中南大学 《过程控制仪表》 课程设计报告
设计题目 流量控制系统设计 指导老师 王莉 吴同茂 设计者 专业班级 学号 设计日期 2013年6月
目录
第一章 过程控制仪表设计的目的意义.................................. 2
1.1 设计目的 ................................................... 1
1.2 课程在教学计划中的地位和作用 ............................... 1
第二章 流量控制系统设计............................................ 2
２.1 流量控制系统设计思想..................................... 2
2.2 流量控制控制系统的控制要求 ................................. 2
2. ３ 流量控制系统工艺流程 ....................................... 2
２. ４ 流量控制系统总体设计方案 ................................. 4
２. ４.1流量控制系统总体设计框图 ............................. 4
１．流量单闭环控制系统....................................... 5
２．流量比值控制............................................. 5
２. ４.2流量控制系统硬件设计 ................................. 6
第三章 系统的实验调试............................................... 9
3.1 PID控制方式简介............................................. 9
3.2数字PID 位置型控制算法(差分处理)............................. 9
3.3 PID参数整定方法............................................ 10
3.4 本实验调试过程 ............................................. 10
3.5 调试中遇到的具体问题及解决办法 ............................ 12
第四章 收获、体会、建议.......................................... 14
参考文献........................................................... 15
第一章 过程控制仪表设计的目的意义
1.1 设计目的
本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。课程设计的主要任务是设计工业生产过程经常遇到的压力、流量、液位及温度控制系统，通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID 控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。
1.2 课程在教学计划中的地位和作用
控制仪表与装置是实现生产自动化的重要工具。在自动控制系统中，由检测仪表将生产工艺参数变为电信号或气压信号后，不仅要由仪表显示或记录，让人们了解生产过程的情况，还需将信号传送给控制仪表和装置，对生产过程进行自动控制，使工艺参数符合预期要求。
本课程在教学计划中的目的和作用是培养学生单元操作原理的工程概念。通过本课程的学习，学生能够掌握流量控制系统的设计与基本原理，让学生理论与实践能力相结合，更好地加深对过程控制这门课程的理解。更好的锻炼学生的动手实践能力。
第二章 流量控制系统设计
２.1 流量控制系统设计思想
工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID 控制器是根据PID 控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID 控制器将达不到预期的控制效果。
流量控制系统不包含影响调节过程快速性的大滞后效应和大惯性特性，所以系统响应快，通频带宽；系统中普遍存在外扰，如负载流量的波动和泵的脉动造成的压力脉动等。因此应综合考虑系统的快速性、稳定性、稳态误差、抗干扰能力等进行综合设计。
2.2 流量控制控制系统的控制要求
流量控制系统的被控变量可以选择内容器或外容器的流量，操作变量则可以选择进内容器调节阀或外容器调节阀控制容器进水流量。要求通过比较反馈，再经PID 调节器运算，最后调节电子阀的阀门开度，改变流入水箱的水流量以达到控制的目的。流量控制系统不包含影响调节过程快速性的大滞后效应和大惯性特性，所以系统响应快，通频带宽；系统中普遍存在外扰，如负载流量的波动和泵的脉动造成的压力脉动等。因此控制要求系统的快速性、稳定性、稳态误差、抗干扰能力等都能达到预期的目的。
2. ３ 流量控制系统工艺流程
该装置由嵌套的两个容器、 流体输送装置及相关的检测、变送、执行仪表组成。配套的仪表屏上安装了控制、 显示、记录等仪表和水泵的启动、停止按钮，并配有带连接信号插座孔的工艺模拟流程图。工艺过程模拟流程图如图2.1所示。
图2.1 带连接信号插座孔的流量装置工艺模拟流程图
上图2.1中，标有字母的方块为各种仪表，O 为各仪表输入、输出的单线插件的插孔（+,- 插孔）。其中：
C ：控制器（调节器）。该装置配有4个单回路调节器，其中C1、C2和C3的控制输出信号为4~20mA，C4的控制输出信号为固态继电器控制信号，每个调节器设有三对插座孔（＋，－插孔）。其中: PV孔为测量值输入，SV 孔为外设定输入或阀位反馈信号输入，O 孔为调节器输出。
R ：记录仪为无纸4通道记录仪，输入信号4~20mA，其中R1为1号通道，R2为2号通道，R3为3号通道，R4为4号通道。到每个通道有两个插座孔，其中上孔（＋插孔）接变送器来的信号，下孔（－插孔）用来转接到其他仪表作为输入信号，不能接错。
V 1~2和I 1~2 ：两路电压/电流转换器。其中V 1为第1路电压输入信号端，I 1 为第1路电流输出信号端，V 2为第2路电压输入信号端，I 2 为第2路电流输出信号端，O 上孔（＋插孔）接电压/电流转换器来的正信号，下孔（－插孔）接电压/电流转换器来的负信号，不能接错。
FT ：流量变送器。流量变送器有二种，一种为LZ 型金属管浮子流量计，输入0~50L/h ，输出4~20 mA信号 ，另一种为LWGY 型涡轮流量计，输入0~400L/h ，输出4~20 mA信号 ，它们都需外部提供24V 工作电源。接线方式为负载正端接FT （+）流量变送器正端，负载负端接FT （―）流量变送器负端。
VL ：电子式电动调节阀为电子小流量调节阀，电动调节阀输入4~20 mA电流信号，对应阀门输出开度0~100%。
X/Y：乘除器。信号X 、Y 、Z 之间的关系为：Z ＝X ＊A 或Z ＝Y ＊A 。其中A=0~1.0，B=0，X 、Y 为输入信号，Z 为输出信号，这三对插座孔均为4~20mA信号。
整个装置有两个检测变量（内容器流量、外容器流量），可从中选择一至两个为被控变量。 有三个控制变量（两个经调节阀的流量和固态继电器控制输出电压），可选为操作变量，或选为扰动输入。选定被控变量、操作变量、主要扰动和控制方案后， 只要在模拟控制流程图上的插座孔进行不同的连接，就能方便、迅速地组成不同的控制系统。
在带连接信号插座孔的流量装置工艺模拟流程图中所示，简单内给定闭环内容器流量控制回路的接线方式如下：首先把内容器流量FT 1的电流信号串入无纸记录仪的1号通道R1，再串入到1号调节器的输入端PV ，如：FT1(+)接R1(+)，R1（-）接C1(PV+)，C1(PV-) 接FT1(-) ，再把调节器的控制输出信号接到VL1上，如：C1的O(+)接VL1的（+）， VL1的（-）接C1的O(-) 连接即可完成。用同样的方法可构成串级控制回路、比值控制回路等复杂控制回路。 ２. ４ 流量控制系统总体设计方案
基本要求如下:
1). 流量控制范围在0～400m 3/h。
2). 控制要求：单回路控制精度为±1%，双回路控制精度为±2%。
２. ４.1流量控制系统总体设计框图
本课程设计流量控制系统从结构形式可以分为单闭环流量控制系统和双闭环流量比值控制系统。单回路控制系统包含一个测量变送器、一个调节器、一个执行器和对象，对对象的某一个被控制参数进行闭环负反馈控制。双回路流量比值控制系统有两个闭环回路组成，给定流量作为内容器的设定值，内流量的反馈和比值器相乘作为外容器的给定。两个闭环回路均采用位置PID 进行设计。
１．流量单闭环控制系统
流量单闭环控制系统以下四个部分组成: （1）被控对象——流量对象内容器；（2）电子阀；（3）流量变送器；（4）PID 智能调节器。其带控制点的工艺流程图和方块图如图2.2和2.3所示。
图2.2 内容器单闭环流量控制系统工艺流程图
Q1
图2.3内容器单闭环流量控制系统结构框图
图2.3中被控对象为内容器，操作变量为内容器电子调节阀VL1的阀位开度输出，调节参数是流入水箱的水流量Q1，内容器流量由流量变送器检测得到，并作为反馈信号Qf, 它和流量给定值Qs 进行比较，得到偏差信号Qi, 调节器对输入偏差Qi 进行PID 运算，输出变化量u 控制信号，控制电子调节阀VL1的阀位，改变调节参数Q ，使被调节参数Q1保持着设定值。其中f 为系统扰动信号。 ２．流量比值控制
本装置中有两个可控制的水流量，一路进夹套，一路进内容器。一般可从中任意选择一路流量为主动量，另一路则为从动量，以此组成单闭环比值控制系统或双闭环比值控制系统。若以进内容器水流量Q1为主动量、进外容器水流量Q2
为从动量可组成双闭环比值控制系统。其带控制点的工艺流程图和方块图如图
2. ４和2. ５所示。
图2. ４双闭环流量比值控制系统工艺流程图
图2. ５双闭环流量比值控制系统结构框图
给定流量作为内容器的设定值，内流量的反馈和比值器相乘作为外容器的给定。两个闭环回路均采用位置PID 进行设计。
２. ４.2流量控制系统硬件设计
1. 智能调节器选型
采用虹润的仪表公司的NHR-５３３０Ａ－２７／２７－０／０／２／Ｄ２／２Ｐ（１２／２４）／Ｄ智能调节器，其参数如下:
规格尺寸：160*80*110mm（横式）
输入信号：模 拟 量
第一路(测量) 输入分度号 ： 4～20mA (-1999～9999)
第二路(阀位反馈或外给定) 输入分度号：4～20mA (-1999～9999)
控制输出：4-20mA(RL≤600Ω)
报警点数：２限报警
通讯接口（通讯协议）：RS232通迅接口（Modbus ）
馈电输出（输出电压）：2路馈电输出
供电电源 ：DC 20-29V
精度：测量显示精度±0.5%FS或±0.2%FS
频率转换精度±1脉冲（LMS ）一般优于0.2%
2. 电动调节阀选型
采用湖南力升信息设备有限公司的LSDZ-50电动调节机构，技术指标如下 出轴力矩(N.m)：50
动作范围：0~360°
动作时间（S ）:20
控制电路选项:4-20mA输入
位置输出：4-20mA 直流
动力电源：220VAC 50Hz
精度：定位精度：0.5%，位置反馈精度：0.5%
环境温度：-25~+55℃
3. 流量计选型
采用湖南金湖润华仪表科技有限公司的RH-LDE 液体流量计，技术指标如下:
精度： ±0.5%R
口径： 150mm, 标准量程6.36～635.85m 3/h
重复性： 0.05%～0.2%
4. 比值器选型
采用虹润的NHR-5200Ａ－２７／２７－０／０／２／Ｄ２／２Ｐ（１２／２４）／Ｄ－（Ｑ），技术指标如下:
规格尺寸：160*80*110mm（横式）
输入信号：模 拟 量
第一路(测量) 输入分度号 ： 4～20mA (-1999～9999)
第二路(阀位反馈或外给定) 输入分度号：4～20mA (-1999～9999) 控制输出：4-20mA(RL≤600Ω)
报警点数：２限报警
通讯接口（通讯协议）：RS232通迅接口（Modbus ）
馈电输出（输出电压）：2路馈电输出
供电电源 ：DC 20-29V
5. 无纸记录仪选型
采用虹润公司的HR-SSR －８－１单色无纸记录仪，技术指标如下:
显示器：采用160*128点阵、高亮度黄底黑字液晶屏，LED 背光、画面清晰；
输入信号：电 流：0～10mA 、4～20mA 等输入阻抗≤250Ω
输出信号：DC 4～20mA （负载电阻≤500Ω）
环境温度：0-50℃
测量精度：±0.5%FS或±0.2%FS
测量范围：-9999～19999字
记录间隔：1、2、5、10、15、30、60、120、240秒可选
6. 水泵选型
采用威乐山姆逊(北京) 水泵系统有限公司的立式单级管道泵 IL，技术指标如下：
流量范围: 900m3/h
压力范围: 最大扬程：85m
功率范围: 0.25kw至200kw
说明：需用两台泵并联抽水.
第三章 系统的实验调试
按照实验指导书的要求接线，经老师检查无误后接通电源并给予预设值，开始实验调试的环节：
3.1 PID控制方式简介
根据偏差的比例（P ）、积分（I ）、微分（D ）进行控制的方式称为PID 控制方式，PID 控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。经典的PID 控制算法，从系统的稳定性、响应速度，超调量和稳态精度等各方面考虑问题，通过经验判断和参数整定得到预期的控制效果。所以有必要先说明PID 各参数的作用：
1、比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差。随着比例参数KP 的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。KP 取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。
2、积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差。积分时间常数Ti 越大系统的稳态误差消除的越快，但Ti 也不能过大，否则在响应过程的初期会产生积分饱和现象。若Ti 过小，系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。
3、微分控制可以减小超调量，克服震荡，使系统稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。但Td 不能过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节时间，并且会降低系统的抗干扰性能。
总之PID 参数的整定必须考虑在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关系。
3.2数字PID 位置型控制算法(差分处理)
PID 控制规律：
u (t ) =K p [e (t ) +1T i ⎰t 0e (t ) dt +T d de (t ) dt ]
公式（2.1） 变换成差分方程可得数字PID 位置型控制算法：
k ⎡e (k ) -e (k -1) ⎤T u (k ) =K P ⎢e (k ) +e (i ) +T D ∑⎥公式（2.2） T I i =0T ⎣⎦
可简记为：
公式（2.3） u (k ) =K P e (k ) +K I ∑e (i ) +K D (e (k ) -e (k -1) )
i =0k
3.3 PID参数整定方法
一是简易工程法。这种方法的最大优点在于，整定参数时不必依赖被控对象的数学模型。简易工程整定法是由经典的频率法简化而来，虽然稍微粗糙一点，但是简单易行，适于现场应用。具体方法有扩充临界比例度法、扩充响应曲线法、归一参数整定法。
二是优选法。其具体做法是根据经验，先把其他参数固定，然后用0.618法对其中某一参数进行优选，待选出最佳参数后，再换另一个参数进行优选，直到把所有的参数优选完毕，最后根据T 、Kp 、Ti 、Td 诸参数优选的结果取一组最佳值即可。该方法属于经验法的一种。
三是凑试法。原理：根据P 、I 、D 参数对系统性能的影响趋势逐各整定参数值。增大比例系数KP 一般将加快系统的响应，在有静态误差时，有利于减小静态误差；但是过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间TI 有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静态误差的消除将随之减慢。增大微分时间TD 亦有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
3.4 本实验调试过程
实验中，我们首先做了流量单闭环控制系统的实验，利用数字PID 位置型控
制算法，采用凑试的PID 参数整定方法，我们参考各个参数对控制过程的响应趋势，对参数实行先比例、后积分、在微分的整定步骤。
1. 首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，也即比例带P 由大变小，并观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，则只需用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。
2. 如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。整定时首先置积分时间TI 为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小(如缩小为原值的0.8倍) ，然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静态误差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。
3．若使用比例积分调节器消除了静态误差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。在整定时，可先置微分时间TD 为0。在第二步整定的基础上，增大TD ，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。
根据以上步骤，我们经过不断的修改参数、观察输出、分析结果等多次循环工作之后，我们终于得到了一组比较理想的PID 控制参数值，如表2.1所示：
表2.1 实验PID 参数值
流量单闭环调节系统参数整定完毕以后，我们又开始整定流量比值控制系统，在保持主回路参数基本不变的情况下，对副回路参数进行调节，经反复调节及老师指导，得到最优PID 参数，
主控回路，
P ：814.7
I:16
D:4 ；
副控回路，
P ：550
I:20
D:3
3.5 调试中遇到的具体问题及解决办法
1.在给定值逐渐增大时，0-40 m 3/h内阀门开度基本不变，这说明0-40 m 3/h以下系统存在非线性区，导致调节阀控制滞后，而40 m3/h -400 m3/h系统处于较好的工作状态，响应曲线无论是从稳态误差的角度还是快速性的角度，都能满足控制要求。于是我们大致得出结论，系统的线性工作区约为：40H/L-400H/L。这是以后设定给定值的依据。
2. 在流量单闭环控制系统参数调节过程中，我们根据理论分析：因为流量计和流量调节装置中不包含影响调节过程快速性的大滞后效应和大惯性特性，所以系统响应快，存在干扰，为增加系统的稳定程度和抗外扰能力，我们在参数整定初期没有采用微分控制规律，只采用PI 调节，但无论如何改变参数，系统总是达不到理想的调节效果，无奈之下我们加入了微分作用，并相应改变了P 、I 参数，最终取得了较为满意的结果，调节范围、超调量、调节时间、稳态精度等技术指标都较为满意。这个调节过程使我们认识到，理论与实践是有差距的。
3. 在流量单闭环控制系统参数整定完毕以后，我们看是做流量比值控制系统实验，首先基本的硬件连线我们就遇到了问题，我和搭档意见不一致，又都觉得自己是对的，主要涉及硬件连线中串联和并联的问题，于是我们就向学长请教，他告诉我们，变送器输出是4-20毫安电流信号，所以各个器件要串联，否则会分流，造成信号在传输过程中失真，最终在学长的指导下我们完成了接线任务。
4. 完成接线后，我们开始调节主副回路PID 参数，按照理论分析，当主回路参数调节完成以后，只要对副回路进行调节即可，副回路对主回路性能的有影响，但不是很大，但我们在进行双回路控制时，发现调节副回路参数，对主回路的性能指标影响很大，于是我们去请教了老师，老师首先很耐心地帮我们核对了仪器的参数设置，然后帮我们分析线路连接情况，最终找到问题所在，硬件连线存在问题。我们根据老师的建议作出修正，主回路个性能均恢复正常。
5. 在副回路参数调节过程中，我们又发现主副回路调节达到稳定时，两回路输出相同，由于是主回路的反馈值经比值器最为副回路的给定值，所以主回路是定值系统，副回路是随动系统，副回路的输出随主回路的输出而变化，理论上稳定时应为主回路输出的一半。为了找出问题所在，我们反复检查仪表参数设置和线路连接，始终未找到问题所在。在老师的帮助下，问题得以解决，问题是比值
器是定制的，有的参数是确定的，不允许改动，而我们不清楚，只按照理论情况进行设定，导致错误。
第四章 收获、体会、建议
经过几天的耐心调试，本次课程实际结束了，这次课程设计让我学到了很多。 首先，作为一名自动化的学生，前期已经学习了《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等课程，可是当老师讲起控制技术，讲起PID, 我的脑海中首先出现的不是各种算法各种公式，而是什么时候学过了它，什么时候考的试，那一刻我有点惭愧了。吴老师的耐心讲解，让我在很短的时间内对数字PID 控制有了更深刻和清晰的理解。
几天的调试过程，给了我们锻炼耐力的机会，对着测量仪表，你能做的只有耐心调试，认真观察测量输出，认真分析实验结果，从而找到原因，做出正确判断。做真正的实验告诉我们，实验结果不会骗我们，只有努力了才能有所收获。
在这里我首先要感谢吴同茂老师，她平日要带很多实验，很忙，可是她还是每天去了解我们的实验进程，帮助我们查找错误、纠正错误，有时候我们会犯很低级的错误，她会很严厉地批评我们，刚开始有点害怕她，到后来竟然觉得被她骂也是好的。同时也感谢我的搭档，没有她的配合，我们也没这么快做完。 通过本次课程设计，我对过程控制尤其是PID 控制算法的理解又更深入了一层。课堂上学到的终究还是理论知识，只有在实践中才能发现存在的问题进而提出解决方案。这次课程设计给了我们一次极好的理论联系实践的机会，在理论的指导下，我们得以更快的完成控制任务；在实践的过程中我们又进一步对理论知识加深了理解。
希望以后老师能继续严格要求我们，给我们更多学习和进步的机会。 再次，谢谢吴老师的悉心指导！
参考文献 [1] 吴同茂编. 过程控制仪表实验及课程设计指导书. 中南大学教材科，2012年
[2] 向婉成. 控制仪表与装置 天津：机械工业出版社,2003年
[3] 于海生. 微型计算机控制技术 北京：清华大学出版社，1999年
[4] 胡寿松. 自动控制原理 北京：科学出版社，2007年
中南大学 《过程控制仪表》 课程设计报告
设计题目 流量控制系统设计 指导老师 王莉 吴同茂 设计者 专业班级 学号 设计日期 2013年6月
目录
第一章 过程控制仪表设计的目的意义.................................. 2
1.1 设计目的 ................................................... 1
1.2 课程在教学计划中的地位和作用 ............................... 1
第二章 流量控制系统设计............................................ 2
２.1 流量控制系统设计思想..................................... 2
2.2 流量控制控制系统的控制要求 ................................. 2
2. ３ 流量控制系统工艺流程 ....................................... 2
２. ４ 流量控制系统总体设计方案 ................................. 4
２. ４.1流量控制系统总体设计框图 ............................. 4
１．流量单闭环控制系统....................................... 5
２．流量比值控制............................................. 5
２. ４.2流量控制系统硬件设计 ................................. 6
第三章 系统的实验调试............................................... 9
3.1 PID控制方式简介............................................. 9
3.2数字PID 位置型控制算法(差分处理)............................. 9
3.3 PID参数整定方法............................................ 10
3.4 本实验调试过程 ............................................. 10
3.5 调试中遇到的具体问题及解决办法 ............................ 12
第四章 收获、体会、建议.......................................... 14
参考文献........................................................... 15
第一章 过程控制仪表设计的目的意义
1.1 设计目的
本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。课程设计的主要任务是设计工业生产过程经常遇到的压力、流量、液位及温度控制系统，通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID 控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。
1.2 课程在教学计划中的地位和作用
控制仪表与装置是实现生产自动化的重要工具。在自动控制系统中，由检测仪表将生产工艺参数变为电信号或气压信号后，不仅要由仪表显示或记录，让人们了解生产过程的情况，还需将信号传送给控制仪表和装置，对生产过程进行自动控制，使工艺参数符合预期要求。
本课程在教学计划中的目的和作用是培养学生单元操作原理的工程概念。通过本课程的学习，学生能够掌握流量控制系统的设计与基本原理，让学生理论与实践能力相结合，更好地加深对过程控制这门课程的理解。更好的锻炼学生的动手实践能力。
第二章 流量控制系统设计
２.1 流量控制系统设计思想
工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID 控制器是根据PID 控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID 控制器将达不到预期的控制效果。
流量控制系统不包含影响调节过程快速性的大滞后效应和大惯性特性，所以系统响应快，通频带宽；系统中普遍存在外扰，如负载流量的波动和泵的脉动造成的压力脉动等。因此应综合考虑系统的快速性、稳定性、稳态误差、抗干扰能力等进行综合设计。
2.2 流量控制控制系统的控制要求
流量控制系统的被控变量可以选择内容器或外容器的流量，操作变量则可以选择进内容器调节阀或外容器调节阀控制容器进水流量。要求通过比较反馈，再经PID 调节器运算，最后调节电子阀的阀门开度，改变流入水箱的水流量以达到控制的目的。流量控制系统不包含影响调节过程快速性的大滞后效应和大惯性特性，所以系统响应快，通频带宽；系统中普遍存在外扰，如负载流量的波动和泵的脉动造成的压力脉动等。因此控制要求系统的快速性、稳定性、稳态误差、抗干扰能力等都能达到预期的目的。
2. ３ 流量控制系统工艺流程
该装置由嵌套的两个容器、 流体输送装置及相关的检测、变送、执行仪表组成。配套的仪表屏上安装了控制、 显示、记录等仪表和水泵的启动、停止按钮，并配有带连接信号插座孔的工艺模拟流程图。工艺过程模拟流程图如图2.1所示。
图2.1 带连接信号插座孔的流量装置工艺模拟流程图
上图2.1中，标有字母的方块为各种仪表，O 为各仪表输入、输出的单线插件的插孔（+,- 插孔）。其中：
C ：控制器（调节器）。该装置配有4个单回路调节器，其中C1、C2和C3的控制输出信号为4~20mA，C4的控制输出信号为固态继电器控制信号，每个调节器设有三对插座孔（＋，－插孔）。其中: PV孔为测量值输入，SV 孔为外设定输入或阀位反馈信号输入，O 孔为调节器输出。
R ：记录仪为无纸4通道记录仪，输入信号4~20mA，其中R1为1号通道，R2为2号通道，R3为3号通道，R4为4号通道。到每个通道有两个插座孔，其中上孔（＋插孔）接变送器来的信号，下孔（－插孔）用来转接到其他仪表作为输入信号，不能接错。
V 1~2和I 1~2 ：两路电压/电流转换器。其中V 1为第1路电压输入信号端，I 1 为第1路电流输出信号端，V 2为第2路电压输入信号端，I 2 为第2路电流输出信号端，O 上孔（＋插孔）接电压/电流转换器来的正信号，下孔（－插孔）接电压/电流转换器来的负信号，不能接错。
FT ：流量变送器。流量变送器有二种，一种为LZ 型金属管浮子流量计，输入0~50L/h ，输出4~20 mA信号 ，另一种为LWGY 型涡轮流量计，输入0~400L/h ，输出4~20 mA信号 ，它们都需外部提供24V 工作电源。接线方式为负载正端接FT （+）流量变送器正端，负载负端接FT （―）流量变送器负端。
VL ：电子式电动调节阀为电子小流量调节阀，电动调节阀输入4~20 mA电流信号，对应阀门输出开度0~100%。
X/Y：乘除器。信号X 、Y 、Z 之间的关系为：Z ＝X ＊A 或Z ＝Y ＊A 。其中A=0~1.0，B=0，X 、Y 为输入信号，Z 为输出信号，这三对插座孔均为4~20mA信号。
整个装置有两个检测变量（内容器流量、外容器流量），可从中选择一至两个为被控变量。 有三个控制变量（两个经调节阀的流量和固态继电器控制输出电压），可选为操作变量，或选为扰动输入。选定被控变量、操作变量、主要扰动和控制方案后， 只要在模拟控制流程图上的插座孔进行不同的连接，就能方便、迅速地组成不同的控制系统。
在带连接信号插座孔的流量装置工艺模拟流程图中所示，简单内给定闭环内容器流量控制回路的接线方式如下：首先把内容器流量FT 1的电流信号串入无纸记录仪的1号通道R1，再串入到1号调节器的输入端PV ，如：FT1(+)接R1(+)，R1（-）接C1(PV+)，C1(PV-) 接FT1(-) ，再把调节器的控制输出信号接到VL1上，如：C1的O(+)接VL1的（+）， VL1的（-）接C1的O(-) 连接即可完成。用同样的方法可构成串级控制回路、比值控制回路等复杂控制回路。 ２. ４ 流量控制系统总体设计方案
基本要求如下:
1). 流量控制范围在0～400m 3/h。
2). 控制要求：单回路控制精度为±1%，双回路控制精度为±2%。
２. ４.1流量控制系统总体设计框图
本课程设计流量控制系统从结构形式可以分为单闭环流量控制系统和双闭环流量比值控制系统。单回路控制系统包含一个测量变送器、一个调节器、一个执行器和对象，对对象的某一个被控制参数进行闭环负反馈控制。双回路流量比值控制系统有两个闭环回路组成，给定流量作为内容器的设定值，内流量的反馈和比值器相乘作为外容器的给定。两个闭环回路均采用位置PID 进行设计。
１．流量单闭环控制系统
流量单闭环控制系统以下四个部分组成: （1）被控对象——流量对象内容器；（2）电子阀；（3）流量变送器；（4）PID 智能调节器。其带控制点的工艺流程图和方块图如图2.2和2.3所示。
图2.2 内容器单闭环流量控制系统工艺流程图
Q1
图2.3内容器单闭环流量控制系统结构框图
图2.3中被控对象为内容器，操作变量为内容器电子调节阀VL1的阀位开度输出，调节参数是流入水箱的水流量Q1，内容器流量由流量变送器检测得到，并作为反馈信号Qf, 它和流量给定值Qs 进行比较，得到偏差信号Qi, 调节器对输入偏差Qi 进行PID 运算，输出变化量u 控制信号，控制电子调节阀VL1的阀位，改变调节参数Q ，使被调节参数Q1保持着设定值。其中f 为系统扰动信号。 ２．流量比值控制
本装置中有两个可控制的水流量，一路进夹套，一路进内容器。一般可从中任意选择一路流量为主动量，另一路则为从动量，以此组成单闭环比值控制系统或双闭环比值控制系统。若以进内容器水流量Q1为主动量、进外容器水流量Q2
为从动量可组成双闭环比值控制系统。其带控制点的工艺流程图和方块图如图
2. ４和2. ５所示。
图2. ４双闭环流量比值控制系统工艺流程图
图2. ５双闭环流量比值控制系统结构框图
给定流量作为内容器的设定值，内流量的反馈和比值器相乘作为外容器的给定。两个闭环回路均采用位置PID 进行设计。
２. ４.2流量控制系统硬件设计
1. 智能调节器选型
采用虹润的仪表公司的NHR-５３３０Ａ－２７／２７－０／０／２／Ｄ２／２Ｐ（１２／２４）／Ｄ智能调节器，其参数如下:
规格尺寸：160*80*110mm（横式）
输入信号：模 拟 量
第一路(测量) 输入分度号 ： 4～20mA (-1999～9999)
第二路(阀位反馈或外给定) 输入分度号：4～20mA (-1999～9999)
控制输出：4-20mA(RL≤600Ω)
报警点数：２限报警
通讯接口（通讯协议）：RS232通迅接口（Modbus ）
馈电输出（输出电压）：2路馈电输出
供电电源 ：DC 20-29V
精度：测量显示精度±0.5%FS或±0.2%FS
频率转换精度±1脉冲（LMS ）一般优于0.2%
2. 电动调节阀选型
采用湖南力升信息设备有限公司的LSDZ-50电动调节机构，技术指标如下 出轴力矩(N.m)：50
动作范围：0~360°
动作时间（S ）:20
控制电路选项:4-20mA输入
位置输出：4-20mA 直流
动力电源：220VAC 50Hz
精度：定位精度：0.5%，位置反馈精度：0.5%
环境温度：-25~+55℃
3. 流量计选型
采用湖南金湖润华仪表科技有限公司的RH-LDE 液体流量计，技术指标如下:
精度： ±0.5%R
口径： 150mm, 标准量程6.36～635.85m 3/h
重复性： 0.05%～0.2%
4. 比值器选型
采用虹润的NHR-5200Ａ－２７／２７－０／０／２／Ｄ２／２Ｐ（１２／２４）／Ｄ－（Ｑ），技术指标如下:
规格尺寸：160*80*110mm（横式）
输入信号：模 拟 量
第一路(测量) 输入分度号 ： 4～20mA (-1999～9999)
第二路(阀位反馈或外给定) 输入分度号：4～20mA (-1999～9999) 控制输出：4-20mA(RL≤600Ω)
报警点数：２限报警
通讯接口（通讯协议）：RS232通迅接口（Modbus ）
馈电输出（输出电压）：2路馈电输出
供电电源 ：DC 20-29V
5. 无纸记录仪选型
采用虹润公司的HR-SSR －８－１单色无纸记录仪，技术指标如下:
显示器：采用160*128点阵、高亮度黄底黑字液晶屏，LED 背光、画面清晰；
输入信号：电 流：0～10mA 、4～20mA 等输入阻抗≤250Ω
输出信号：DC 4～20mA （负载电阻≤500Ω）
环境温度：0-50℃
测量精度：±0.5%FS或±0.2%FS
测量范围：-9999～19999字
记录间隔：1、2、5、10、15、30、60、120、240秒可选
6. 水泵选型
采用威乐山姆逊(北京) 水泵系统有限公司的立式单级管道泵 IL，技术指标如下：
流量范围: 900m3/h
压力范围: 最大扬程：85m
功率范围: 0.25kw至200kw
说明：需用两台泵并联抽水.
第三章 系统的实验调试
按照实验指导书的要求接线，经老师检查无误后接通电源并给予预设值，开始实验调试的环节：
3.1 PID控制方式简介
根据偏差的比例（P ）、积分（I ）、微分（D ）进行控制的方式称为PID 控制方式，PID 控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。经典的PID 控制算法，从系统的稳定性、响应速度，超调量和稳态精度等各方面考虑问题，通过经验判断和参数整定得到预期的控制效果。所以有必要先说明PID 各参数的作用：
1、比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差。随着比例参数KP 的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。KP 取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。
2、积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差。积分时间常数Ti 越大系统的稳态误差消除的越快，但Ti 也不能过大，否则在响应过程的初期会产生积分饱和现象。若Ti 过小，系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。
3、微分控制可以减小超调量，克服震荡，使系统稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。但Td 不能过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节时间，并且会降低系统的抗干扰性能。
总之PID 参数的整定必须考虑在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关系。
3.2数字PID 位置型控制算法(差分处理)
PID 控制规律：
u (t ) =K p [e (t ) +1T i ⎰t 0e (t ) dt +T d de (t ) dt ]
公式（2.1） 变换成差分方程可得数字PID 位置型控制算法：
k ⎡e (k ) -e (k -1) ⎤T u (k ) =K P ⎢e (k ) +e (i ) +T D ∑⎥公式（2.2） T I i =0T ⎣⎦
可简记为：
公式（2.3） u (k ) =K P e (k ) +K I ∑e (i ) +K D (e (k ) -e (k -1) )
i =0k
3.3 PID参数整定方法
一是简易工程法。这种方法的最大优点在于，整定参数时不必依赖被控对象的数学模型。简易工程整定法是由经典的频率法简化而来，虽然稍微粗糙一点，但是简单易行，适于现场应用。具体方法有扩充临界比例度法、扩充响应曲线法、归一参数整定法。
二是优选法。其具体做法是根据经验，先把其他参数固定，然后用0.618法对其中某一参数进行优选，待选出最佳参数后，再换另一个参数进行优选，直到把所有的参数优选完毕，最后根据T 、Kp 、Ti 、Td 诸参数优选的结果取一组最佳值即可。该方法属于经验法的一种。
三是凑试法。原理：根据P 、I 、D 参数对系统性能的影响趋势逐各整定参数值。增大比例系数KP 一般将加快系统的响应，在有静态误差时，有利于减小静态误差；但是过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间TI 有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静态误差的消除将随之减慢。增大微分时间TD 亦有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
3.4 本实验调试过程
实验中，我们首先做了流量单闭环控制系统的实验，利用数字PID 位置型控
制算法，采用凑试的PID 参数整定方法，我们参考各个参数对控制过程的响应趋势，对参数实行先比例、后积分、在微分的整定步骤。
1. 首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，也即比例带P 由大变小，并观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，则只需用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。
2. 如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。整定时首先置积分时间TI 为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小(如缩小为原值的0.8倍) ，然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静态误差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。
3．若使用比例积分调节器消除了静态误差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。在整定时，可先置微分时间TD 为0。在第二步整定的基础上，增大TD ，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。
根据以上步骤，我们经过不断的修改参数、观察输出、分析结果等多次循环工作之后，我们终于得到了一组比较理想的PID 控制参数值，如表2.1所示：
表2.1 实验PID 参数值
流量单闭环调节系统参数整定完毕以后，我们又开始整定流量比值控制系统，在保持主回路参数基本不变的情况下，对副回路参数进行调节，经反复调节及老师指导，得到最优PID 参数，
主控回路，
P ：814.7
I:16
D:4 ；
副控回路，
P ：550
I:20
D:3
3.5 调试中遇到的具体问题及解决办法
1.在给定值逐渐增大时，0-40 m 3/h内阀门开度基本不变，这说明0-40 m 3/h以下系统存在非线性区，导致调节阀控制滞后，而40 m3/h -400 m3/h系统处于较好的工作状态，响应曲线无论是从稳态误差的角度还是快速性的角度，都能满足控制要求。于是我们大致得出结论，系统的线性工作区约为：40H/L-400H/L。这是以后设定给定值的依据。
2. 在流量单闭环控制系统参数调节过程中，我们根据理论分析：因为流量计和流量调节装置中不包含影响调节过程快速性的大滞后效应和大惯性特性，所以系统响应快，存在干扰，为增加系统的稳定程度和抗外扰能力，我们在参数整定初期没有采用微分控制规律，只采用PI 调节，但无论如何改变参数，系统总是达不到理想的调节效果，无奈之下我们加入了微分作用，并相应改变了P 、I 参数，最终取得了较为满意的结果，调节范围、超调量、调节时间、稳态精度等技术指标都较为满意。这个调节过程使我们认识到，理论与实践是有差距的。
3. 在流量单闭环控制系统参数整定完毕以后，我们看是做流量比值控制系统实验，首先基本的硬件连线我们就遇到了问题，我和搭档意见不一致，又都觉得自己是对的，主要涉及硬件连线中串联和并联的问题，于是我们就向学长请教，他告诉我们，变送器输出是4-20毫安电流信号，所以各个器件要串联，否则会分流，造成信号在传输过程中失真，最终在学长的指导下我们完成了接线任务。
4. 完成接线后，我们开始调节主副回路PID 参数，按照理论分析，当主回路参数调节完成以后，只要对副回路进行调节即可，副回路对主回路性能的有影响，但不是很大，但我们在进行双回路控制时，发现调节副回路参数，对主回路的性能指标影响很大，于是我们去请教了老师，老师首先很耐心地帮我们核对了仪器的参数设置，然后帮我们分析线路连接情况，最终找到问题所在，硬件连线存在问题。我们根据老师的建议作出修正，主回路个性能均恢复正常。
5. 在副回路参数调节过程中，我们又发现主副回路调节达到稳定时，两回路输出相同，由于是主回路的反馈值经比值器最为副回路的给定值，所以主回路是定值系统，副回路是随动系统，副回路的输出随主回路的输出而变化，理论上稳定时应为主回路输出的一半。为了找出问题所在，我们反复检查仪表参数设置和线路连接，始终未找到问题所在。在老师的帮助下，问题得以解决，问题是比值
器是定制的，有的参数是确定的，不允许改动，而我们不清楚，只按照理论情况进行设定，导致错误。
第四章 收获、体会、建议
经过几天的耐心调试，本次课程实际结束了，这次课程设计让我学到了很多。 首先，作为一名自动化的学生，前期已经学习了《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等课程，可是当老师讲起控制技术，讲起PID, 我的脑海中首先出现的不是各种算法各种公式，而是什么时候学过了它，什么时候考的试，那一刻我有点惭愧了。吴老师的耐心讲解，让我在很短的时间内对数字PID 控制有了更深刻和清晰的理解。
几天的调试过程，给了我们锻炼耐力的机会，对着测量仪表，你能做的只有耐心调试，认真观察测量输出，认真分析实验结果，从而找到原因，做出正确判断。做真正的实验告诉我们，实验结果不会骗我们，只有努力了才能有所收获。
在这里我首先要感谢吴同茂老师，她平日要带很多实验，很忙，可是她还是每天去了解我们的实验进程，帮助我们查找错误、纠正错误，有时候我们会犯很低级的错误，她会很严厉地批评我们，刚开始有点害怕她，到后来竟然觉得被她骂也是好的。同时也感谢我的搭档，没有她的配合，我们也没这么快做完。 通过本次课程设计，我对过程控制尤其是PID 控制算法的理解又更深入了一层。课堂上学到的终究还是理论知识，只有在实践中才能发现存在的问题进而提出解决方案。这次课程设计给了我们一次极好的理论联系实践的机会，在理论的指导下，我们得以更快的完成控制任务；在实践的过程中我们又进一步对理论知识加深了理解。
希望以后老师能继续严格要求我们，给我们更多学习和进步的机会。 再次，谢谢吴老师的悉心指导！
参考文献 [1] 吴同茂编. 过程控制仪表实验及课程设计指导书. 中南大学教材科，2012年
[2] 向婉成. 控制仪表与装置 天津：机械工业出版社,2003年
[3] 于海生. 微型计算机控制技术 北京：清华大学出版社，1999年
[4] 胡寿松. 自动控制原理 北京：科学出版社，2007年