毕业设计(论文)-单回路控制系统实验设计.doc
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1、学 院毕 业 设 计(论 文)说 明 书题 目:单回路控制系统实验设计系 别:系专业班级:自动化级班学生姓名:指导教师:教 研 室:自动化教研室 提交时间:2011年月 日单回路控制系统实验设计摘 要 I- -通过对控制工程课程中单回路控制系统理论知识的介绍,说明了单回路控制系统的重要地位。介绍了单回路控制系统原理结构及其操作,并对参数设置作了分析;介绍了PCT-1型过程控制实验装置的结构,然后通过PCT-1型过程控制实验装置完成对单回路控制系统实验设计;完成该实验,可以使学生们掌握单回路控制系统的控制方案选择,调节器正反作用选择,PID参数整定方法等理论知识的学习。关键词: 单回路控制系统,
2、PID参数整定,控制方案选择,系统投运,实验设计。ABSTRACTBy the presentation of single-loop control system theory knowledge in control engineering, illustrate the single-loop control systems importance. Introduced the principle structure and operation of the single-loop control system, and make the analysis for the pramere
3、r settings. Introduce the structure of process control experimental facility typed PCT-1, the accomplish the designment of single-loop control system experiment through the process control experiment facility typed PCT-1, finish the experiment, It can let the student to grasp the selection of contro
4、l projiects of single-loop control system, and the regulators positive and negative reaction. Students can also learn the method about the PID parameter settings. KEY WORDS: single-loop control system, define the parameter of PID, select the control project, the operation of system, design the exper
5、iment -目录摘 要IABSTRACTII第1章 引 言1第2章 单回路控制系统的地位2第3章 单回路控制系统设计33.1 单回路控制系统组成33.2 单回路控制系统设计概述43.3 单回路控制系统方案设计43.3.1 被控变量的选择43.3.2 操纵变量的选择53.3.3 传感器、变送器的选择63.3.4 调节阀(执行器)的选择73.3.5 调节器控制规律的选择73.3.6 调节器正、反作用的确定83.4 单回路控制系统参数整定83.4.1 单回路控制系统整定的概述83.4.2 临界比例度法93.4.3衰减曲线法103.4.4 经验法11第章 单回路控制系统的投运13第章 单回路控制系统
6、实验145.1 实验室硬件设备介绍145.2 单回路控制系统实验205.2.1实验目的205.2.2实验内容205.2.3单回路控制系统投运23第章 结束语24致 谢25参考文献26附 录1 实验室规则27附 录2 单回路控制系统实验设计28第1章 引 言现代工业生产过程,随着生产规模的不断扩大,生产过程的强化,对产品质量的严格要求,人工操作与控制已远远不能满足现代化生产的需要,工业过程控制系统已成为工业生产过程必不可少的设备,因此自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的;过程控制技术是自动化技术的重要应用领域。其中单回路控制系统作为自动控制系统基础理论知识有着重要的实际意义。单回路控
7、制系统又称简单控制系统,它是只有一个检测元件或变送器,一个控制器,一个执行器连同被控对象,对一个被控参数进行控制的反馈闭环控制系统,如果在把执行器,被控对象,检测元件及变送器等环节归在一起(称为“广义被控对象”),则单回路控制系统又可简化成由广义对象和控制器两部分组成。单回路控制系统结构简单,投资少,易于调整,操作维护比较方便,适应性强;是最基本,最常见,应用最广泛的控制系统。适用于被控对象滞后时间比较小,负荷和干扰变化不大,控制质量要求不高的场合。在简单控制系统基础上发展起来的各种复杂控制系统如串及控制系统,前馈比值控制系统,特殊控制系统等给工业生产带来了很大的便利;在工业过程计算机集成控制
8、系统中也往往把它作为最低层的控制系统,因此学习简单控制系统是非常重要的。尽管单回路控制系统比较简单,但它的系统分析、设计方法是各种复杂控制系统设计的方法与基本原则,因此掌握了单回路控制系统的分析和设计方法,将会给复杂控制系统的分析和研究提供很大的方便。进行单回路控制系统实验设计就是希望通过对单回路控制系统的学习,掌握单回路控制系统的控制方案选择和参数整定方法等理论知识,对巩固和加深课堂教学内容,提高学生实际工作技能,培养科学作风,为学习后续课程和从事实践技术工作奠定基础具有重要作用。第2章 单回路控制系统的地位控制工程是自动化专业的一门专业必修课,是该专业的一门高级专业课程,其主要内容包括工业
9、过程控制工程基础,先进控制技术和工业生产过程控制的应用;单回路控制系统属于工业过程控制工程基础,我们学习单回路控制系统应首先掌握单回路控制系统的基本原理和结构,PID参数整定方法等等,以便为复杂控制系统的学习奠定理论基础。基础性是指基本理论、基本知识和基本技能。单回路控制系统的学习是学习复杂控制系统的理论基础,是控制工程的理论基础知识,在自动控制专业教学中具有重要作用;自动化专业学生学习单回路控制系统重在理论分析,它是研究和发展本专业的重要工具,同时注重培养学生解决实际问题的能力。本课程主要讲授单回路控制系统及其设计理论和方法,介绍控制方案的设计和应用。调节器参数的整定,通过本课程的学习, 使
10、学生能够根据工业过程被控对象特点,正确选用传感器,执行器,过程控制通道,正确选择控制方案,设计控制规律,初步掌握建立实际工业过程控制系统的方法,初步了解工业过程控制系统的实现和整定方法,从而提高学生对工业过程控制系统分析和实践能力。单回路控制系统实验课是本课程重要的教学环节,其目的是使学生掌握自动化仪表的使用、控制系统的分析与设计方法,接受基本实验技能的训练,提高学生分析问题、解决问题和实际动手的能力。第3章 单回路控制系统设计 3.1 单回路控制系统组成简单控制系统是由被控对象,一个测量元件及变送器,一个控制器和一个执行器所组成的单回路负反馈控制系统。其方块图如下: 图3-1 单回路控制系统
11、方块图单回路控制系统组成各部分定义如下:(1)被控对象:也称对象。是指被控制的生产设备或装置。(2)测量变送器:测量被控变量,并按一定的规律将其转换为标准信号的输出,作为测量值(3)执行器:常用的是控制阀,接受控制器来的信号u,直接改变操纵变量q.操纵变量是被控对象的某输入变量,通过操作这个变量可克服扰动对被控变量的影响。(4)控制器:也称调节器。它将被控变量的设定值与测量值进行比较得出偏差信号e,并按一定控制规律给出控制信号u控制器的设定值由人工给定,但由于扰动作用的存在使的输出信号偏离原先的给定值,所以通过测量变送环节使给定值与测量值相减得到偏差信号,然后控制器在根据偏差的正负,大小及变化
12、情况,发出控制信号。控制器的输出送往执行器,执行器则根据控制信号的大小变化作用于被控对象,使测量值接近或等于给定值,这样就构成了一个简单的控制系统。3.2 单回路控制系统设计概述分析,设计和应用好一个过程控制系统,首先应全面了解被控过程,其次根据工艺要求对系统进行研究,确定最佳的控制方案,最后对过程控制系统进行设计,整定和投运。这里面包括有正确地选择被控变量和操纵变量;正确选择控制器的开闭型式及其流量特性;正确的选择控制器的类型及其正反作用,以及正确的选择测量变送装置等。为此。必须对系统中的被控对象,控制器,控制阀,和测量变送装置特性对控制质量的影响情况,分别进入深入的分析和研究。 (1)过程
13、控制系统设计的一般要求:a)过程控制系统是稳定的,且具有适当的稳定裕度。b)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。(2)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。(3)过程控制系统统设计步骤:a)建立被控过程的数学模型b)选择控制方案c)建立系统方框图d)进行系统静态、动态特性分析计算e)实验和仿真3.3 单回路控制系统方案设计3.3.1 被控变量的选择 生产中希望借助控制系统保持恒定值(或按一定规律变化)的参数称为被控参数,也称为被控变量;被控变量的选择是控制系统设计的核心问题,选择的正确与否,会直接关
14、系到生产的稳定操作、产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。从生产过程对控制系统的要求出发,选取被控变量的一般原则为:(1)尽量选用直接指标作为被控变量,因为他最直接最可靠;(2)当无法获得直接指标的信号,或其则量和变送信号滞后很大时,可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量;(3)选择时若有多个变量表示同一状态时,可选择测量速度快,准确度高的变量作为被控变量;(4)检测点与被测量之间有一一对应,检测点应有良好的跟踪器;同时兼顾工艺上的合理性和所用仪表的性能及经济性。3.3.2 操纵变量的选择在控制系统中,把用来克服干扰对被控参数的影响,实现控制作用的变量称为控制变量,
15、也称操纵变量。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,对控制质量的影响做出合理的选择。所以正确选择控制参数就是正确选择控制通道的问题。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。由以上分析所以选取操纵变量的一般原则为:(1)选择对所选定的被控变量影响比较大的那些输入变量作为操纵变量,这就意味着操纵变量到被控变量之间的控制通道的增益要选得比较大;(2)应选择输入变量对被控变量作用效应比较快的那些作为操纵变量,这样控制的动态响应就比较快;(3)应选择输入变量中变化范围比较大的,这样可使被控变量比较容易控制;
16、(4)时滞与时间常数之间的比值0To应尽量减小。(5)改变的操纵变量应该对后继的生产过程影响较小。3.3.3 传感器、变送器的选择过程控制系统中用于参数检测的传感器、变送器是系统中获取信息的装置。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: (3-1)参数选择原则:减小Tm和m均对提高系统的控制质量有利。若Tm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。仪表精度等级表明了在稳态下仪表的最大百分误差。因为它
17、是按全量程的最大百分误差来定义的,所以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Km.从工艺的合理性、经济性、可替换性等方面来看,其选取应从如下几个方面考虑:(1)传感器、变送器测量范围与精度等级的选择在控制系统设计时,对要检测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范围一般都是已知的。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范围与精度等级。(2)尽可能选择时间常数小的传感器、变送器(3)合理选择检测点,减小测量纯滞后m(4)为了保证测量精度和防止外界干扰,测量信号需要经过一定的处理,如测量信号校正与补偿,测量噪声
18、的抑制,测量信号的线性化处理等等。3.3.4 调节阀(执行器)的选择(1)调节阀类型的选择:气动执行器和电动执行器(2)调节阀口径(Dg、dg)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1585之间。(3)调节阀气开、气关形式的选择:主要以安全方面考虑。(4)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,通常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。因此往往通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。3.3.5 调节器控制规律的选择(1)目的:为了使调节器的特性与
19、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。(2)根据过程特性选择控制规律的选取原则:A: 比例控制规律:适用于控制通道滞后较小,时间常数不太大,扰动幅度较小,负荷变化不大,控制质量要求不高,允许有余差的场合。如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。B: 比例积分控制规律:引入积分作用能消除余差。适用于控制通道滞后小,负荷变化不太大,工艺上不允许有余差的场合,如流量或压力的控制。C: 比例微分控制规律:引入了微分,会有超前控制作用,能使系统的稳定性增加,最大偏差和余差减小,加快了控制过程,改善了控制质量。适用于过程容量滞后较大的场合。对于滞后很小
20、和扰动作用频繁的系统,应尽可能避免使用微分作用。D: 比例积分微分控制规律:可以使系统获得较高的控制质量,它适用于容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合,如反应器、聚合釜的温度控制。3.3.6 调节器正、反作用的确定 (1)正、反作用概念正作用-指调节器的输出随着正偏差(指测量值大于设定值)的增加而增加,即调节器的输出随着测量值增大而增大。反作用-指调节器的输出随着正偏差的增加而减小,即调节器的输出随着测量值增大而减少。 (2)调节器作用方向确定的原则:应根据被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式来正确选择,以使自动控制系统成为一个负反馈的闭环系统,即如果被控变量偏高,则控制作用应使之
21、降低;相反,如果被控变量偏低,则控制作用应使之升高。控制作用对被控变量的影响应与扰动作用对被控变量的影响相反,才能使被控变量回到设定值。(3)确定调节器正、反作用的次序过程:首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的气开气关形式;然后按被控过程特性,确定其正、反作用。 3.4 单回路控制系统参数整定3.4.1 单回路控制系统整定的概述系统整定:指选择调节器的比例度、积分时间TI和微分时间Td的具体数值。系统整定的实质,就是通过改变控制参数使调节器特性和被控过程特性配合好,来改善系统的动态和静态特性,求得最佳的控制效果。但值得注意的是,只有系统设计正确,仪表经过调校和正确安装之后,调节器参数的整定才
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- 毕业设计 论文 回路 控制系统 实验设计
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