前馈反馈水箱控制系统设计

前馈反馈水箱控制系统设计 名 称: 前馈反馈水箱控制系统 系 别: 专 业: 姓 名: 学 号: 指导教师: ?成绩评定? 指导教师评语: 课程设计成绩评定 班级 姓名 学号 综合成绩: 指导教师签字 年 月 日 2 目 录 一 设计的介绍 .............................................................................................................4 二、工艺 .........................................................................................................................5 三、前馈反馈控制的理论.................................................................................................5 四、设仪器仪表的选型 .....................................................................................................5 1、控制装置的选择 ...............................................................................................................5 2、监测仪表 ...........................................................................................................................6 3、控制阀的选型 ...................................................................................................................6 五、测量与控制端连接表................................................................................................. 7 六、参数的整定 ....................................................................................................................7 1、静态放大系数K的整定 .....................................................................................................7 F 2、控制器参数的选择 ..............................................................................................................8 七、 ...................................................................................................................................9 八、参考文献 ...................................................................................................................... 10 3 九、附录 一 设计方案的介绍 设计采用前馈反馈控制来实现水箱的液位控制。其中前馈控制可以补偿干扰对被控变量的扰动，前馈控制之后产生的余差则可以通过反馈控制进行修正，达到要求的控制精度。被控变量为水箱的液位，控制变量为水的流量。 采用两个支路，其中第一个支路为主回路，包括一个水泵(采用变频器变频控制电机模拟流量扰动)，涡轮流量计;第二个支路为控制补偿回路，包括一个水泵(输出流量恒定)，电动控制阀。除此之外在反馈回路中还需要一个液位测量仪表和PID控制仪表一台。前馈控制在不考虑控制通道与对象通道延迟，而且支路一流量可以准确的测量，需要一个PID控制仪表。前馈控制信号和反馈控制信号通过一个加法器连接，实现对控制阀的控制。 前 馈 反 馈 系 统 结 构 框 图 1 4 前 馈 反 馈 控 制 系 统 原 理 图 2 二 工艺流程 水箱液位的控制主要是控制水箱中的液位在要求的精度范围内。 一号水泵作为动力源给水的输送提供动力，进入水箱。并用变频器控制一号水泵用来模拟流量上产生的扰动。 二号水泵为补偿回路提供动力，为水箱提供水补偿。当扰动产生后，通过前馈控制调节阀对扰动产生补偿。补偿后产生的余差再通过反馈控制控制调节阀进行调节。 三 前馈反馈控制的原理 前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现并能被测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者在被调量发生偏差之前抵消。因此，前馈调节对干扰的客服比反馈调节及时。但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。如果前馈支路出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在反馈支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。而不需要经过调节器。 四 仪器仪表的选型 1、控制装置的选择 由于不是大型生产过程，对自动化水平要求不高，所以选择采用常规仪表控制。考虑到价格、实用性等因素，选择数字化、智能化的国产电动控制仪表。如果考虑控制仪 5 表要满足工艺对生产过程的监测、控制和安全保护等方面的要求，需要考虑安全栅的使用。此处选用白城市顺达仪表有限公司生产的SD-600型智能数显PID调节仪表，关于SD-600调节仪表的详细说明如下: 2.性能特点: 全功能信号输入;可为变送器提供DC24V馈电输出;高性能开关电源供电。;用户可以对参数进行自由设定;两路独立报警器，拥有多种基本报警方式。;具有掉电保护功能，用户设置的参数掉电后能长期保存。掉电时保存输出功率，上电时从仪表输出的功率为前一次掉电时保存的输出功率;全数字自动调校保证长期稳定性;自修正A/D转换器、高精度、低漂移、长期稳定性好;可实现手动/自动控制的切换，切换是无扰动的。 2、监测仪表 根据设计的需要的检测仪表类型为:流量测量仪表，液位测量仪表。 1、流量监测仪表的选择 设计中将选用涡轮流量计来测量流量。选用北京华德世纪科技发展有限公司生产的LWGY-15型涡轮流量传感器。LWGY型涡轮流量传感器是一种精密液体流量仪表，适用于测量低粘度的介质如水，柴油，汽油等，广泛用于石油、化工、冶金、供水、造纸、科研等领域的计量与控制。 关于LWGY-15型涡轮流量传感器的详细介绍如下:高精度:0.5%FS，1%FS，部分产品最高可达0.2%FS;最小口径可达:2mm, 测量准确稳定;有耐磨型和耐腐蚀型可供选择;耐压型:最高耐压可达35Mpa,解决工业过程中大压力的难题;产品适用于测量与不锈钢iCr18Ni9Ti、2Cr13及刚玉、硬质合金不起腐蚀作用，且无纤维、颗粒等杂质的液体;高粘度液体可现场进行实液标定后使用，以便保证最高精度;可根据要求定做非标准产品，如低温、高压、高温产品 2、液位测量仪表 在设计需要中，介质为水，所以选用差压式的测量仪表即可。其中差压式的测量仪表可分为投入式、法兰式、插入杆式三种。投入式的适用于非密闭场合液体液位的检测;法兰式的适用于非密闭场合，尤其是粘稠或浆状介质和浆状强腐蚀性液体液位的测量。根据设计的需要，可选用投入式差压液位测量仪表。 设计中采用北京泰威智达仪表科技有限公司生产的TV815投入式静压液位计。有关TV815投入式静压液位计的详细介绍如下:TV815两线制静压投入式静压液位计采用进口高稳定性硅压阻传感器，配合高性能专用集成电路，经严格的工艺过程装配而成。具有精度高、抗过载力强、稳定性好等特点。该系列变送器还具有标准的保护功能，以防 6 止浪涌电压、射频干扰、过电压和反极性保护，以确保高可靠性。从而可以广泛地用于非密封场合(敞口容器)的液位测量，如大坝、水电站、高层水箱、冷却塔、污水处理池、泵站、水厂、水文地质、石油化工、河流监测等领域。 3、控制阀的选型 1.合理选用阀型和阀体、阀内件的材质。主要从被控流体的种类、腐蚀性和粘度、 流体的温度、压力、最大和最小流量及正常流量时的压差等因素来确定。 2.正确确定控制阀的口径。阀的口径确定是根据工艺提供的有关参数，计算出流量系数来确定。 3.选择合适的流量特性。控制阀的流量特性，考虑对系统的补偿及管路阻力情况来确定。 4.控制阀的开闭形式确定。开闭形式的确定主要是从生产安全角度出发来考虑。当阀上控制信号或气源中断时，应避免损坏设备和伤害人员。如事故情况下控制阀处于关闭位置时危害较小，则选用气开式，反之，应选用气闭式。 综上所述，控制阀选用直通单座阀，设计中选用上海标柏阀门有限公司生产的ZDLP电子式电动单座调节阀。 ZDLP精小型电子式电动单座调节阀,由PS系列和3610系列直行程电动执行机构和低流阻直通单座阀组成。电动执行机构为电子式一体化结构，内有伺服放大器,输入控制信号(4-20mADC或1-5VDC)及电源即可控制阀门开度,达到对压力、流量、液位、温度等工参数的调节。具有动作灵敏、连线简单、流量大、体积小、调节精度高等特点。 五 测量与控制端连接表 测量或控制测量或控制量标使用控制器端口 量 号 FT101 AI0 涡轮流量计 LT103 AI1 下水箱液位 FT102 AI2 电磁流量计 FV101 AO0 调节阀 六 参数的整定 、静态放大系数K的整定 1F 1)开环整定法 7 开环整定法是在系统断开反馈回路的情况下，仅采用静态前馈作用，来克服对被控参数影响的一种整定法。整定时，K由小到大缓慢调节，观察前馈补偿的作用，直至F 被控参数基本回到给定值上，即实现完全补偿。此时的静态参数即为最佳的整定参数值K，实际上K值符合下式关系，即 FF Kf K, FK0 式中:K、K分别为扰动通道、控制通道的静态放大系数。 f0 开环整定法适用于在系统中其他扰动不占主要地位的场合，不然有较大偏差。 2)前馈-反馈整定法 图1 前馈-反馈系统参数整定方框图 在图1所示系统反馈回路整定好的基础上，先合上开关K，使系统为前馈-反馈控制系统，然后由小到大调节K值，可得到在扰动f(t)作用下如图2所示的一系列响F 应曲线，其中图(b)所示的曲线补偿效果最好。 TTT t tt0000 (a)欠补偿 (b)补偿合适 (c)过补偿 图2 3)利用反馈系统整定K值 F 待图1所示系统运行正常后，打开开关K，则系统成为反馈控制。 1、待系统稳定运行，并使被控参数等于给定值时，相应的扰动量F和调节器0输出u。 0 2、人为改变前馈扰动，使F变为F，待系统进入稳态，且被控参数等于给定值时，01 记录此时调节器的输出值u。 1 8 u,u103、按下式计算K值K= FFF,F10 2、控制器参数的选择 按经验参数的整定方法整定PID调节器的参数,在前馈系数不变的情况下我们改变P,I,D三个参数可以获得不同的曲线。 先设定比例值(P)为0.3~10.0之间的一个适当值，积分值(I)越大越好，微分值(D)也是越大越好，通过不断的修改这3个值我们就能得到我们想要的曲线达到预期的效果。微分时间(D)的作用是减小超调，因为如果超调量太大的话会产生不能预知的不良反应，对系统有很大的影响。所以微分时间的选择也是有要求的，通过研究可知微分时间也应该选择比较大的数值，但它是以牺牲系统能达到稳定的时间为代价的。因此我们要根据工程的需要来确定它的数值。 综上所述我们可以选择一个适当的比例值(P)和积分值(I)和微分值(D)使系统完全满足我们的需要。 七 总结 通过这次课程设计，让我对有关前馈反馈的知识有了更深的理解，也进一步熟悉了PID控制规律。 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。 前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。但在实际工程中，并不是所有的干扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得到精确模型的，而且大多数控制对象在运行的同时自身的结构也在发生变化。所以仅用前馈并不能达到良好的 9 控制品质。这时就需要加入反馈，反馈的特点是根据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏差进行纠正，可以有效的消除稳态误差。解决前馈不能控制的不可测干扰。 前馈反馈综合控制在结合二者的优点后，可以提高系统响应速度。 这次设计让我有种“学以致用”的感觉，内心很有成就感，也真切的体会到真理必须要用实践去检验，不亲自去动手试验一下。有很多东西是书上没有的，只有在实践中才能体会得到，纸上谈兵只会让人走进误区，实践才是永远的老师。“痛并快乐着”这句话用来形容这次的课程设计再恰当不过了，它带给我们的不仅仅是经验，它还培养了我们吃苦耐劳的精神和严谨认真的作风。“纸上得来终觉浅，投身实践览真知”。 八 参考文献 1 翁维勤等. 过程控制系统及工程.北京:高等教育出版社，2006 2 姜秀英等.过程控制系统实训.北京:化学工业出版社,2007 3 潘立登等.过程控制 北京:机械工业出版社，2008 4 方康玲等. 过程控制与集散系统. 武汉:华中科技大学出版社,2008 5 潘练等.过程控制与集散系统实验教程.武汉:华中科技大学出版社,2008 6陈诗滔等.工业过程仪表与控制.北京:中国轻工业出版社，1998 7郑光建等.过程控制调节仪表.北京:中国计量出版社，2000 九 附录 综合材料表 序 号 名 称 型号及规格 单 位 数 量 1 微型增压水泵 15WZ-10 1 台 2 涡轮流量传感器 LWGY-15 1 个 3 液位静压传感器 TV815 1 个 4 电子式电动单座调节阀 ZDLP 1 个 5 智能数显PID调节仪表 SD-600 1 台 10 6 变频器 1 台 7 单容水箱 1 个 11