生产过程控制系统设计
目 录
前言 (2)
1课题设计的背景 (2)
2造纸废液处理的意义 (3)
3过程控制的发展概况 (3)
4可编程逻辑控制器（PLC ）的发展 (4)
5 PLC 生产过程控制系统 (5)
第二章过程控制方案比较、设计 (5)
1工艺过程分析 (5)
2配料（混料）反应系统 (7)
3干燥处理系统 (7)
4控制原理图（见附录） (9)
5调节阀流通能力的计算 (9)
5.1调节阀 (9)
5.2 PID 控制算法 (10)
6数字PID 参数的选择 (17)
6.1采样周期的选择 (17)
6.2数字PID 控制的参数选择 (18)
.6.3数字PID 控制的工程实现 (19)
第三章控制系统的硬件设计 (23)
1可编程控制器 (23)
1.1可编程控制器（PLC ） (23)
1.2可编程控制器的基本原理 (24)
1.3001482--MR FX N 可编程控制器 (26)
1.4AD FX N 42-模拟量输入模块 (27)
1.5DA FX N 42-模拟量输出模块 (27)
2液位计 (28)
3温度变送器 (28)
3.1概述 (28)
3.2主要特点 (29)
3.3工作原理 (29)
4压力变送器 (30)
5电动执行机构 (31)
第四章控制系统软件设计 (34)
1控制系统整体分析 (34)
1.1系统设计基本原则 (34)
1.2逻辑控制要求 (35)
1.3系统主电路图 (35)
1.4输入/输出点数统计 (35)
1.5PLC最终选型 (37)
总结 (38)
致谢 (39)
参考文献 (40)
附录 (41)
前言
1课题设计的背景
本设计的背景是利用造纸工业产生的废液生产颗粒状复合肥料,要求为该生产过程设计相应的控制系统。
造纸企业污染排放是我国水污染的一个主要原因。将造纸厂的废水直接排放会导致生态环境严重恶化，而废水污染治理不仅技术复杂，而且投资很大，因此造纸废液
治理成为企业和社会日益关注的问题。
另一方面，造纸黑液也含有大量的可利用成分，其中含氮、钾（硫酸钾）、磷、硅及有机物等因此。可以将造纸厂排出的黑液浓缩后，与有机质预配料混合,再通过喷雾干燥成复合肥，达到治理造纸黑液的目的。
2造纸废液处理的意义
造纸术作为我国古代“四大发明”之一，对人类文明的进步做出了巨大的贡献，但现代造纸工业却处在落后水平。在我国，造纸业是传统的用水大户，也是造成水污染的重要污染源之一。随着经济的发展，企业日益面临水资源短缺、原料匮乏的问题，而另一方面，水污染也越来越严重。目前我国造纸工业废水排放量及COD排放量均居我国各类工业排放量的首位，造纸工业对水环境的污染最为严重，它不但是我国造纸工业污染防治的首要问题，也是全国工业废水进行达标处理的首要问题。据统计，我国县及县以上造纸及纸制品工业废水排放量占全国工业总排放量的18.6%，其中处理排放达标量占造纸工业废水总排放量的49.3%，排放废水中COD约占全国工业COD总排放量的44.0%。近年经多方不懈努力，造纸工业水污染防治已经取得了一定的成绩，虽然纸及纸板产量逐年增加，但排放废水中的COD却逐年降低。由此看出，造纸工业初步实现了“增产减污”的目标。但目前造纸行业约占排放总量50%的废水尚未进行达标处理，废水污染防治任务还相当繁重。
造纸黑液作为造纸工业的主要污染物，含有大量可利用成分。典型造纸黑液所含的污染杂质中，约有1/3为无机物，无机物主要包括大量的游离碱和硫化物。2/3为有机物，有机物主要是木质素、半纤维素、糖类和有机酸等。这些物质作为资源进行回收，就能化害为利，创造出极为可观的价值。因此对造纸黑液的治理，只有走资源化的道路，搞综合利用，才能从根本上解决污染环境的问题，并在取得环境效益的同时，还可取得良好的经济效益和社会效益。
3过程控制的发展概况
基本概念
过程控制系统-----指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。
过程控制-----指工业部门生产过程的自动化。
过程控制的重要性
进入90年代以来自动化技术发展很快，是重要的高科技技术。过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化电过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。
过程控制的发展概况
19世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。
19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。主要特点：检测和控制仪表-----采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程控制系统结构------单输入、单输出系统；被控参数------温度、压力、流量和液位参数；控制目的------保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；理论-----频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。
19世纪60年代(综合自动化阶段)：过程控制发展的第二个阶段，工厂企业实现车间或大型装置的集中控制。主要特点：检测和控制仪表-----采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，计算机控制系统的应用，实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；过程控制系统结构------多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统；控制目的------提高控制质量或实现特殊要求；理论-----除经典控制理论，现代控制理论开始应用。
前馈控制-----按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以地提高控制质量。
选择性控制-----在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限事，自动实现的保护性控制。
19世纪70年代以来(全盘自动化阶段)：
发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。主要特点：检测和控制仪表-----新型仪表、智能化仪表、微型计算机；过程控制系统结构-------由单变量到多变量系统，由PID控制规律到特殊控制规律，由定值控制到最优控制、自适应控制，由仪表控制系统到智能化计算机分布式控制系统；理论-----现代控制理论过程控制领域，如状态空间分析，系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。
4可编程逻辑控制器（PLC）的发展
可编程控制器（Programble Controller）由美国设备数字公司于60年代末首先开发出来，并在通用汽车公司的技术改造中得到了成功的应用。主要实现多种逻辑控制问题以取代传统的继电器硬接线方式控制系统，另外也具备简单的逻辑处理、计数、定时功能。到20世纪70年代后期，人们将微处理器应用于PLC中，使之成为一种专业的工业控制计算机，功能大大增强。逐渐成为实现工业自动化的主要手段之一。
PLC正朝着两个方向发展，一是微小型，具有体积更小、速度更快、功能更强、多功能、兼容性更好等特点，为小型化、低成本的控制要求服务；二是大型，在具有以上特点的同时，还具有网络化、通信等特点，以满足组网功能，组建整个工厂的自动化控制系统。随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能正在不断的改进，各个厂家也在不断推出自己的新产品，产品的更新换代速度很快。
在造纸废液处理这个领域，传统的技术大多使用的传统的控制方式——继电器
式。但是很多大型现代化的污水处理企业已经开始使用PLC控制系统。相比之下，PLC 控制系统在控制性能和了或新性上都超过传统控制方式，在行业内也得到了广泛的认可。逐步在新一轮的技术改造中占据优势。
5 PLC生产过程控制系统
可编程控制器（PLC）作为一种新兴的工业控制设备，它集合了计算机技术和自动化技术。其灵活可靠、功能强大、使用方便的优点，使得可编程控制器在控制系统中的应用越来越广泛。
随着科技的飞速发展，现在的可编程控制器已经拥有了很多的功能，可以用于逻辑控制、模拟控制、设备控制、自动化生产控制等。还可以与其他的计算机等设备组成集散控制系统。
可编程控制器之所以能得到飞速发展，是因为它和传统的电器控制相比有很多优点，它继承了传统控制方式的控制效果和功能，它还有传统控制方式无法实现的功能。具体的说，相对于传统的控制方式，它有以下优点：
1.控制方法，传统控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合进行控制逻辑，其明显的缺点是线多且复杂、体积大、功耗大。系统一旦架构完毕，将无法进行实时的系统改进和升级。可编程控制器因为采用了计算机技术，其逻辑是以方程式的方式存在存储器里，因此，在结构上体积小、接线少、功耗小。触点结构也可以灵活的扩展。
2.控制速度，传统控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。
3.控制精度，传统控制电路由于机械接触问题，无法达到可编程控制器精度高。
4.可靠性，传统的控制系统用机械触点接触，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
第二章过程控制方案比较、设计
1工艺过程分析
利用造纸工业产生的废液生产颗粒状复合肥的简化工艺过程如图2-1所示：
图2-1
工艺过程可以如下描述，在颗粒复合肥的生产过程中，经浓缩后的造纸黑液经泵P1送入1#储料罐，有机配料浓液经泵P2送入2#储料罐中。经泵P3、P4将两种液体输入反应器3#罐中，先加热到一定温度，然后进行搅拌。搅拌一段时间后由P5送入4#原料罐中，再由高压泵P5打入压力式干燥器中进行干燥处理，产品由干燥器下部收集。
通过对整个工艺过程的分析，可以将该生产过程分为两大部分，如图2-2所示，即混料反应过程和干燥工程。
图2-2
据此，我们将造纸废液生产颗粒状复合肥料（plc）控制系统主要分两大（系统）部分组成：一是配料（混料）反应系统，如图2-3所示；二是干燥处理系统，如图2-4所示。
图2-3配料（混料）反应系统
图2-4 干燥系统
2配料（混料）反应系统
图2-3配料（混料）反应系统的工艺过程控制仪描述为，将1#、2#罐中的反应液按一定得要求倒入3#反应罐中，进行加热到T℃,然后进行搅拌工序，搅拌t时间后，将3#罐中的混合料打入4#罐中，准备进入干燥系统。
如何将1#、2#罐中的原料注入3号罐中，以实现原料的按比例注入，其方法大致有以下几种：
第一种设计方法，通过调节泵P3、P4的流量来实现对原料成比例注入反应罐的控制。该设计方法能够实时的实现原料的按比例注入，更利于原料的混合，但是要通过PLC实现，则需要采用比例，比例-积分-微分等复杂的控制。对现场的仪表、设备及整个系统的要求比较高。
第二种设计方法，通过调节1#、2#罐的液位上下限来实现对原料成比例注入反应罐的控制。该设计方法利用简单的设备，即实现了原料的按比例注入，考虑到3#反应罐在混料后有搅拌过程，所以，这种方法也不会出现原料混合不均的情况。但是，这种方法却无法最好的利用大容量的1#、2#储料罐的储料功能。
第三种设计方法，在反应罐中设置上中下三个液位限，按先后顺序注两种原料，以此来实现对原料成比例注入反应罐的控制。这种方法基本上克服了第一、二种方法中的缺点，同时，也满足了基本的要求。
经过对已知三种方法的对比分析，在本设计中选择第三种设计方法进行3#罐的原料按比例注入控制。
3干燥处理系统
图2-4干燥系统的工艺过程可以描述为，来自1#、2#原料罐的原料在3#罐经过反应、加热、搅拌等工序以后，形成了高浓度的糊状物质，储存在4#原料罐中，经过高压泵P6打入到干燥器中，干燥后最终得到我们的产品。
要实现该干燥过程的自动控制，首先要选择出合适的被控参数，要检测产品是否干燥合格，最直接的方法就是检测产品中的水分，但是由于技术水平等原因，测量水
分十分困难，所以，我们选择干燥器温度作为被控参数。温度波动小于±1℃.
在干燥过程中分别有原料流量、空气量、蒸汽量影响干燥器温度，分别会形成不同的控制方式，具体的控制示意图分别如下：
图2-5以混合料流量为控制参数的控制方案示意图
图2-6以进风量为控制参数的控制方案示意图
图2-7以蒸汽量为控制参数的控制方案示意图
说明：f1(t)混合料流量；
f2(t)风量；
f3(t)蒸汽量。
按照图2-5使用混合料流量作为控制参数时，控制通道滞后最小，对干燥温度的校正是最灵敏的，绕的通道的时间延迟大并且作用位置靠近调节阀，从控制方面来看是最好的选择。但是，该生产过程的最终产品是颗粒状的复合肥料，要检测产品的生产能力会很难实现，因此，图2-5所示控制工艺不可取。
图2-6、图2-7所示控制工艺区别在于：由于换热器是一双容对象，时间常数大，因而采用风量为控制参数时，图2-6控制系统的控制通道的时间常数小，扰动通道的时间常数则大；采用蒸汽量为控制参数时（图2-7），控制通道时间常数大，扰动通道时间常数反而小。此外，采用风量为控制参数时，扰动作用点位置靠近调节阀，根据相关选择控制参数的原则，选择空气量为控制参数的方案为最佳，亦即图2-6控制方案。
4控制原理图（见附录）
5调节阀流通能力的计算
调节阀额定流量系数的定义是：在规定条件下，即阀的两端压差为105Pa ，流体的密度为1g/cm3，额定行程时流经调节阀以m3/h 或t/h 的流量数。
调节阀的流通能力v K 值，是调节阀的重要参数，它反映流体通过调节阀的能力，也就是调节阀的容量。根据调节阀流通能力v K 值的计算，就可以确定选择调节阀的口径。为了正确选择调节阀的尺寸，必须准确计算调节阀的额定流量系数v K 值。
5.1调节阀
（空气类介质）Kv 值计算
调节阀的流通能力Kv 值，介质不同，算法也不同。本设计选用的调节阀是用来控制进风量的，属于气体类介质，所以计算Kv 值夜选用气体类算法。
a.一般气体
当P2>0.5P1时
m g
P P t G Q Kv ??+=)273(73.4 当P2≤0.5P1时
)273(90.21t G P Q Kv g
+=
式中：P1—阀前压力（绝对压力）KPa ；
P2—阀后压力（绝对压力）KPa ；
Qg —标准状态下气体流量m3/h ；
Pm —
(P1、P2为绝对压力)KPa ；
△P=P1-P2；
G —气体比重（空气G=1）；
t —气体温度℃；
b.高压气体（PN>10MPa ）；
当P2>0.5P1时， Z P P t G Q Kv m g
???+=)273(73.4 当P2≤0.5P1时，
Z t G P Q Kv g
)273(90.21+=
式中：Z —气体压缩系数，可查GB2624-81《流量测量节流装置的设计安装和使用》。
调节阀选择的一般步骤
（1）首先根据生产能力和设备负荷计算最大流量Qmax 和最小流量Qmin 。
（2）根据所选择的流量特性及系统特点选定S 值，然后再根据压力分配和管路损失，确定最小压差△Pmin 和最大压差△Pmax 。
（3）按流通能力计算公式，求行最大流量时的Kvs 。
（4）根据Kvs 在所选产品型式的标准，选取大于Kvs 并接近的Kv 值。
（5）根据选定的Kv 值和流量特性，验证调节阀的开度，要求开度在10%与90%之间。
（6）计算R ，验算可调比。
（7）名项验证合格后，根据Kv 值确定调节阀的口径。
5.2 PID 控制算法
模拟PID 控制系统
1、模拟PID 控制系统组成
图2－8 模拟PID 控制系统原理框图
2、模拟PID 调节器的微分方程和传输函数 PID 调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。
1、PID 调节器的微分方程
??????++=?t D I P dt t de T dt t e T t e K t u 0)()(1)()(
式中 )()()(t c t r t e -=
2、PID 调节器的传输函数
??????++==
S T S T K S E S U S D D I P 11)()()( 3、PID 调节器各校正环节的作用
①比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调
节器立即产生控制作用以减小偏差。 ②积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI ，TI 越大，积分作用越弱，反之则越强。
③微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
数字PID 控制器
1、模拟PID 控制规律的离散化 模拟形式
离散化形式 )()()(t c t r t e -= )()()(n c n r n e -=
dT t de )
( T n e n e )1()(--
?t dt t e 0)( ∑∑===n i n i i e T T i e 00)
()(
2、数字PID 控制器的差分方程
[]000)
()()()1()()()()(u n u n u n u u n e n e T T i e T T n e K n u D I P n
i D I P +++=+?
?????--++=∑=
式中 )()(n e K n u P P = 称为比例项
∑==n i I P I i e T T K n u 0)()( 称为积分项 [])1()()(--=n e n e T T K n u D P D 称为微分项
3、常用的控制方式 ①P 控制
0)()(u n u n u P += ②PI 控制
0)()()(u n u n u n u I P ++= ③PD 控制
0)()()(u n u n u n u D P ++= ④PID 控制 0
)()()()(u n u n u n u n u D I P +++= 4、PID 算法的两种类型
①、位置型控制――例如图5－1－5调节阀控制
[]00)1()()()()(u n e n e T T i e T T n e K n u n i D I P +??????--++=∑=
②、增量型控制――例如图5－1－6步进电机控制
[][])2()1(2)()()1()()
1()()(-+--++--=--=?n e n e n e T T K n e T T K n e n e K n u n u n u D P I P P
PID 算法的程序实现
1、增量型PID 算法的程序流程
1、
增量型PID 算法的算式 )2()1()()(210-+-+=?n e a n e a n e a n u
式中
) 1
(
0T
T
T
T
K
a D
I
P
+
+
=
，
)
2
1(
1T
T
K
a D
P
+
-
=
，T
T
K
a D
P
-
=
2
2、增量型PID算法的程序流程――图5－1－7（程序清单见教材）
二、位置型PID算法的程序流程
1、位置型的递推形式
)2
(
)1
(
)
(
)1
(
)
(
)1
(
)
(
2
1
-
+
-
+
+
-
=
?
+
-
=n
e
a
n
e
a
n
e
a
n
u
n
u
n
u
n
u
2、位置型PID算法的程序流程――图5－1－9
只需在增量型PID算法的程序流程基础上增加一次加运算Δu(n)+u(n-1)=u(n)和
更新u(n-1)即可。
三、对控制量的限制
1、控制算法总是受到一定运算字长的限制
2、执行机构的实际位置不允许超过上(或下)极限
?
?
?
?
?
=
max
min
)
(
)
(
u
n
u
u
n
u
max
max
min
min
)
(
)
(
)
(
u
n
u
u
n
u
u
u
n
u
>
<
<
≤
标准PID的改进
1、微分项的改进
一、不完全微分型PID控制算法
1、不完全微分型PID算法传递函数
??
???? ??++????
??+=1111)(S K T S T S T K S G D D D I P C
图5－2－1 不完全微分型PID 算法传递函数框图
2、完全微分和不完全微分作用的区别
图5-2-2 完全微分和不完全微分作用的区别
3、不完全微分型PID 算法的差分方程
[][])1()()1()()1()(--++--++
-=n u n e T K T T n e n e T K T T n u n u D D D D D D D D
[])1()()()(--+=?n u n u K n u T T K n u D D P D I P 4、不完全微分型PID 算法的程序流程――图5－2－3
二、微分先行和输入滤波
1、 微分先行
微分先行是把对偏差的微分改为对被控量的微分，这样，在给定值变化时，不会 产生输出的大幅度变化。而且由于被控量一般不会突变，即使给定值已发生改变， 被控量也是缓慢变化的，从而不致引起微分项的突变。微分项的输出增量为
[])1()()(-?-?=?n c n c T T K n u D P D 2、 输入滤波
输入滤波就是在计算微分项时，不是直接应用当前时刻的误差e(n)，而是采用滤
波值e(n)，即用过去和当前四个采样时刻的误差的平均值，再通过加权求和形式
近似构成微分项 [])3()2(3)1(3)(6)(-----+=n e n e n e n e T T K n u D P D
[])4()3(2)2(6)1(2)(6)(-+-+---+=
?n e n e n e n e n e T T K n u D P D
积分项的改进
一、抗积分饱和
积分作用虽能消除控制系统的静差，但它也有一个副作用，即会引起积分饱和。在偏差始终存在的情况下，造成积分过量。当偏差方向改变后，需经过一段时间后，输出u(n)才脱离饱和区。这样就造成调节滞后，使系统出现明显的超调，恶化调节品质。这种由积分项引起的过积分作用称为积分饱和现象。
克服积分饱和的方法：
1、积分限幅法
积分限幅法的基本思想是当积分项输出达到输出限幅值时，即停止积分项的计算，这时积分项的输出取上一时刻的积分值。其算法流程如图5-2-4所示。
2、积分分离法
积分分离法的基本思想是在偏差大时不进行积分，仅当偏差的绝对值小于一预定的门限值ε时才进行积分累积。这样既防止了偏差大时有过大的控制量，也避免了过积分现象。其算法流程如图5-2-5。
图5-2-4积分限幅法程序流程 5-2-5积分分离法程序流程
3、变速积分法
变速积分法的基本思想是在偏差较大时积分慢一些，而在偏差较小时积分快一些，以尽快消除静差。即用)(n e '代替积分项中的)(n e )
())(()(n e n e f n e ='
?????-=0)())((A n e A n e
f A n e A n e ><)()(
式中 A 为一预定的偏差限。
二、消除积分不灵敏区 1、积分不灵敏区产生的原因
)()(n e T T K n u I P
I =?
当计算机的运行字长较短，采样周期T 也短，而积分时间T I 又较长时，)(n u I ?)容易出现小于字长的精度而丢数，此积分作用消失，这就称为积分不灵敏区。
2、消除积分不灵敏区的措施：
1）增加A/D 转换位数，加长运算字长，这样可以提高运算精度。
2）当积分项小于输出精度ε的情况时，把它们 一次次累加起来，即
∑=?=N i I I i u S 1)
(
其程序流程如图5-2-6所示。
6数字PID 参数的选择
6.1采样周期的选择
一、选择采样周期的重要性
采样周期越小，数字模拟越精确，控制效果越接近连续控制。对大多数算法，缩短采样周期可使控制回路性能改善，但采样周期缩短时，频繁的采样必然会占用较多的计算工作时间，同时也会增加计算机的计算负担，而对有些变化缓慢的受控对象无需很高的采样频率即可满意地进行跟踪，过多的采样反而没有多少实际意义。
二、选择采样周期的原则――采样定理
最大采样周期
max max 21
f T = 式中m ax f 为信号频率组分中最高频率分量。
三、选择采样周期应综合考虑的因素
1、给定值的变化频率
加到被控对象上的给定值变化频率越高，采样频率应越高，以使给定值的改变通过采样迅速得到反映，而不致在随动控制中产生大的时延。
2、被控对象的特性
1） 考虑对象变化的缓急，若对象是慢速的热工或化工对象时，T
一般取得较大。在对象变化较快的场合，T 应取得较小。
2） 考虑干扰的情况，从系统抗干扰的性能要求来看，要求采样
周期短，使扰动能迅速得到校正。
3、使用的算式和执行机构的类型
1） 采样周期太小，会使积分作用、微分作用不明显。同时，因
受微机计算精度的影响，当采样周期小到一定程度时，前后两次采样
的差别反映不出来，使调节作用因此而减弱。
2） 执行机构的动作惯性大，采样周期的选择要与之适应，否则
执行机构来不及反应数字控制器输出值的变化。
4、控制的回路数
要求控制的回路较多时，相应的采样周期越长，以使每个回路的调节算法都有足够的时间来完成。控制的回路数n 与采样周期T 有如下关系：
∑=≥n j j
T T 1
式中，Tj 是第j 个回路控制程序的执行时间。
表5-3-1是常用被控量的经验采样周期。实践中，可按表中的数据为基础，通过试验最后确定最合适的采样周期。
6.2数字PID 控制的参数选择
一、数字PID 参数的原则要求和整定方法
1、原则要求：
被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下
系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统与环境参数发生变化时控
制应保持稳定。显然，要同时满足上述各项要求是困难的，必须根据具体过程的要
求，满足主要方面，并兼顾其它方面。
2、PID 参数整定方法：
理论计算法――依赖被控对象准确的数学模型（一般较难做到）
工程整定法――不依赖被控对象准确的数学模型，直接在控制系统中进行现场整定（简单易行）
二、常用的简易工程整定法
1、扩充临界比例度法――适用于有自平衡特性的被控对象
整定数字调节器参数的步骤是：
(1)选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。
(2)去掉积分作用和微分作用，逐渐增大比例度系数P K 直至系统对阶跃输入的响 应达到临界振荡状态(稳定边缘)，记下此时的临界比例系数K K 及系统的临界振荡
周期K T 。
(3)选择控制度。
模拟控制度????????????=??∞∞0202)(e )(e dt t dt t DDC
通常，当控制度为1.05时。就可以认为DDC 与模拟控制效果相当。
(4)根据选定的控制度，查表5-3-2求得T 、K P 、T I 、T D 的值。
2、扩充响应曲线法――适用于多容量自平衡系统
参数整定步骤如下：
(1)让系统处于手动操作状态，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来，然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号。
(2)用记录仪表记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图5-3-1所示。
(3)在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ，被控对象时间常数T τ以及它们的比值T τ/τ。
(4)由求得的τ、T τ及T τ/τ查表5-3-3，即可求得数字调节器的有关参数K P 、T I 、T D 及采样周期T 。
3、归一参数整定法
令K T T 1.0=，K I T T 5.0=，K D T T 125.0=。则增量型PID 控制的公式简化为 [])2(25.1)1(5.3)(45.2)(-+--=?n e n e n e K n u P
改变K P ，观察控制效果，直到满意为止。
.6.3数字PID 控制的工程实现
给定值和被控量处理
一、给定值处理
图5-4-2 给定值处理
1、选择给定值SV ――通过选择软开关CL/CR 和CAS/SCC 选择： 内给定状态――给定值由操作员设置
外给定状态――给定值来自外部，通过软开关CAS/SCC 选择： 串级控制――给定值SVS 来自主调节模块
SCC 控制――给定值SVS 来自上位计算机
2、给定值变化率限制――变化率的选取要适中
二、被控量处理
图5-4-3 被控量处理
1、被控量超限报警：
当PV>PH(上限值)时，则上限报警状态(PHA)为“1”；
当PV 为了不使PHA/PLA的状态频率改变，可以设置一定的报警死区(HY)。 2、被控量变化率限制――变化率的选取要适中 偏差处理 图5-4-4偏差处理 一、计算偏差――根据正/反作用方式(D/R)计算偏差DV 二、偏差报警――偏差过大时报警DLA为“1” 三、输入补偿――根据输入补偿方式ICM的四种状态，决定偏差输出CDV： 一、非线性特性 控制系统仿真课程设计 （2011级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2014年6月 控制系统仿真课程设计一 ———交流异步电机动态仿真 一 设计目的 1．了解交流异步电机的原理，组成及各主要单元部件的原理。 2. 设计交流异步电机动态结构系统； 3．掌握交流异步电机调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。 二 设计及Matlab 仿真过程 异步电机工作在额定电压和额定频率下，仿真异步电机在空载启动和加载过程中的转速和电流变化过程。仿真电动机参数如下： 1.85, 2.658,0.2941,0.2898,0.2838s r s r m R R L H L H L H =Ω=Ω===， 20.1284Nm s ,2,380,50Hz p N N J n U V f =?===，此外，中间需要计算的参数如下： 21m s r L L L σ=-，r r r L T R =，22 2 s r r m t r R L R L R L +=，10N m TL =?。αβ坐标系状态方程： 其中，状态变量： 输入变量： 电磁转矩： 2p m p s r s L r d ()d n L n i i T t JL J βααωψψβ=--r m r r s r r d 1d L i t T T ααβαψψωψ=--+r m r r s r r d 1d L i t T T ββαβψψωψ=-++22s s r r m m m s r r s s 2r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ααβαα σψωψ+=+-+22 s s r r m m m s r r s s 2 r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ββαββ σψωψ+=--+[ ] T r r s s X i i αβαβωψψ=[ ] T s s L U u u T αβ=()p m e s s s s r n L T i i L βααβ ψψ=- 过程控制工程 课程设计任务书 设计名称：扬子烯烃厂丁二烯装置控制模拟设计设计时间：2006.2.20~2006.3.10 姓名：毛磊 班级：自动化0201 学号：05号 南京工业大学自动化学院 2006年3月 1.课程设计内容： 学习《过程控制工程》课程和下厂毕业实习2周后，在对扬子烯烃厂丁二烯装置的实际过程控制策略、实习环节的控制系统以及相应的组态软件有一定的认识和了解的基础上，针对扬子烯烃厂丁二烯装置，设计一个复杂控制系统（至少包含一个复杂回路和3-5个简单回路），并利用组态软件进行动态仿真设计，调节系统控制参数，使控制系统达到要求的控制效果。 1)独立完成设计任务，每个人根据下厂具体实习装置，确定自己的课程设 计题目，每1-3人/组； 2)选用一种组态软件（例如：采用力控组态软件）绘制系统工艺流程图； 3)绘制控制系统原有的控制回路； 4)利用下厂收集的实际数据和工艺要求，选择被控对象模型，利用组态软 件，对控制系统进行组态； 5)改进原有的控制回路，增加1-2个复杂回路，并进行组态； 6)调节控制参数，使性能指标达到要求； 7)写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计 思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出 说明，并对所完成的设计做出评价，对自己整个设计工作中经验教训， 总结收获。 2. 进度安排（时间3周） 1)第1周选用一种组态软件绘制系统工艺流程图；绘制控制系统原有的 控制回路； 2)第2周利用下厂收集的实际数据和工艺要求，选择被控对象模型，利 用组态软件，对控制系统进行组态； 3)第3周(1-3) 改进原有的控制回路，增加1-2个复杂回路，并进行组态； 调节控制参数，使性能指标达到要求； 4)第3周(4) 书写课程设计说明书 5)第3周(5) 演示、答辩 成都理工大学工程技术学院《过程控制系统课程设计实验报告》 名称：单容水箱液位过程控制 班级：2011级自动化过程控制方向 姓名： 学号： 目录 前言 一．过程控制概述 (2) 二．THJ-2型高级过程控制实验装置 (3) 三．系统组成与工作原理 (5) （一）外部组成 (5) （二）输入模块ICP-7033和ICP-7024模块 (5) （三）其它模块和功能 (8) 四．调试过程 (9) （一）P调节 (9) （二）PI调节 (10) （三）PID调节 (11) 五．心得体会 (13) 前言 现代高等教育对高校大学生的实际动手能力、创新能力以及专业技能等方面提出了很高的要求，工程实训中心的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的基础训练基地。通过对基础训练设施的 集中投入，面向全校相关专业，形成一定的规模优势，建立科学规范的训练和管理方法，使训练对象获得机械、 电子基本生产过程和生产工艺的认识，并具备一定的实践动手能力。 其次，工程实训的内容应一定程度地体现技术发展的时代特征。为了适应现代化工业技术综合性和多学科交叉的特点，工程实训的内容应充分体现机与电结合、技术与非技术因素结合，贯穿计算机技术应用，以适应科学技术高速发展的要求。应以一定的专项投入，建设多层次的综合训练基地，使不同的训练对象在获得对现代工业生产方式认识的同时，熟悉综合技术内容，初步建立起“大工程”的意识，受到工业工程和环境保护方面的训练，并具备一定的实用技能。 第三，以创新训练计划为主线，依靠必要的软硬件环境，建设创新教育基地。以产品的设计、制造、控制乃至管理为载体，把对学生的创新意识和创新能力的培养，贯穿于问题的观测和判断、创造和评价、建模和设计、仿真和建造的整个过程中。 《过程控制系统》习题解答 1-1 试简述过程控制的发展概况及各个阶段的主要特点。 答：第一个阶段50年代前后：实现了仪表化和局部自动化，其特点： 1、过程检测控制仪表采用基地式仪表和部分单元组合式仪表 2、过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统 3、被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数 4、控制的目的是保持这些过程参数的稳定，消除或减少主要扰动对生产过程的影响 5、过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题 第二个阶段60年代来：大量采用气动和电动单元组合仪表，其特点： 1、过程控制仪表开始将各个单元划分为更小的功能，适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统 2、计算机系统开始运用于过程控制 3、过程控制系统方面为了特殊的工艺要求，相继开发和应用了各种复杂的过程控制系统（串级控制、比值控制、均匀控制、前馈控制、选择性控制） 4、在过程控制理论方面，现代控制理论的得到了应用 第三个阶段70年代以来：现代过程控制的新阶段——计算机时代，其特点： 1、对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算系统进行多参数综合控制 2、自动化技术工具方面有了新发展，以微处理器为核心的智能单元组合仪表和开发和广泛应用 3、在线成分检测与数据处理的测量变送器的应用 4、集散控制系统的广泛应用 第四个阶段80年代以后：飞跃的发展，其特点： 1、现代控制理论的应用大大促进了过程控制的发展 2、过程控制的结构已称为具有高度自动化的集中、远动控制中心 3、过程控制的概念更大的发展，包括先进的管理系统、调度和优化等。 1-2 与其它自动控制相比，过程控制有哪些优点？为什么说过程控制的控制过程多属慢过程？ 过程控制的特点是与其它自动控制系统相比较而言的。 一、连续生产过程的自动控制 连续控制指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量控制，而且应是连续可调的。若控制动作在时间上是离散的（如采用控制系统等），但是其被控量需定量控制，也归入过程控制。 二、过程控制系统由过程检测、控制仪表组成 过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表和电子计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。一个过程控制系统是由被控过程和检测控制仪表两部分组成。 三、被控过程是多种多样的、非电量的 现代工业生产过程中，工业过程日趋复杂，工艺要求各异，产品多种多样；动态特性具有大惯性、大滞后、非线性特性。有些过程的机理（如发酵等）复杂，很难用目前过程辨识方法建立过程的精确数学模型，因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。 四、过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制 因为大惯性、大滞后等特性，决定了过程控制的控制过程多属慢过程；在一些特殊工业生产过程中，采用一些物理量和化学量来表征其生产过程状况，故需要对过程参数进行自动检测和自动控制，所以过程控制多半为参量控制。 “化工混料过程”控制系统设计 1 分析研究被控对象与明确控制任务 1.1分析研究被控对象 图1.1.1是一个典型的化工混料过程，两种配料（配料A和配料B）在一个混合罐中由搅拌器混合，混合后的产品通过一个排料阀排出混料罐。 图1.1.1 搅拌系统示意图 系统中各个区域被控对象的工艺要求描述如下： 配料A和配料B区域： z每种配料的管道都配备有一个入口阀、一个进料泵以及一个进料阀； z进料管安装有流量传感器； z当急停按钮被按下时，进料泵运行立即停止； z当罐的液面传感器指示罐满时，进料泵运行立即停止； z当排料阀打开时，进料泵运行立即停止； z在启动进料泵后最开始的1秒中内必须打开入口阀和进料阀。 z在进料泵停止后（来自流量传感器的信号）阀门必须立即被关闭以防止配料从泵中泄露。 z进料泵的启动与时间监控功能相结合，换句话说，在泵启动后的7秒之内，流量传感器会报告溢出。 z当进料泵运行时，如果流量传感器没有流量信号，进料泵必须尽可能快地断开。 z进料泵启动地次数必须进行计数。（维护间隔） 混合罐区域： z当急停按钮被按下时，搅拌电机的启动必须被锁定。 z当罐的液面传感器指示“液面低于最低限”时，搅拌电机的启动必须被锁定。 z当排料阀打开时，搅拌电机的启动必须被锁定。 z搅拌电机在达到额定速度时要发出一个响应信号。如果在电机启动后10秒内还未接收到信号，则电机必须被断开。 z必须对搅拌电机的启动次数进行计数（维护间隔）。 z在混合罐中必须安装三个传感器： ――罐装满：一个常闭触点。当达到罐的最高液面时，该触点断开。 ――罐中液面高于最低限：一个常开触点。如果达到最低限，该触点 关闭。 ――罐非空：一个常开触点，如果罐不空，该触点闭合。 排料区域： z罐内产品的排出由一个螺线管阀门控制。 z这个螺线管阀门由操作员控制，但是最迟在“罐空”信号产生时，该阀门必须被关闭。 z当急停按钮被按下时，打开排料阀必须被锁定。 z当罐的液面传感器指示罐空时，打开排料阀必须被锁定。 z当搅拌电机在工作时，打开排料阀必须被锁定。 1.2明确控制任务 该“工业搅拌过程”是一个典型的顺序控制，本次设计，准备采用“上位机监控” + “下位机控制” + “操作面板”的方式对整个“工业搅拌过程”进行控制。 成绩： 《过程控制工程》 课程设计报告 题目：脱丙烷塔控制系统设计 学院：计算机与电子信息学院 班级：自动化 姓名： 学号： 指导教师： 起止日期：2012年12月31日～2013年01月4日 目录 一、设计任务书 (2) 二、设计说明书 (5) 1、摘要 2、基本控制方案的设计与分析 3、节流装置的计算 4、蒸汽流量控制阀口径的计算 三、参考文献 (11) 四、附图 (15) 一、设计题目： 《脱丙烷塔控制系统设计》 二、设计目的： 1、掌握控制系统的基本构成、原理及设计的方法和步骤。 2、掌握控制方案的设计、仪表选型的方法及管道流程图、仪表接线图、仪表安装等 图的绘制方法。 3、掌握节流装置和调节阀的计算。 4、了解信号报警及联锁系统的设计和顺序控制系统的设计。 5、通过理论联系实际，掌握必须的工程知识，加强对学生实践动手能力和独立完成 工程设计任务能力的培养。 三、设计所需数据： 1、主要工艺流程和环境特征概况 脱丙烷塔的主要任务是切割C3和C4混合馏分，塔顶轻关键组分是丙烷，塔釜重关键是组分丁二烯。主要工艺流程如图1所示：第一脱乙烷塔塔釜来的釜液和第二蒸出塔的釜液混合后进入脱丙烷塔，进料为气液混合状态，液化率为0.28。进料温度为32℃，塔顶温度为8.9℃，塔釜温度为72℃。塔操作压力为0.75MPa(绝压)。采用的回流比约为1.13。冷凝器由0℃丙烯蒸发制冷,再沸器加热用的0.15 MPa(绝压)减压蒸汽由来自裂解炉的0.6 MPa(绝压)低压蒸汽与冷凝水混合制得的。和其他精馏塔一样，脱丙烷塔也是一个高阶对象，具有对象通道多、在机理复杂、变量间相互关联、动态响应慢、控制要求高等特点。脱丙烷塔的自动控制应满足质量指标、物料指标、能量平衡及约束条件等要求。 脱丙烷塔所处的环境为甲级防爆区域,工艺介质为多种烃类混合物,沸点低、易挥发、易燃、易爆，生产装置处于露天，低压、低温。主导风向由西向东。 2、仪表选型说明 所选仪表应具有本质安全防爆性能等特点，电动Ⅲ型仪表在安全性、可靠性等方面已能满足要求。电动仪表信号传送快且距离远，易与计算机配合使用，除控制阀外，最好全部选用电动Ⅲ型仪表。采用安全栅，可构成本质安全防爆系统。 过程控制系统习题解 答 《过程控制系统》习题解答 1-1 试简述过程控制的发展概况及各个阶段的主要特点。 答：第一个阶段 50年代前后：实现了仪表化和局部自动化，其特点： 1、过程检测控制仪表采用基地式仪表和部分单元组合式仪表 2、过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统 3、被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数 4、控制的目的是保持这些过程参数的稳定，消除或减少主要扰动对生产过程的影响 5、过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题 第二个阶段 60年代来：大量采用气动和电动单元组合仪表，其特点： 1、过程控制仪表开始将各个单元划分为更小的功能，适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统 2、计算机系统开始运用于过程控制 3、过程控制系统方面为了特殊的工艺要求，相继开发和应用了各种复杂的过程控制系统（串级控制、比值控制、均匀控制、前馈控制、选择性控制） 4、在过程控制理论方面，现代控制理论的得到了应用 第三个阶段70年代以来：现代过程控制的新阶段——计算机时代，其特点： 1、对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算系统进行多参数综合控制 2、自动化技术工具方面有了新发展，以微处理器为核心的智能单元组合仪表和开发和广泛应用 3、在线成分检测与数据处理的测量变送器的应用 4、集散控制系统的广泛应用 第四个阶段 80年代以后：飞跃的发展，其特点： 1、现代控制理论的应用大大促进了过程控制的发展 2、过程控制的结构已称为具有高度自动化的集中、远动控制中心 3、过程控制的概念更大的发展，包括先进的管理系统、调度和优化等。 1-2 与其它自动控制相比，过程控制有哪些优点？为什么说过程控制的控制过程多属慢过程？ 《测控系统综合课程设计》教学大纲 课程编码： 060251008 学时/学分：2周/4学分 一、大纲使用说明 本大纲根据测控技术与仪器专业2017版教学计划制定 （一）适用专业：测控技术与仪器专业 （二）课程设计性质：必修课 （三）主要先修课程和后续课程： 1、先修课程：matlab、计算机过程控制技术、网络化测控系统、微机原理及应用、过程控制系统与仪表。 2、后续课程：毕业设计 （四）适用教学计划版本：2017版教学计划 二、课程设计目的及基本要求 1．进一步培养学生网络化设计的思想，加深对网络化测控系统要素和控制结构的理解。 2．针对网络化测控系统的重点和难点内容进行训练，培养学生独立完成有一定工作量的程序设计任务和系统设计任务。 3．培养学生掌握组态王等编程语言的编程技巧及上机调试程序的方法。 4．培养学生掌握控制系统中的PID算法。 5、培养学生团队合作意识和较强的人际交往能力。 课程设计一人一题，4人为一组的方式进行，分工与任务要求明确，设计题目结合现有的实验设备，着重锻炼学生的应用能力和动手能力，通过系统装置联机调试，最后完成课程设计报告。 三、课程设计内容及安排 1、课程设计内容 本次课程设计利用组态和VB软件进行温度控制系统软件设计，可采用调压控制或占空比控制两种方式，结合P、PI、PD、PID控制算法，共为学生提供多个题目选择，4名同学为1组结合现有的实验设备,自拟课设题目（需经老师核准），根据自己设计题目要求，分析系统的特点和系统特性，在实验室依据设计方案进行系统硬件电路连接，通过不同的软件编程及控制方式，可实现无线平台、监控计算机和实验对象的联机运行及控制，达到预期对温度的控制目的。每组大题目可参考如下。 题目1：基于VB的调压PI温度控制系统 设计内容：基于无线通信实验平台、电加热炉等硬件，电炉被控对象的加热采用调压控制模式，利用VB编程语言及控制算法实现此系统的方案、界面、数据采集和温度控制等的设计。 题目2：基于VB的占空比PD温度控制系统设计 设计内容：基于无线通信实验平台、电加热炉等硬件，电炉被控对象的加热采用占空比控制模式，利用VB编程语言及控制算法实现此系统的方案、界面、数据采集和温度控制等的设计。 题目3：基于组态王的调压PID温度控制系统设计 设计内容：基于无线通信实验平台、电加热炉等硬件，电炉被控对象的加热采用调压控制模式，利用组态王编程语言及控制算法实现此系统的方案、界面、数据采集和温度控制等的设计。 同组4个子题目可参看如下： （1）控制系统仿真 针对平台电热炉的被控对象，根据同组同学采用飞升曲线法建立的对象模型（一阶惯性加滞 华东交通大学理工学院 Institute of Technology. East China Jiaotong University 课程（论文） 题目工业过程控制系统发展与趋势 分院：电信分院 专业：电力牵引与传动控制 班级：12电牵1班 学号： 学生姓名： 指导教师：李杰 起讫日期：2015.11-2015.12 摘要 工业自动化技术的应用与发展，是工业技术改造﹑技术进步的主要手段和技术发展方向。本文主要介绍了工业自动化技术的特点及其对现阶段我国产业结构优化升级的重大推动作用。 关键词：工业自动化技术；技术进步；产业结构 Abstract The application and development of industrial automation technology is the main method and technology development direction of industrial technological transformation and technological progress. This paper mainly introduces the characteristics of industrial automation technology and its important role in promoting China's industrial structure optimization and upgrading at present. Key words: industrial automation technology; technological progress; industrial structure 《控制系统》课程设计课题：加热炉温度控制系统 系别：电气与电子工程系 专业：自动化 姓名： 学号：1214061（44、32、11） 指导教师 河南城建学院 2010年12月29日 成绩评定· 一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。 二、评分（按下表要求评定） 评分项目 设计报告评分答辩评分平时表现评分 合计 （100分）任务完成 情况 （20分） 课程设计 报告质量 （40分） 表达情况 （10分） 回答问题 情况 （10分） 工作态度与 纪律 （10分） 独立工作 能力 （10分） 得分 课程设计成绩评定 班级姓名学号 成绩：分（折合等级） 指导教师签字年月日 一、设计目的： 通过对一个使用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。 二、设计要求： 设计一个加热炉温度控制系统，确定系统设计方案，画出系统框图，完成元器件的选择和调节器参数整定。 三、总体设计： 1．控制系统的设计思想 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。 2 .加热炉控制系统原理 加热炉控制系统以炉内温度为主被控对象，燃料油流量为副被控对象的串级控制系统。该控制系统的副回路由燃料油流量控制回路组成，因此，当扰动来自燃料油上游侧的压力波动时，因扰动进入副回路，所以，能迅速克服该扰动的影响。 由于炉内温度的控制不是单一因素所能实现的，所以，还要对空气的流量进行控制。空气的控制直接影响炉内燃烧的状况，不仅影响炉温，还直接影响了能源的利用率和环境的污染。所以，对空气的控制很有必要，其原理和燃料控制相同。 过程控制系统论文关于过程控制的论文 高炉TRT过程控制系统的研究与应用 摘要：TRT为高炉煤气余压能量回收透平发电装置的简称，它是把高炉出口煤气中所蕴含的压力能和热能，通过透平膨胀机作功，驱动发电机发电的一种能量回收装置。从而达到节能、降噪、环保的目的，具有很好的经济效益和社会效益，是目前现代国际、国内钢铁企业公的节能环保装置。TRT机组运行的关键是：在任何时刻，都不能影响高炉的炉顶压力。 关键词：PLC；可靠性；PID；自动控制 1 概述 TRT为高炉煤气余压能量回收透平发电装置的简称，它是把高炉出口煤气中所蕴含的压力能和热能，通过透平膨胀机作功，驱动发电机发电的一种能量回收装置。从而达到节能、降噪、环保的目的，具有很好的经济效益和社会效益，是目前现代国际、国内钢铁企业公认的节能环保装置。 2 高炉TRT过程控制系统工艺简介 目前，作为我国高炉节能、降噪、环保的能量回收装置TRT，不可避免在运行过程中出现紧急停机现象。特别是目前高炉普遍的塌料现象，如果对于系统的过程控制方案采取不当，将会导致高炉炉顶压力迅间增大，以至“憋压”。当压力超上限，就迫使TRT紧急跳车，使机组及时的退出静叶对高炉顶压的自动调节。当快切阀门关闭以后，调节高炉顶压的控制权就交给两个液压伺服控制的旁通阀（快开阀）。在国内TRT的发展历史上，由于所选择的控制系统方案不当而导致了多次事故的发生，一般情况下很容易将透平止推瓦损坏，更为严重的是由于炉顶压力的迅间增大，给高炉造成了极大的危险和危害，以至被迫停炉，影响了生产。 3 关键技术 通过参照TRT工艺的要求，对机组紧急停机时的高炉顶压调节采取了前馈-反馈（FFC-FBC）控制方案。该控制方案综合了前馈控制与反馈控制的优点，将反馈控制不易克服的干扰（高炉煤气流量）进行前馈控制，快速打开旁通阀，使高炉煤气形成畅通。但是由于前馈控制属于开环控制，尽管可以消除这一不安全因素，但不能完全保证顶压稳定，如果顶压波动较大，势必影响高炉生产，因此就对该过程采取了前馈-反馈控制（也称为复合控制）。机组发电运行阶段，高炉顶压的控制权交给了透平静叶，具有一定的干扰。如果不选择合适的控制方案，则也将影响高炉炉顶压力。为了提高系统的抗干扰能力，我们对这一过程采取了串级控制通过静叶来调节高炉顶压，目前，在国内很多公司TRT控制设备通常在TRT自动投入的时候，通常采取顶压功率复合控制，他们把功率PID调节器输出与顶压PID调节器输出的最小值作为顶压功率复合调节的输出。这种控制方案的实施在抗干扰能力方面稍逊于串级控制思想方案的调节。因为一般在设备运行过程中，高炉煤气发生量随时变化，除此之外，煤气的温度及透平入口的压力也时刻在发生变化，这将会造成静叶的开度时刻的改变，这就是调节过程中产生的干扰因素。为此要克服对高炉顶压调节的干扰，采取串级控制回路调节是山东莱钢银前1000m3高炉TRT系统控制的一大亮点。这种调节方案的实施稳定的调节高炉的炉顶压力，设备运行稳定，也给操作人员带来了便利。从高炉TRT串级调节系统方框途中可以看出，该系统有两个环路，一个内环（副环）和一个外环（主环）。PID调节器是主调节器，伺服控制器是副调节器。主被控变量为高炉炉顶压力，透平静叶的开度为副变量。主控制器的输出是副控制器的给定，而副控制器的输出直接送到电液伺服阀。在该串级控制系统中，主环是一个定值控制系统，而副回路是一个随动系统。对于本系统采取串级控制思路有如下好处：首先，从TRT系统的串级调节方框图上可以看出，由于副回路的存在，改善了对象（高炉炉 智能家居控制系统课程设计报告 XXXXXXXXXXXXXX 嵌入式系统原理及应用实践—智能家居控制系统（无操作系 统） 学生姓名XXX 学号XXXXXXXXXX 所在学院XXXXXXXXXXX 专业名称XXXXXXXXXXX 班级XXXXXXXXXXXXXXXXX 指导教师XXXXXXXXXXXX 成绩 XXXXXXXXXXXXX 二○XX年XX月 综合实训任务书 目录 前言 ............................................................................. 错误!未定义书签。 1 硬件设计 .................................................................. 错误!未定义书签。 1.1 ADC转换 ......................................................... 错误!未定义书签。 1.2 SSI控制数码管显示........................................ 错误!未定义书签。 1.3 按键和LED模块 ............................................. 错误!未定义书签。 1.4 PWM驱动蜂鸣器 ........................................... 错误!未定义书签。 2 软件设计 .................................................................. 错误!未定义书签。 2.1 ADC模块 ......................................................... 错误!未定义书签。 2.1.1 ADC模块原理描述 ................................ 错误!未定义书签。 2.1.2 ADC模块程序设计流程图 .................... 错误!未定义书签。 2.2 SSI 模块 ........................................................... 错误!未定义书签。 2.2.1 SSI模块原理描述 .................................. 错误!未定义书签。 2.2.2 SSI模块程序设计流程图 ...................... 错误!未定义书签。 2.3 定时器模块...................................................... 错误!未定义书签。 2.3.1 定时器模块原理描述 ............................ 错误!未定义书签。 2.3.2 定时器模块流程图................................ 错误!未定义书签。 2.4 DS18B20模块 .................................................. 错误!未定义书签。 工业过程控制系统(DCS) ?西门子PCS7系统介绍 ?PCS7系统高达的应用 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 西门子PCS7系统介绍 西门子为了应对制造业、过程工业和楼宇自动化行业中的挑战，提出了自己的独特解决方案—全集成自动化（TIA）和全集成能源管理（TIP）的驱动与自动化的解决方案，适用于各种行业。 SIMATIC PCS7过程控制系统是全集成自动化（TIA）的核心部分，为生产、过程控制和综合工业中所有领域实现统一且符合客户要求的自动化平台。 通过采用 SIMATIC PCS 7 的全集成自动化解决方案，可实现一致性的数据管理、通讯和组态，性能优异并可前瞻性地确保满足典型的过程控制系统应用需求。 ?简单而可靠的过程控制 ?用户友好的操作和可视化，并可通过因特网实现 ?系统范围内功能强大、快速、一致性的工程与组态 ?系统范围内的在线修改 ?在各个层级的系统开放性 ?灵活性和可扩展性 ?与安全相关的自动化解决方案 ?广泛的现场总线集成 ?仪表与控制设备的资产管理（诊断、预防性维护和维修） 1. PCS7工程组态系统—ES SIMATIC管理器是工程组态控制的控制中心，是工程组态工具套件的综合平台，同时也是SIMATIC PCS7过程控制系统所有工程组态任务的组态基础。SIMATIC PCS7项目各个方面的创建、管理、归档和记录都在这里进行。 过程控制仪表与系统 题目：工业含硫废气控制系统方案设计 学院：信息科学与工程学院 专业班级：测控技术与仪器1503班 学号： 7 学生姓名：王哲 教师：李飞 工业含硫废气控制系统方案设计 摘要：许多化工厂在厂区内燃料燃烧和生产工艺过程中都会产生各种含有污染的有害气体，其中含硫的气体对环境造成的污染尤为严重。因此对含硫废气正确合理的处理至关重要。在我国工业含硫废气一般多采用焚烧工艺，经焚烧炉焚烧，使污染性气体转换成安全物质。经方案论证后，本设计采用双闭环串级控制系统，控制目标温度在600-800℃设定尾气焚烧炉炉温波动范围不超过±30℃。该控制系统中运用PID算法，传感器将检测到的模拟信号送到变送器，变送器输出4～20mA的电流信号。将变送器输出的标准信号送入控制器中，控制器通过分析比较所测参数与预设参数之后输出控制信号，执行器根据传送过来的信号进行变化，最终达到对系统温度的控制。 关键词：双闭环串级控制系统；炉温控制；流量控制；变送器 1 引言 含硫废气与加氢反应器出口过程器被加热至270-320℃左右与外补富氢气混合后进入加氢反应器在加氢催化剂的作用下转化为H2S。加氢反应为放热反应，离开反应器的尾气-换热器换冷却后进入冷凝塔。 废气在冷凝塔中利用循环机冷水来降温。70℃冷凝水自冷凝塔底部流出，经济冷泵加压后经急冷水冷却器用循环水冷却至40℃，循环至冷却塔顶。部分急冷水经急冷水过滤器过滤后返回急冷水泵入口。尾气中的水蒸气被冷凝，产生的酸性水由急冷水泵送至酸性水处理处。为防止酸性水对设备的腐蚀，需向急冷水中注入氨根据ph值大小决定注入氨的量。 冷凝后的尾气离开冷凝塔进入回收塔，用30%的甲基二乙醇胺溶液吸收废气中的硫化氢，同时吸收部分二氧化碳。吸收塔底富液用富液泵送至溶剂再生部分统一处理。从塔顶出来的净化气经尾气分液罐分液后进入焚烧炉燃烧，有燃料气流量控制炉膛温度；废气中残留的硫化氢几乎全转化成二氧化硫，最后再对二氧化硫进行处理。 焚烧炉要控制温度在600-800℃，保证尾气可以充分燃烧，对环境和人的健康都没有危害。 温度控制系统可采用的方法有双闭环串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统、前馈-反馈控制系统、分程控制系统等。 2015 全国大学生电子设计竞赛 风力摆控制系统（B题） 【本科组】 2015年8月15日 摘要：本设计是基于STM32F103VE单片机为核心的简易风力摆控制系统，该系统由电源供电模块，直流风机及驱动模块、角度检测模块、信息处理模块、继电器及驱动模块、蜂鸣指示模块和液晶显示模块构成。STM32F103VE通过改变PWM占空比来实现对直流风机速度及方向的控制，该风力摆控制系统能够实现题目要求，简单做直线运动、复杂做圆周运动。 关键字：风力摆角度传感器单片机自动控制系统 一．方案论证： 1.系统结构 1）机械结构如图1所示。 一长约67cm的吸管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂4只直流风机，中间安装陀螺仪，构成一风力摆。风力摆下安装一向下的激光笔，静止时，激光笔下端距离地面18cm。 图 1 2）测控电路结构 测控电路结构如图2所示。 编码器按键 图2 2.方案比较与选择 其实整体电路架构上图已经给定，主要是几个关键部分————直流风机选型及架构、直流风机驱动电路、传感器、主控芯片选择，我们分析如下： 1）直流风机的选型 方案一：采样大电流成品直流风机，虽然风力够大，但驱动多个风机所需电流过大，单个电源难以满足要求，而且比较重，多个电机使得惯性过大难以控制。鉴于以上两点，弃用。 方案二：采用小型高速电机加螺旋桨自制直流风机，风力大，体积小，质量轻，而且性价比高。 风力摆控制系统风机质量轻，减小惯性，容易起摆；风力大，风速控制范围大，摆动角度大；体积小，减少外部的干扰；鉴于以上几点，本设计采用方案二。 STM32微处理器 角度传感器 直流风机 电机驱动电路 风机供电 OLED 液晶显示 蜂鸣器 安徽工业大学 设计(论文)任务书 课题名称面粉生产过程控制系统设计 学院电气信息学院 专业班级测控技术与仪器081 姓名李赟 学号089064013 指导教师张英杰老师 设计(论文)的主要内容及要求： 1．查阅资料了解面粉生产过程控制系统的发展历史和发展现状； 2．查阅资料分析面粉生产工艺流程； 3．设计面粉生产过程总体控制方案； 4．选择合适的PLC，完成硬件组态、编写相应的控制程序并进行及仿真; 5．使用组态软件对整个生产过程进行组态； 6．整理论文资料并书写设计论文; 7．查阅英文材料并进行翻译； 起止时间： 20XX 年2 月 18 日至 20XX 年 6 月 9 日共 16 周 指导教师签字系主任 签字 院长 签字 摘要 面粉加工是食品生产的重要原料工业，是粮食生产向人类消费过渡的传统行业。由于种种原因，其生产过程的自动化远远落后于同期实现机械化生产的纺织业。进入九十年代以来，为了降低成本，提高产品质量，适应不断变化的市场经济，我国的大中型面粉厂相继进行了电气自动化系统的改造，PLC开始被广泛的应用于我国面粉行业。 可编程控制器（Programmable Controller）简称PLC,是一台有别于普通微机的专用计算机，它能直接在工业环境中应用，不需要专门的空调和恒温环境，它专为工业环境控制而设计制造，具有丰富的输入输出接口和较强的输出驱动能力。由于它具有很多优点，目前已被广泛应用于全世界工业生产的各个领域。本文先介绍了PLC系统的硬件组成、工作原理、软件编程等，并详细介绍了利用PLC控制技术实现面粉生产过程的自动控制。 关键词：自动控制系统，面粉生产，iFIX，PLC 目录 第一章课程设计内容与要求 1.1课程设计内容 本次课程设计首先是温度表的调试，通过观察检测一块坏的电路板画出它的电路图，并改正错误，使温度表好使；其次是学会使用板卡PCL-818HD 和PCL-730，先分组焊接一个电路板，功能是通过调节滑动变阻器改变发光二极管的亮度，之后把焊接好的电路板连接到PCL-818HD上，检测电路板的功能；最后一部分是以前一个课程设计为基础，把已经设计好的粮食烘干机电气系统连接到工业计算机上，检测粮食烘干机电气系统的工作状况，熟悉数据采集卡I\O和A\D和D\A的使用，掌握模拟量和数字量的转换；主要的课程设计内容包括： （1）设计题目总体设计方案； （2）应用工控组态软件MCGS进行硬件接口设计； （3）系统的综合硬件调试； （4）撰写课程设计论文； （5）完成课程设计论文答辩； 1.2课程设计要求 组态软件硬件接口设计要求： （1）开关量测量： 输入信号- 启动按钮、闸门正反转限位、物料位置等。 输出信号- 停止按钮、控制、显示和故障报警信号等。 （2）模拟量测量： A/D信号- 电流、转速、温度、压力、流量和频率等。 D/A信号- 电流和电压。 （3）数据采集卡：I/O 采集卡、A/D采集卡和 D/ A采集卡。 （4）数据对象：设置数据变量的名称、类型、初始值和数值范围。 （5）动画连接：数据对象的实时采集值驱动图形的动画效果。 （6）控制流程：编制脚本程序用来完成特定工艺流程的操作和处理。 （7）设备连接：通过设备窗口驱动和配置各种数据采集卡。 （8）数据处理：数据显示、数据存储、报警输出、曲线生成和安全机制等。 1.3课程设计的目的 本次课程设计主要培养学生们自己的动手能力、分析解决问题的能力，掌握工业计算机的使用方法，了解数据采集卡PCL-818HD和PCL-730及模拟量和数字量，设备驱动、设备连接和开关量测量掌握 MCGS 的使用方法和工程设计步骤。掌握 MCGS的流程控制、设备驱动、数据采集、数据处理、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作方法，达到熟练使用工控设备的目的，为更好的学习专业知识打下好的基础。 合肥学院HEFEI UNIVERSITY 集散控制系统的工程设计 班级： 10 姓名： 学号： 10 指导教师： 完成时间： 集散控制系统的工程设计 现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技术被认为是发展较快的两个分支，工业自动化根据生产过程的特点可分为过程控制和制造工业自动化及自动化测量系统。过程控制自动化是以流程工业为对象，流程工业自动化控制一般采用集散控制系统(DCS)。 一、DCS控制系统介绍 集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。 DCS的工程设计主要有12项内容，按先后顺序排列如下：方案论证，DCS 评估，DCS询价，技术谈判，合同签订，开工会议，系统设计，组态编程，安装调试，现场投运，整理文件，工程验收。 1.1集散控制系统的组成 1、现场控制级 又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。输出装置在有上位机的情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。 在DCS系统中，这一级别的功能就是服从上位机发来的命令，同时向上位机反馈执行的情况。至于它与上位机交流，就是通过模拟信号或者现场总线的数字信号。由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰，所以目前流行的是通过现场总线来进行DCS信号的传递。 步进式加热炉控制系统设计 一、步进式加热炉工艺流程 1. 步进式加热炉简介 ⑴步进式加热炉步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作 把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。 炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。 （2）步进式炉的几种类型 步进式炉从炉子构造上分目前有：单面供热步进式炉、两面供热步进式炉、钢料可以翻转的步进式炉、交替步进式炉、炉底分段的步进式炉等等。 单面供热步进式炉也称步进底式炉，钢料放置在耐火材料炉底或铺设在炉底上的钢枕上。钢坯吸热主要来自上部炉膛，由于一面受热，这种炉子的炉底强度较低。它适用于加热薄板坯、小断面方坯或有特殊要求的场合。 两面供热步进式炉也称步进梁式炉，活动梁和固定梁上都安设有能将钢坏架空的炉底水管。在钢坯的上部炉膛和下部炉膛都设置烧嘴，因此炉底强度较高，适用于产量很高的板坯或带钢轧前加热。 钢坯可以翻转的步进式炉是每走一步炉内钢料可以翻转某一角度，步进梁和固定梁都带有锯齿形耐热钢钢枕，这是加热钢管的步进式炉，每走一步钢管可以在锯齿形钢枕上滚动一小段距离，使受热条件较差的底面逐步翻转到上面，以求加热均匀。 交替步进式炉则有两套步进机构交替动作。运送过程中，钢坯不必上升和下降，振动较小，底面不会被划伤，表面质量较好 炉底分段的步进式炉的加热段和预热段可以分开动作。例如预热段每走一步，加热段可以 走两步或两步以上。这种构造是专门为易脱碳钢的加热而设计的。钢坯在预热段放置较密，可以得到正常的预热作用，在加热段钢坯前进较快，达到快速加热，以减少脱碳。 （3）步进式炉的优缺点 步进式炉是借机械将炉内钢坯托着一步一步前进，因此钢坯与钢坯还不必紧挨着，其间距可根据需要加以改变。 原始的步进式炉只用于加热推钢机无法推进的落板坯或异形坯，随着轧机的大型化和连续化，推钢式炉已不能满足轧机产量和质量的要求。在这种情况下，近十年来造价较高的步进式炉得到了快速发展，其结构也日趋完善。 步进式炉具有以下特点：（1）炉子长度不受钢坯厚度的限制，不会拱钢，炉子可以建得很长，目前有些炉子已接近60 米长，一个步进式炉可以代替1.5—2 个推钢式炉。（2）操作上灵活性较大，可以通过改变装料间隙调节钢坯加热时间，且更换品种方便。（3）炉内钢料易于清空，减少停炉时清除炉内钢料的时间。（4）钢坯在炉内不与水管摩擦，不会造成通过轧制还不能消除的伤痕。（5）水管黑印小，即能得到尺寸准确的轧材。（6）两面加热步进式炉可以不要实底均热段，因此加热能力比推钢式炉稍大。（7）没有出料滑坡，减少了由于滑坡高差作用而吸入炉内的冷空气。（8）钢坯有侧面加热，这样可实现三面或四面加热，因此加热时间短，钢坯氧化少。（ 9）生产能耗大幅度降低,从炼钢连铸后开始全连续的直接生产。（ 10）产量大幅度提高,在100* 104t/a 以上。（ 11）生产自动化水平非常高，原加热炉的控制系统大都是单回路仪表和继电器逻辑控制系统，传动系统也大多是模拟量控制式供电装置，现在的加热炉的控制系统大多数都具有二级过程控制系统和三级生产管理系统，传动系统都是全数字化的直流或交流供电装置。 步进式炉的缺点是炉底机械设备庞大，维护和检修都较复杂，炉子造价太高。两面供热的步进式炉炉底水管较多，热损失大。单面供热的步进式炉虽然无水冷热损失，但产量较低。因此，尽管步进式炉有很多优点，仅由于它造价太高，目前在中小型厂全面推广还不适宜。控制系统仿真课程设计报告.
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