流量—锅炉液位前馈控制系统

课程设计任务书

（指导教师填写）

课程设计名称过程控制系统学生姓名*** 专业班级自动142班

设计题目流量—锅炉液位前馈控制系统

一、课程设计目的

本课程的课程设计是自动化专业学生学习完《过程控制系统》课程后，进行的一次全面的综合训练，其目的在于加深对过程控制系统理论和基本知识的理解，在熟悉工艺流程的基础上，掌握运用工程整定方法设计过程控制系统，以及系统的调试和投运的基本方法。

二、设计内容、技术条件和要求

（一）技术要求

按课程设计任务书提供的课题，应根据给出的设计任务，按“可选”的被控对象设计相应的控制系统。组成4人的设计小组，分模块进行,共同协作完成一个实际系统的设计、调试任务。

要求20%流量扰动作用下的液位变化不超过15%，恢复时间小于2分钟，稳态误差小于3%

（二）设计内容

1、熟悉工艺流程及实验环境，根据对水位控制或工业锅炉生产过程控制的要求，设计相应的控制系统方案；

2、完成主要测控仪表的选型；

3、绘制系统结构框图、系统工艺流程图、系统硬件连线图，并在实验中修正完善；

4、按要求进行系统调试，分析P、I、D参数对控制质量的影响，分析前馈控制系统对扰动的调节作用及补偿能力；

5、撰写详细的设计说明书。

（三）设计说明书要求

设计说明书应包含以下内容

1.设计目的；

2.设计要求；

3.系统方案设计（包括：被控变量的选择、控制变量的选择，控制器类型的选择、控制器正反控制方式的选择、调节阀的选择、各测量传感器的选择）；

4.系统结构框图、系统工艺流程图、系统硬件连线图；

5.调试过程分析，调试结果、调试中出现的问题及解决方法；

6.设计心得体会；

7.参考文献。

二、时间进度安排

按教学计划规定，过程控制系统课程设计总学时为两周，其进度及时间大致分配如下：

1 2017.6.26—6.26 查阅资料、完成各部分硬件设计；

2 2017.6.27—6.28 在模拟实验平台上进行系统调试，分析实验结果；

3 2017.6.29—6.30 总结设计过程、编写课程设计说明书。

三、主要参考文献

1、《过程控制及仪表》，邵裕森主编，电子工业出版社

2、《过程控制系统》，涂植英主编，机械工业出版社

3、《过程控制》，金以慧主编，清华大学出版社

指导教师签字：年月日

设计说明书

一、设计目的

本课程的课程设计是自动化专业学生学习完《过程控制系统》课程后，进行的一次全面的综合训练，其目的在于加深对过程控制系统理论和基本知识的理解，在熟悉工艺流程的基础上，掌握运用工程整定方法设计过程控制系统，以及系统的调试和投运的基本方法。

本设计针对液位控制系统中较为基础的锅炉液位作为控制对象，流量—锅炉液位前馈控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。而对于控制系统的选择为前馈——反馈系统。一般的控制系统都属于反馈控制, 这种控制作用总是落后于扰动作用。对于时滞较大、扰动幅度大而频繁的过程控制往往不能满足生产要求。引入前馈控制可以获得显著的控制效果。前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制, 所以控制是及时的。如果补偿作用完善可以使被控变量不产生偏差。

二、设计要求

2.1 设计内容

（1）熟悉工艺流程及实验环境，根据对水位控制或工业锅炉生产过程控制的要求，设计相应的控制系统方案；

（2）完成主要测控仪表的选型；

（3）绘制系统结构框图、系统工艺流程图、系统硬件连线图，并在实验中修正完善；

（4）按要求进行系统调试，分析P、I、D参数对控制质量的影响，分析前馈控制系统对扰动的调节作用及补偿能力；

（5）撰写详细的设计说明书。

2.2 技术要求

要求20%流量扰动作用下的液位变化不超过15%，恢复时间小于2分钟，稳态误差小于3%

三、系统方案设计

控制系统选择单回路控制系统，以及在单回路的基础上加前馈控制，形成前馈——反馈控制系统。比较两种控制系统在应用中的区别和优势。单回路反馈系统通常采用PID算法控制，基于偏差来消除偏差，控制作用产生在被控量变化之后，因此不能及时地消除偏差。前馈控制是基于扰动来补偿扰动对被控量的影响，控制作用产生在被控量变化之前，所以能及时地消除偏差达到很好的响应效果。但是前馈控制属于开环控制，无法检验响应，通常无法单独使用，所以与单回路结合，采用前馈——反馈控制方法，可以既保留了反馈控制良好的跟随给定的优点，有弥补了抗扰特性的不足，可实现很好的控制效果。

在前馈——反馈控制系统中，扰动进水支路为扰动量，在扰动支路中通过涡轮流量计检测支路进水量，在扰动进入水箱改变液位之前，通过前馈补偿器的计算减小电动调节阀的开度，使液位不会出现过大的改变，使扰动在产生偏差之前消除偏差。可达到更好的控制精度。

3.1 被控变量和控制变量的选择

液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。液位的时间常数T一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。而前馈—反馈控制系统可以用一般常规仪表来实现，成本增加也不大，却可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用前馈控制系统对液位进行控制。一般情况下，流量是影响液位的主要因素，将它纳入前馈反馈复合控制系统进行控制，不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰，而且使系统工作频率提高，能够对液位实行较快的控制。

为了保证控制精度，将锅炉液位作为被控对象，锅炉的液位主要由进水量和出水量决定，因此将进水量与出水量选作控制对象。锅炉液位是通过压力液位传感器测得，将检测到的液位信号与给定液位值进行比较后送入调节器，在数显智能调节仪中经过PID运算后，其输出信号作为调节器——电动调节阀阀门的开度信号，控制进水量的大小，从而控制液面高度。

3.2 控制器类型的选择

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EFPT-0102型数显智能调节仪，采用算法为PID控制规律，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。当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。

3.3 主、副控制器正反控制方式的确定

在单回路控制系统中，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须为负反馈。对于前馈控制系统来说，主、副调节器中正反作用方式的选择原则是使整个控制系统构成负反馈系统。即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。各环节放大系数极性的规定与单回路系统设计相同。

3.4 调节阀的选择

电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用QS201直行程电子式电动执行器，无需配伺服放大器，控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。有输入控制信号4-20mA及单相电源即可控制与转实现对压力流量温度压力等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构，4-20mA阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门用于截断或接通管路中的介质。出水控制阀门我们选择VT-16型号的线性钢铸阀，该阀门采用弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露，具有性能稳定可靠、控制精度高、使用寿命长等优点。

3.5测量传感器的选择

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，

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课设要求。

流量转换器采用LD2-4B型，与电磁流量传感器配套使用，输入信号：0~0.4mV，输出信号：4~20mA DC，允许负载电阻为0~750欧姆，基本误差为输出信号量程的0.5%。

液位传感器用来对水箱液位变送、锅炉液位变送和水槽液位变送进行检测，采用工业的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，喜爱用高品质低耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。可方便的与其他DDZ—3X型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。校验的方法是通电预热15分钟后，分别在零压力和满程压力下检查输出电流值。在零压力下调整量程电位器，使输出电流为4mA，在满量程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。本传感器精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。压力传感器用来对上水位水箱和中水位水箱的压力进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标志信号输出。

3.6所需设备的型号及用途

四、控制系统设计

4.1、前馈系统结构框图

单回路控制器，即PID 控制器的传递函数为W c (s)，被控对象锅炉液位的传递函数为

W o (s)。

W m (s)为前馈控制器；W f (s)为过程扰动通道传递函数；W o (s)为过程控制通道传递函数；F(s)为系统可测不可控扰动；Y(s)为被控参数；典型的前馈—反馈控制系统框图如下所示，它是由一个反馈回路和一个开环补偿回路叠加而成的复合系统。在扰动f(s)作用下，系统输出为：Y(s)=W f (s)F(s)+ W M (s)W o (s)F(s)-W c (s)W o (s)Y(s)

单回路前馈—反馈恒值系统闭环传递函数为： F(s)

Y(s)= ) Wc(s)Wo(s 1) Wm(s)Wo(s (s) Wf ++ 根据绝对不变性原理，应有F(s)

Y(s)=0，前馈模型为： W m (s)= —Wo(s)(s) Wf

4.2、系统工艺流程图

4.3、硬件连线图

五、参数整定

5.1比例积分调节（PI 调节）

PI 调节就是综合P 、I 两种调节的优点，利用P 调节快速抵消干扰的影响，

同时利用I 调节消除余差。它的调节规律为：

()()()0t

c I u t K e t K e t dt =+? 或 ()()()011t

I u t e t e t dt T δ??=+ ???? 式中δ为比例带，可视情况取正值或负值；I T 为积分时间。δ和I T 是PI 调

节器的两个重要参数。图3.1是PI 调节器的阶跃响应，它是由比例动作和积分动作两部分组成的。在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为Δe/δ的阶跃，然后以固定速度Δe/δTI 变化。当t=T I 时，调节器的总输出为2Δe/δ。这样，就可以根据图3.1确定δ和T I 的数值。还可以注意到，当t=T I 时，输出的积分部分正好等于比例部分。由此可见，T I 可以衡量积分部分在总输出中所占的比重：T I 愈小，积分部分所占的比重愈大。

5.2比例积分微分调节（PID 调节）

PID 调节器的动作规律是

()()()()0t c I D de t u t K e t K e t dt K dt

=++? 或 ()()()()011t

D I de t u t e t e t dt T T dt δ??=++ ???? P 调节是一种简单控制方式，其输入与输出偏差信号的积分成比例关系。系

统一旦出现了偏差，比例环节就立即进行反应来减少偏差。比例调节的作用设置的越大，调节的速度就越快。但比例作用过大时，会使系统的稳定性下降，另外，只采用比例调节的系统输出将存在稳态误差。

I 调节积分调节用于消除系统中的稳态误差，它的输入与输出偏差信号的积

分成正比关系。如果系统进入稳态后存在稳态误差，则称为有差系统，为了消除稳态误差，就需要引入“积分”调节。但积分作用会使系统的动态响应变慢，若参数选择的不当会影响系统稳定性。

D调节微分调节的调节动作是使调节器能够根据被调量的变化速度来移动调节阀，而不要等到被调量已经出现较大偏差后才开始动作，它等于赋予调节器以某种程度的预见性，能够显著改善调节的效果。但微分调节只能起辅助的调节作用，它可以与其它调节动作结合成PD和PID调节动作。

单回路控制系统调节器采用PID控制，利用给定信号与反馈信号作为偏差，偏差信号为PID调节器的输入信号，调节器输出信号控制调节阀开度，以此来调节液位高度。比例控制作用可使系统快速达到稳定，但是不能消除系统余差，比例系数增大，余差会减小，但随着比例系数的增大，系统的稳定性会逐渐下降。积分控制作用能消除系统余差，使系统成为无差系统，但降低了系统的稳定性，并增加了调节时间。微分作用无法消除余差，但是提高了系统的稳定性。因此PID调节器是一种很理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性，对于大部分控制问题PID调节器都能解决，但是当系统中的负荷或干扰变化比较剧烈或比较频繁，或调节质量要求更高时，仅采用单回路反馈的PID调节方案就不太合适了。本系统中，如果在系统达到稳定后加入扰动，必须在等到液面升高产生偏差后，系统才能作用，该过程如下：

Y（↑）→Z（↑）→|e|（e<0）（↑）→u（↓）→F（↓）→Y（↓）

可见调节过程较长，导致调节时间较长，必然出现较大超调量。

前馈——反馈控制就是在单回路反馈控制的基础上，在扰动量支路中加入检测元件，并通过前馈补偿器在扰动产生影响前减小或消除扰动。本系统中，假设原电动调节阀开度为80%，流量为F1，如果加入扰动，前馈检测到扰动通道流量为F2，那么通过前馈补偿器直接调节电动调节阀使流量减小|F1-F2|，假设使开度变为60%。该过程如下：

u2（↑）→F（↓）→Y（→）

可见调节过程很短，调节时间大大地缩短，超调量也会显著减小，甚至如果前馈补偿器设计的好可以不产生超调。

六、调试结果、调试中出现的问题及解决方法

6.1 调试结果参数记录

P = I = D =

调试后指标数据：

最终的超调量在

衰减比在

稳态误差在

6.2 调试中出现的问题及解决的方法

问题一：主调节器与副调节器的仪表参数设置时没有正确调节 PID 的值，通

过老师资料的介绍和同学们的积极讨论，顺利解决。

问题二：由于仪表连线出现失误，发现线头松动，使数据无法正常传输，最

后换了一个仪表，成功连接数据。

七、设计心得体会

这次课程设计是我们系统的学习完过程控制系统以后，在老师的悉心指导下完成的。在设计过程中老师细致的教导，丰富的科学知识，活泼的学术思想以及严谨的教学方式使我受益匪浅。老师自始至终给予了我们很大的帮助，提供了很多参考资料、设计思想和许多非常实用的意见；在遇到困难时老师不仅帮助我们解决难题，还积极引导我

们发现问题、解决问题、举一反三的能力，提高了我们的自主学习能力。

在这期间我不仅巩固了以前所学的知识，对本专业有了更多、更深的了解，而且也培养了克服困难的品质，锻炼了实践动手的能力，这将是我今后工作学习中的一个良好开端。通过控制系统的整体设计让我对专业知识有了一个较为全面的掌握，为以后的工作和学习打下了很好的基础。

八、参考文献

1、《过程控制工程，第二版》主编：邵裕森戴先中

2、《过程控制系统》，涂植英主编，机械工业出版社

3、《过程控制》，金以慧主编，清华大学出版社

6、《过程控制系统与装置》，何离庆等，重庆大学出版社

7、《自动化仪表与过程控制》，施仁等，电子工业出版社

8、《控制工程导论》，周雪琴，张洪才，西北工业大学出版社

9、《自动控制原理》，胡寿松等，科学出版社