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工业过程控制课程设计题 目: 基于组态软件的流量比值过程控制系统设计 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号：指导教师： 设计地点： 31-517 设计时间： 2011.6.25～2011.7.1工业过程控制课程设计任务书之七目录1 绪论 (1)2 设计目的与要求 (2)2.1 设计目的 (2)2.2 控制要求 (2)3.系统结构设计 (2)3.1 控制方案 (2)4 过程仪表选择 (5)4.1 流量检测传感器 (5)4.2 电动调节阀 (6)4.3 过程模块 (6)4.4变频器 (6)5 系统组态设计 (7)5.1 组态图 (7)5.2 组态画面 (8)5.3 数据字典 (10)5.4 应用程序 (11)5.5 动画连接 (14)6 结论 (14)摘要单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。
此文主要讲的是强碱氢氧化钠的单闭环流量控制法。
关键字：单闭环比值控制系统设计主副物料工业生产过程1 绪论在工业生产过程当中，有很多是要求两种或多种物料成一定比例关系，一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故，所以严格控制其比例，对于安全生产来说是十分重要的。
特别是在产品生产中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行生产，如果比例失调，轻则造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生人身伤害，给企业带来较大的损失。
实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统,称为比值控制系统.由于过程工业中大部分物料都是以气态,液态或混合的流体状态在密闭管道,容器中进行能量传递与物质交换,所以保持两种或几种物料的比例实际上是保持两种或几种物料的流量比例关系,因此比值控制系统一般是指流量比值控制系统.在需要保持比值关系的两种物料中,必有一种物料处于主导地位,这种物料称之为主物料,表征这种物料的参数称之为主动量。
换热器出口温度单回路控制(总11页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--1、概述换热器又叫做热交换器（heat exchanger），是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。
本次课程设计我要完成换热器出口温度单回路控制系统设计，单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个控制对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统，方框图如下：图1、单回路控制系统方框图单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产中得到广泛应用。
设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。
除被控对象的动静态特性外，对于工艺过程、设备等也需要比较深入的了解；在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送原件及检测位置，选用恰当的执行器、调节器以及调机器控制规律等；最后将调节器的参数整定到最佳值。
2、换热器温度控制原理以及控制方案的确定换热器温度控制过程有如下特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象组成的闭合回路。
被调参数经检测元件测量并由温度变送器转换处理获得测量信号，测量值与给定值的差值送入调节器，调节器对偏差信号进行运算处理后输出控制作用。
换热器温度控制系统的工艺流程如下：冷流体和热流体分别通过换热器的壳程和管程，通过热传导，从而使冷流体的出口温度升高。
冷流体通过循环泵流经换热器的壳程，出口温度稳定在设定值附近。
热流体通过多级泵流经换热器的管程，与冷流体热交换后流回蓄水池，循环使用。
从控制任务要求可知，换热器温度控制系统是单点、恒值控制。
且题目要求用单回路控制系统，控制范围和控制精度要求一般，功能上无特殊要求，采用广泛使用的PID 控制。
图2 PID 控制系统原理图PID 控制是偏差比例（P ）、偏差积分（I ）、偏差微分（D ）控制的简称。
单回路负反馈系统校正前系统的单位阶跃响应曲线程序num=[20];den=[0.0125 0.525 1 20];step(num,den);grid on;xlabel('t');ylabel('c(t)');title('Unit-Step Response of G(s)=20/(0.0125*s^3+0.525s^2+s+1)')图2.1.2校正前系统的单位阶跃响应曲线2.1.3校正前系统的波特图校正前波特图程序num=[20];den=[0.0125 0.525 1];w=logspace(-2,3,100);bode(num,den,w);grid on;title('Bode Diagram of G(s)=20/[s*(0.5s+1)*(0.025s+1)]')图2.1.3校正前的波特图校正前根轨迹图程序K=20;Z=[];P=[0 -2 -40];[num,den]=zp2tf(Z,P,K);rlocus(num,den);V=[-45 2 -25 25];axis(V);TITLE('Root-locus plot of G(s)=4.08(0.432s+1)/[s(0.088s+1)(0.5s+1)(0.025s+1)]'); xlabel('Re');ylabel('Im');图2.1.1校正前根轨迹图图2.1.4校正前的仿真图图2.1.5校正前的仿真阶跃响应曲线校正后系统的单位阶跃响应曲线num=[0 1.7626 4.0800];den=[0.0011 0.0587 0.6130 2.7626 4.08];step(num,den);grid on;xlabel('t');ylabel('c(t)');title('jlyC(s)/R(s)=20*0.204*(0.432*s+1)/((0.088*s+1)*(0.0125*s^3+0.525s^2+s+1)+20*0.204*( 0.432*s+1))');图2.3.3校正后系统的单位阶跃响应曲线2.3.4校正后的波特图校正后波特图程序num=[1.7626 4.0800];den=[0.0011 0.0587 0.6130 1.0000 0];bode(num,den);grid on;title('jlyC(s)/R(s)=20*0.204*(0.432*s+1)/((0.088*s+1)*(0.0125*s^3+0.525s^2+s+1)+20*0.204*( 0.432*s+1))');)图2.3.4校正后波特图图2.3.5校正后的仿真图图2.3.6校正后的仿真图校正后根轨迹图程序K=4.08;Z=[-1/0.432 ];P=[0 -1/0.088 -2 -40];[num,den]=zp2tf(Z,P,K);rlocus(num,den);V=[-45 2 -25 25];axis(V);TITLE('Root-locus plot of G(s)=4.08(0.432s+1)/[s(0.088s+1)(0.5s+1)(0.025s+1)]'); xlabel('Re');ylabel('Im');图2.3.2校正后的根轨迹图图3.1.3校正装置的仿真图图3.1.4校正装置的阶跃响应仿真图校正装置的仿真图及频率特性图图3.1.1校正装置的解阶跃响应曲线图图3.1.2校正装置的波特图。
DCS单回路控制系统设计样本DCS（分散控制系统）是一种用于工业过程控制的自动化系统。
它由多个分布式控制器组成，每个控制器负责一个或多个工艺设备或子系统的控制。
DCS系统具有高度的可靠性、可扩展性和可灵活性，可以适应各种不同的工业应用。
在设计DCS单回路控制系统时，需要考虑以下几个方面：1.控制策略设计：在设计过程中需要确定合适的控制策略，包括级联控制、比例控制、调节控制等。
根据具体的工艺要求和系统特点进行选择。
2.控制器选择：选择合适的控制器，通常使用可编程逻辑控制器（PLC）或分布式控制器（DCS）作为控制单元。
根据工艺的复杂程度和控制需求进行选择。
3.传感器选择：选择合适的传感器来获取过程变量的实时数据。
常用的传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等。
根据具体的工艺要求和控制对象选择合适的传感器。
4.操作界面设计：设计易于操作和直观的操作界面，方便操作人员进行监控和控制。
界面应包括过程变量的实时显示、报警和故障信息的显示等功能。
5.通信网络设计：设计合适的通信网络来连接各个分布式控制器和外部设备。
通常使用以太网作为主要通信方式，确保数据的及时传输和系统的高可靠性。
6.安全设计：设计相应的安全机制来确保系统的安全性。
包括设定访问权限、监控系统状态、设置报警和故障保护等。
7.故障诊断和维护：设计相应的故障诊断和维护功能，方便对系统进行故障排除和维护。
包括故障报警、日志记录、故障排查和系统备份等。
8.系统扩展性：考虑系统的未来扩展需求，设计模块化的系统结构以方便后续的升级和扩展。
在设计过程中，需要充分考虑工艺的特点和要求，并与现场运行人员和相关专业人员进行密切合作，确保系统设计的合理性和可行性。
最后，设计完DCS单回路控制系统后，需要进行相应的调试和测试工作，确保系统能够正常运行。
并进行系统的优化和改进，以提高系统的性能和稳定性。
整个设计过程需要充分考虑各个方面的要求，确保设计的DCS单回路控制系统能够满足工艺的要求，并提高工程的效率和品质。
单回路控制系统的工程设计方案1. 系统概述单回路控制系统是一种常见的控制系统形式，通常由传感器、执行器、控制器和系统输入/输出组成。
本文将详细介绍一个单回路控制系统的工程设计方案，包括系统硬件、软件和调试方案等。
2. 系统硬件设计2.1 传感器传感器是单回路控制系统的重要组成部分，用于将要控制的物理量转换为电信号。
在本设计方案中，我们选择了温度传感器作为示例。
温度传感器通常使用模拟输出，因此需要使用模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号。
我们将选择一个精度高、输出稳定的温度传感器，并通过ADC将其输出转换为数字信号。
2.2 执行器执行器用于根据控制信号执行相应的操作。
在本设计方案中，我们选择了一个简单的电机作为示例。
电机通常需要驱动电路来提供足够的电流和电压以实现正常运转。
我们将选择合适的电机型号，并设计一个驱动电路，以便根据控制信号控制电机的转动方向和速度。
2.3 控制器控制器是单回路控制系统的核心部分，它根据传感器的反馈信号和系统输入，计算出控制信号并输出给执行器。
在本设计方案中，我们选择了一个单片机作为控制器，并使用C语言编程来实现控制算法。
我们将选择合适的单片机型号，并编写相应的控制程序。
2.4 系统输入/输出系统输入用于接收外部的控制信号或命令，而系统输出用于向外部反馈控制结果。
在本设计方案中，我们选择了一个开关作为示例的系统输入，用于启动或停止控制系统。
系统输出将显示当前的温度值和电机的运行状态。
3. 系统软件设计3.1 控制算法控制算法是控制系统的灵魂，决定了系统如何根据传感器反馈来生成控制信号。
在本设计方案中，我们选择了经典的PID控制算法作为示例。
PID控制算法可以根据系统误差、误差变化率和误差累积值来计算出控制信号。
我们将在控制器程序中实现PID控制算法，并根据具体的需求进行调参。
3.2 控制器程序设计控制器程序设计是系统软件设计的关键部分。
在本设计方案中，我们将使用C语言来编写控制器程序，并根据具体的硬件和算法需求进行调整。
第五章单回路控制系统设计
⏹本章提要
1.过程控制系统设计概述
2.单回路控制系统方案设计
3.单回路控制系统整定
4.单回路控制系统投运
5.单回路控制系统设计原则应用举例
⏹授课内容
第一节过程控制系统设计概述
✧单回路反馈控制系统---又称简单控制系统, 是指由一
个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个
执行器所组成的．对一个被控变量进行控制的单回路
反馈闭环控制系统。
➢单回路反馈控制系统组成方框图:
➢简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运, 能满足一般工业生
产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛, 特别适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓, 或者控制质量要求不太高的场合。
➢过程控制系统设计和应用的两个重要内容: 控制方案的设计、调节器整定参数值的确定。
➢过程控制系统设计的一般要求:
●过程控制系统是稳定的, 且具有适当的稳定裕度。
●系统应是一个衰减振荡过程, 但过渡过程时间要短,
余差要小。
➢过程控制系统设计的基本方法:
设计方法很多, 主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、系统参数优化的计算机辅助设计等。
➢过程控制系统统设计步骤:
●建立被控过程的数学模型
●选择控制方案
●建立系统方框图
●进行系统静态、动态特性分析计算
●实验和仿真
➢过程控制系统设计的主要内容:
●控制方案的设计: 核心, 包括合理选择被控参数和控
制参数、信息的获取和变送、调节阀的选择、调节
器控制规律及正、反作用方式的确定等。
●工程设计: 包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪
表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。
●工程安装和仪表调校
●调节器参数工程整定: 保证系统运行在最佳状态。
第二节单回路控制系统方案设计
1.被控参数的选择
➢选取被控参数的一般原则为:
●选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和
环境保护具有决定性作用的, 可直接测量的工艺参数
为被控参数。
●当不能用直接参数作为被控参数时, 应该选择一个与
直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。
●被控参数必须具有足够大的灵敏度。
●被控参数的选择必须考虑工艺过程的合理性和所用仪
表的性能。
2.控制参数的选择
➢需要正确选择控制参数、调节器调节规律和调节阀的特性。
➢当工艺上允许有几种控制参数可供选择时, 可根据被控过程扰动通道和控制通道特性, 对控制质量的影响作出合理的选择。
所队正确选择控制参数就是正确选择控制通道的问题。
✧扰动作用-----由扰动通道对过程的被控参数产生影响,
力图使被控参数偏离给定性
✧控制作用-----由控制通道对过程的被控参数起主导影
响, 抵消扰动影响, 以使被控参数尽力维持在给定值。
➢在生产过程有几个控制参数可供选择时, 一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强, 动态响应要比扰动通道快。
➢可由过程静态特性的分析( 扰动通道静态放大倍数K f、控制通道静态放大倍数K o) 、过程扰动通道动态特性的分析( 时间常数T f、时延τf、扰动作用点位置) 、过程控制通道动态特性的分析( 时间常数T o、时延τ( 包括纯时延τ0、容量时延τc) 、时间常数匹配) 确定各参数选择原则。
➢根据过程特性选择控制参数的一般原则:
●控制通道参数选择: 选择过程控制通道的放大系数K o
要适当大一些, 时间常数T o要适当小一些。
纯时延τ0
愈小愈好, 在有纯时延τ0的情况下, τ0与T o之比应小—
些( 小于1) , 若其比值过大, 则不利于控制。
●扰动通道参数选择: 选择过程扰动通道的放大系数K f
应尽可能小。
时间常数T f要大。
扰动引入系统的位置
要远离控制过程( 即靠近调节阀) 。
容量时延τc愈大则
有利于控制。
● 时间常数匹配: 广义过程(包括调节阀和测量变送器)
由几个一阶环节组成, 在选择控制参数时, 应尽量设法把几个时间常数错开, 使其中一个时间常数比其它时间常数大得多, 同时注意减小第二、 第三个时间常数。
● 注意工艺操作的合理性、 经济性。
3.
系统设计中的测量变送问题 ➢ 被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化
情况, 为系统设计提供准确的控制依据。
➢ 测量和变送环节的描述:
s m m m m e s T K s W τ-+=
1)( ➢ 参数选择原则: 减小T m 和τm 均对提高系统的控制质量有
利。
若T m 较大, 则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态误差。
从减小测量变送环节误差角度考虑, 应减少仪表的量程, 即增大K m 。
➢ 系统设计测量和变送中涉及的问题:
●
信号滤波 ●
信号处理 ●
纯时延问题 ●
测量时延问题 ● 信号传送时延问题:
信号传递时延将降低控制质量。
对比可采取以下改进措
施:
i.若测量信号为电信号, 可将转换器安装在仪表盘附近,
以缩短气压信号的传送距离．
ii.若调节器输出为气压信号, 可在50～60 m距离间, 装一继动器, 提高气压信号的传输功率, 以减小传递时
间。
iii.若调节器输出为电信号, 应将转换器安装在调节阀附近, 或采用电气阀门定位器。
4.调节阀( 执行器) 的选择
➢调节阀类型的选择: 气动执行器和电动执行器
➢调节阀口径( D g、d g) 大小的选择: 主要依据是阀的流通能力。
正常工况下要求调节阀开度处于15％～85％之间。
➢调节阀气开、气关形式的选择: 主要以安全方面考虑。
➢调节阀流量特性的选择: 系统总的放大倍数尽可能保持不变, 一般被控过程的特性是非线性的(一阶以上特性), 而变送器、调节器(若比例作用时)和执行机构的放大系数是常数。
因此往往经过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性, 从而达到系统总放大倍数不变的目的。
5.调节器控制规律的选择
➢目的: 为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合, 使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的
要求。
➢ 调节器PID 控制规律对控制质量的影响:
● 当广义过程的时间常数较大, 纯时延较小时(即τ0／T o
很小), 引入微分作用其效果良好。
此时各类调节器控制规律对控制质量的影响为: 比例积分微分(PID)作用最好, 比例微分( PD) 作用较好, 比例( P) 作用次之, 比例积分( PI) 作用较差。
● 当过程控制通道时间常数较小, 而负荷变化很快, 引
入微分和积分作用均要引起系统振荡, 对控制质量的影响不利。
● 当过程控制通道时延很大, 负荷变化也很大时, 单回
路控制系统已不能满足工艺要求, 需采用其它控制方案。
➢ 调节器控制规律的选择原则: 根据
00T τ比值选择控制规律: ● 2.00
0<T τ时, 选用比例或比例积分控制规律; ● 12.000
<<T τ时, 选用比例积分或比例积分微分控制规律;
● 100
>T τ时, 单回路反馈控制系统已不能满足控制要求,
应根据具体情况, 采用其它控制方式。
根据过程特性选择控制规律:。
