向发展。LCA 是一种以现代技术实现常规自动化系统中的主要的、关键的功能,而投资较低的自动化系统。在 DCS 和 FCS 的基础上,采用先进的控制策略,将生产过程控制任务和企业管理任务共同兼顾,构成计算机集成控制系
10、统(CIPS),可实现低成本综合自动化系统的方向发展。总之,由于计算机过程控制在控制、管理功能、经济效益等方面的显著优点,使之在石油、化工、冶金、航天、电力、纺织、印刷、医药、食品等众多工业领域中得到广泛的应用。计算机控制系统将会随着计算机软硬件技术、控制技术和通讯技术的进一步发展而得到更大的发展,并深入到生产的各部门。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 4 页 共 12 页第 2 章 设计目的要求及步骤2.1 设计目的通过课程设计使学生将课本中所学的专业知识应用于设计实践，以巩固课堂学的专业知识，为今后的毕业设计打下良好的基础。1.了解水箱液位控制系统的组成及控制原理。2.了解 P
11、ID 整定和调试过程。3.了解过程控制系统设计的基本原则、内容与一般步骤。2.2 设计任务1、选择控制方案。2、绘制双容液位控制系统框图。 3、确定系统传感与变送器的选择、数据采集系统、控制电路等。4、说明系统工作原理，求出被控对象的传递函数，画出控制系统动态结构图。 5、完成系统调试、实验。要求有调试步骤的说明，试验过程的说明，试验数据、过程曲线。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 5 页 共 12 页第 3 章 PID 控制器参数整定3.1 确定控制器参数数字 PID 控制器控制参数的选择，可按连续-时间 PID 参数整定方法进行。在选择数字 PID 参数之前，首先应该确定控制器
12、结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择 P 或 PD 控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的 PI 或 PID 控制器。一般来说，PI、PID 和 P 控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。3.2 选择参数控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我
13、们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。PID 控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID 控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。3.3 实验方法的选择3.3.1 实验凑试法实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定 PID 控制参数。整定步骤：实验凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分“。1.整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。2.整定积分环节吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计
14、第 6 页 共 12 页若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的 5080，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。3.整定微分环节若经过步骤（2） ，PI 控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成 PID 控制。先置微分时间 TD=0，逐渐加大 TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和 PID 控制参数。3.3.2 实验经验法扩充临界比例度法实验经验法调整 PID 参数的方法中较常
15、用的是扩充临界比例度法,其最大的优点是，参数的整定不依赖受控对象的数学模型，直接在现场整定、简单易行。扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象，是对连续-时间 PID 控制器参数整定的临界比例度法的扩充。扩充比例度法整定数字 PID 控制器参数的步骤是：1.预选择一个足够短的采样周期 TS。一般说 TS 应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。2.用选定的 TS 使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用，将控制选择为纯比例控制器，构成闭环运行。逐渐减小比例度，即加大比例放大系数 KP，直至系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡（稳定边缘） ，将这时的比例放大系数记为 Kr,临界振荡周期记为 Tr。3
16、.选择控制度。控制度，就是以连续-时间 PID 控制器为基准，将数字 PID 控制效果与之相比较。通常采用误差平方积分作为控制效果的评价函数。定义控制度采样周期 TS 的长短会影响采样-数据控制系统 的品质，同样是最佳整定，采样-数据控制系统的控制品质要低于连续-时间控制系统。因而，控制度总是大于 1 的，而且控制度越大，相应的采样-数据控制系统的品质越差。控制度的选择要从所设计的系统的控制品质要求出发。4.查表确定参数。根据所选择的控制度得出数字 PID 中相应的参数 TS,KP,TI 和TD。5.运行与修正。将求得的各参数值加入 PID 控制器,闭环运行,观察控制效果,并作适当的调整以获得比较满意的效果。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 7 页 共 12 页第 4 章系统调试及实验4.1 电动调节阀电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。有方工阀门其是一种新型材料，随着工业领域的自动化程度越来越高， 正被越来越多的应用在各种工业生产领域中。与传统的气动调节阀相比具有明显的优点：电动调节阀节能（只在工作时才消耗电能） ，环保（无碳排放） ，安装快捷方便（
