过程控制新版系统专业课程设计实验报告

成全部理工大学工程技术学院

《过程控制系统课程设计试验汇报》

名称：单容水箱液位过程控制

班级：20XX级自动化过程控制方向

姓名：

学号：

目录

序言

一．过程控制概述…………………………………………………………………2

二．THJ-2型高级过程控制试验装置………………………………3

三．系统组成和工作原理……………………………………………5

（一）外部组成…………………………………………………………………5

（二）输入模块ICP-7033和ICP-7024模块……………………………5

（三）其它模块和功效………………………………………………………8

四．调试过程………………………………………………………………9

（一）P调整……………………………………………………………………9

（二）PI调整…………………………………………………………………10

（三）PID调整…………………………………………………………………11

五．心得体会………………………………………………………………13

序言

?现代高等教育对高校大学生实际动手能力、创新能力和专业技能等方面提出了很高要求，工程实训中心建设应紧紧围绕这一思想进行。?

首先工程实训首先应面向学生主体群，建设一个有较宽适应面 基础训练基地 。经过对基础训练设施

集中投入，面向全校相关专业，形成一定规模优势，建立科学规范训练和管理方法，使训练对象取得机械、

电子基础生产过程和生产工艺认识，并含有一定实践动手能力。

?其次，工程实训内容应一定程度地表现技术发展时代特征。为了适应该代化工业技术综合性和多学科交叉特点，工程实训内容应充足表现机和电结合、技术和非技术原因结合，贯穿计算机技术应用，以适应科学技术高速发展要求。应以一定专题投入，建设多层次 综合训练基地 ，使不一样训练对象在取得对现代工业生产方法认识同时，熟悉综合技术内容，初步建立起“大工程”意识，受到工业工程和环境保护方面训练，并含有一定实用技能。

第三，以创新训练计划为根本，依靠必需软硬件环境，建设 创新教育基地 。以产品设计、制造、控制乃至管理为载体，把对学生创新意识和创新能力培养，贯穿于问题观察和判定、发明和评价、建模和设计、仿真和建造整个过程中。

此次工程实践就是针对单容水箱液位进行恒高度控制经过调试，来熟悉THJ-2型高级过程控制试验装置。经过此次工程实践，来熟悉工业过程控制工作步骤和其控制原理。

一 过程控制概述

在工业生产中，有一类根据一定工艺步骤（或程序）进行连续不间断生产工业生产过程，比如电力、石油、化工、冶金等，这些工业在经济发展中占有举足轻重地位，我们称之为连续过程工业。和其它工业（称为离散过程工业或间断过程工业）相比，连续过程工业控制问题有其完全不一样特点，形成了控制技术中一个分支，称为生产过程控制或过程控制。

过程控制任务，就是要经过自动化技术，提升产品质量和产量，节能降耗，降低成本，降低污染，提升劳动生产率，增强企业对市场需求适应性。

过程控制关键有以下多个特点：

（1）连续工业生产过程是和化学反应、生化反应、物理反应、相变过程、能量转换过程、传热传质过程等复杂反应或过程相伴随。这些过程或反应进行，必需满足一定内部和外部条件。满足这些条件，而且使这些条件保持稳定，生产过程就能正常、稳定地进行，产品产量和质量就能得到确保。所以，过程控制关键是对决定生产过程是否正常进行控制，以确保整个生产过程正常进行。过程控制中最常见就是压力控制、流量控制、温度控制、液位或料位控制、成份控制、PH值控制等，这些控制多数全部是定值调整。伴随大规模生产需求及科学技术发展，更多参数将被纳入到控制范围之内。过程控制在生产中地位将变得愈加关键。

（2）连续生产过程工业是一个庞大工业系统，设备多样化，工作机理各不相同，所以被控对象形式复杂多变，含有惯性大、延时大、时变、非线性、多变量相互耦合等特点，极难得出其正确动态数学模型，所以控制难度较大。

（3）因为生产过程工艺复杂，要求高，过程控制监测系统多，控制系统多，控制方案多，控制系统间既独立又相互影响。所以必需合理协调各控制系统间相互关联、相互制约关系，从整个生产过程全局出发，求得整个生产过程最优。

（4）连续生产过程生产条件和环境往往比较特殊，如高温高压、低温真空、易燃易爆、有毒、存在放射性等。所以必需依靠自动化技术，在正常生产、非正常工况、事故工况下，全部能确保人员安全和部队环境造成污染。

（5）连续过程工业设备多，结果复杂，所以干扰原因也多，干扰形式较复杂。这就要求过程控制各个控制系统含有较强抗干扰能力，快去克服扰动原因对生产影响。

二THJ-2型高级过程控制试验装置

这次工程实训我们要用到装置 THJ-2型高级过程控制试验装置该类型试验装置包含不锈钢水箱、冷热水交换有机玻璃圆筒型大水箱、上下串接有机玻璃双容上下小水箱、带有机玻璃冷却水循环夹套小加温箱、三相电加热锅炉等，适适用于控制系统组成认识试验、对象数学模型测试试验、调整阀流量特征测试试验、位式控制试验、单回路调整试验、串级控制试验等其相同试验。

试验对象系统包含有：不锈钢储水箱；上、中、下三个串接有机玻璃圆筒型水箱；三相4.5KW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成）和铝塑盘管组成。

对象系统中各类检测变送及实施装置包含有：扩散硅压力变送器三只，涡轮番量计三只，Pt100热电阻温度传感器六只。控制模块：包含三相可控硅移相调压装置、电磁阀、电动调整阀、三菱变频器各一个；接触器位式控制装置、三相380V不锈钢磁力驱动泵、三相220V不锈钢磁力驱动泵。

上位监控PC机包含有：一台上位监控PC机，PC机上安装有工控组态软件(MCGS、组态王可选)，经过RS232/485转换器、仪表控制台侧面RS485总线接口和全部仪表进行通讯。我们可对下位仪表各参数进行设定、修改PID控制参数，并能观察被控参数实时曲线、历史曲线，SV设定值、PV测量值、OP输出值，各试验全部设有动态改变棒图显示和试验指导。

三 系统组成和工作原理

（一）外部组成

图1锅炉温度控制系统工艺设备

依据控制要求，将信号经过PID整定后，输出4~20mA电流信号控制单相SCR调压装置输出电压，达成对加热管电压大小调整，从而达成控制锅炉内胆水温作用。

（二）输入模块ICP-7033和ICP-7024模块

8通道模拟量输入模块。表1 为ICP-7033技术指标。

面板图3所表示，ICP-7033模块24V供电，面板上提供了3通道输入端口。每一通道依据功效表可输入许可范围热电阻。支持485通讯。

表1 ICP-7033技术指标

型号

功效

I-7033

模

拟

量

输

入

分辨率

16bit

输入通道

8路差动

采样率

10Hz

Pt100

-100～100℃、0～100℃

0～200℃、0～600℃

Pt1000

-20XX～600℃

Ni

-80～100℃、0～100℃

将温度变送器电压信号经过ICP-7033模块转换为数字信号经过RS485接口送入计算机处理。

图1 ICP-7033面板

上图中，a：电源开关；b：RS485接口；c：ICP-7017模块；d：4通道输入接口

ICP-7024是4通道模拟量输出模块，24V供电，提供了4通道输出端口。每一通道依据功效表可输入许可范围电压或电流，支持485通讯。ICP-7024技术指标见下表：

型号

功效

I-7024

模拟量输入

分辨率

14bit

输入通道

4路差值

电压输出

+/-10V

+/-5V

0～10V

0～5V

电流输出

0～20mA

4～20mA

ICP-7024模块将从计算机输出信号加到三相SCR调压模块4～20mA电流控制信号输入端。

a：电源开关；b：RS485接口；c：ICP-7014模块；d：4通道输出接口。

图2 ICP-7024面板

（三）其它模块和功效

三相SCR调压模块本系统经过计算机中组态软件MCGS进行PID整定后输出控制信号经过远程数据输出模块加到单相SCR调压装置输入端，以此来控制加热管电流大小

MCGS (Monitor and Control Generated System，通用监控系统)是一套用于快速结构和生成计算机监控系统组态软件，它能够在基于Microsoft多种32位Windows平台上运行，经过对现场数据采集处理，以动画显示、报警处理、步骤控制和报表输出等多个方法向用户提供处理实际工程问题方案，在工业控制领域有着广泛应用。MCGS组态软件功效强大，操作简单，易学易用，一般工程人员经过短时间培训就能快速掌握多数工程项目标设计和运行操作

四 调试过程

在此次训练中，我们针对单容水箱液位进行恒高度控制。有三种控制包含百分比控制，积分控制，和微分控制。单容水箱是个比较简单控制系统，我们采取PID控制。控制一个液位高度，整个过程为采取水泵恒定抽水，改变电动调整阀开度来控制水流量从而控制水箱液位高度。并选择压力传感器对液位高度进行测量，将测量值和系统给定值进行比较，来确定阀开度。

单容水箱液位PID整定系统方框图以下

控制器

控制器

检测变送器

单容水箱

电动调整阀

给定

扰动

D/A

转换器

A/D

转换器

1. 百分比控制

百分比控制作用为

传输函数为

式中称为百分比放大系数。百分比控制简称 P控制(Proportional).

百分比控制输出和输入是同时改变，没有惯性和时间上延迟。响应快，和输入成百分比改变，只是百分比控制最突出优点，正是因为这一特点，使百分比控制成为一个最关键基础控制规律。全部工业控制器全部包含有百分比控制百分比控制也能够单独组成控制器。使调整器工作在百分比（P）调整器状态，此时系统处于开环状态。实时曲线以下图

P调整曲线

2. 积分控制

积分控制作用为

?式中为积分时间常数。积分控制简称 I控制（Integral）.积分控制传输函数为

在单位阶跃输入下，积分控制输出为

?

单容水箱液位控制调试。首先我们按试验指导书将控制面板上连线正确接出，然后进入MCGS单容水箱液位控制系统操作界面，打开水阀检验通路连通，开启控制面板电源打开电动阀电源，这时就有水进入水箱。将操作软件中水箱输出值设定为20。先将控制参数值P设定为100。观察曲线走向调整P、I绿色曲线无限靠近红色曲线说明系统稳定。控制曲线以下图：

单容水箱液位控制曲线

3.? 微分控制

微分控制规律输出和输入关系为

?微分控制作用传输函数为式中称为微分时间常数，简称微分时间。微分时间又称为D控制（Derivative)。

微分控制输出，反应了偏差改变速度。这能够使偏差只有改变倾向而未产生实际改变时就产生控制作用，阻止被控变量深入改变，加紧控制系统响应。微分控制这种特征能够称为“超前控制”。这种控制作用尤其适合于惯性较大被控对象。

微分控制作用强弱，能够经过微分时间常数来调整。

微分控制对于恒定不变偏差没有控制作用。对于改变缓慢偏差，也不会产生有效控制作用。所以，微分控制作用不单独作用。

式所表示微分控制规律在物理上是不能实现，称为理想微分控制。实际微分控制作用是带有惯性步骤微分控制，其传输函数为

式中称为微分放大系数。

在百分比调整器控制试验基础上，待被调量平稳后，引入积分（“I”）作用，使被调量回复到原设定值。减小P，并同时增大I，观察加扰动信号后被调量动态曲线，验证在PI调整器作用下，系统余差为零。在PI控制基础上加上适量微分作用“D”，然后再对系统加扰动（扰动幅值和前面试验相同），比较所得动态曲线和用PI控制时不一样处。选择适宜P、I和D ，调整后曲线以下图所表示。

PID调整曲线

五 心得体会

本课题安排实训时间为一周,在这段时间里,为了确保能够按时完成本课题设计,我们全部对所要求时间做了具体安排

经过一周来对这一课题学习，并和同组组员一起共同讨论和研究,我们准期完成了该课题训练.并对该课题所应用到系统部件全部有了一定掌握，并能利用所学知识对实训提出了合理方案和实现手段。。

工程实训给了我独立完成工作和团体合作,并善于思索好机会,并总结四年来所用知识综合应用能力,对未来搞科研技术研究和开发提供了一次很好练兵机会,并为走上工作岗位奠定了坚实一步.当然,因为本人学识有限,在训练过程当中错误也在所难免,期望各位同行能够指正.

在这段设计期间,大家全部给我提供了帮助,在此,我要感谢老师和同学们,尤其是我指导老师杨明.在我设计过程中她就一直帮我们找资料,给意见,帮我们提供部分试验方案,和思索方法,并时不时地帮我们修改。在这完成实训汇报时间里，老师渊博精深知识、高屋建瓴见解和敏锐洞察力，全部让我终生受益;导师务实地工作作风、精益求精利研精神、严谨治学态度，为我树立了永远学习楷模。在此特想向杨老师和我们组同学表示最衷心感谢！