基于DCS换热器冷水出口温度控制系统.docx

重庆化工职业学院课程设计任务书教培中心：自动化教培中心专业班级：学生姓名:设计题目:基于DCS换热器冷水出口温度控制系统起迄日期：2011年6月2日~ 2011年6月23日摘要集散控制系统(Total Distributed Control System, DCS )是以微 处理器为基础的集中分散型控制系统自20世纪70年代中期集散控 制系统问世以来，已在工业控制领域得到了广泛的应用，越来越多的 仪表和控制T程师已认识到集散控制系统并将成为丁业自动控制的 主流它具备分散控制、集中管理；采用局部网路通信技术；完善的 功能控制；采用模块化和开放性结构，系统扩展方便；管理能力强； 安全可靠性高等特点具有很强的实用价值本项口采用的是浙大中控(SUPCON JX-300X)的DCS,运用与 Z相配的AdvanTrol-Pro系统软件(V2・ 50)_SP06输出的组态软件 实现现场数据实时记录和监控，设计了记录查询、报警、实时模拟等 具有Windows风格的动态操作画面串级控制系统在生产过程中需要自动保持两个或多个参数之间 的关系所以在工业生产过程中广泛运用，在此项口中运用的是浙人 中控的DCS来做换热器冷水出口温度控制系统的比值控制，通过串 级控制来保持两液位的稳态。

引 g在现代工业生产过程中，主控制器的输出作为副控制器的给 定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制 如果控制不稳定就会影响产品的质量，严重的甚至会造成生产事故 为此在生产过程中需要主、副两个控制器串接工作，这种控制系统就 是串级控制系统串级控制系统：串级控制系统是由其结构上的特征而得名的它是由 主、副两个控制器串接工作的主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵 控制阀，以实现对变量的定值控制串级控制系统的特点，使用场合：串级控制系统的主要特点为：(1) 在系统结构上，它是由两个申接工作的控制器构成的双闭环 控制系统；(2) 系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量｝(3) 由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用, 因而减少了干扰对主变量的影响；(4) 系统对负荷改变时有一定的自适应能力串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合一、级控制系统的设计根据串级系统的特点，合理的设计串级控制系统在系统设计时, 必须解决丄、副参数的选择，副回路的设计，ill＞副回路之间的关系 以及主、调节器控制规律的选择及其正、反作用方式的确定等问题。

1. 主回路的设计串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设 计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行这里主要解 决串级控制系统中两个回路的协调工作问题丄要包括如何选取副被 控参数、确定主、副回路的原则等问题2. 副冋路的设计由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的 抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副冋路的调节对主被控量 的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、 频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的 扰动归纳如下1) 在设计中要将主要扰动包括在副冋路中2) 将更多的扰动包括在副回路中3) 副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特 性4) 要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中5) 在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量在这里要注意(2)和(3)存在明显的矛盾，将更多的扰动包扌舌在副 回路中有可能导致副回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速控 制作用的发挥，因此，在实际系统的设计中要兼顾(2)和(3)的综合3. 主、副回路的匹配1) 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配设计中考虑使二次冋路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注 意主、副回路扰动数量的匹配问题。

副回路中如果包括的扰动越多， 其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快 速控制的效果就会降低如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节 器也就失去了控制作用原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数 量、时间常数之比值在3〜10之间比值过高，即副冋路的时间常数 较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副 回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的控制性能不利；比值过 低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主回路的时 间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益，但是副回路的 控制作用缺乏快速性，不能及时有效地克服扰动对被控量的影响严 重时会出现主、副回路“共振"现象，系统不能正常工作2) 主、副调节器的控制规律的匹配、选择在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的主调节器是定 值控制，副调节器是随动控制系统对二个回路的要求有所不同主 冋路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PTD控制规律; 副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律 而不引入I或D控制如果引入I控制，会延长控制过程，减弱 副回路的快速控制作用；也没有必要引入D控制，因为副回路采用P 控制已经起到了快速控制作用，引入D控制会使调节阀的动作过大, 不利于整个系统的控制。

串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要 求较高，一般不允许有余湼，所以主控制器一般选择比例积分控制规 律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用串级控制系统中对副变量的要求不严在控制过程中，副变量 是不断跟随主控制器的输出变化而变化的，所以副控制器一般采用比 例控制规律就行了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是 不需要的3）丄、副调节器正、反作用方式的确定在具体选择时，是在调节阀气开、气关形式已经确定的基础上进 行的首先根据工艺生产安全等原则选择调节阀的气开、气关形式； 然后根据生产工艺条件和调解法确定副调节器的止、反作用方式；最 后再根据主、副参数的关系，决定调节器的正、反作用方式对于串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原 则是整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数正、负极 性乘机必须为负数各环节放大系数极性的正负是这样规定的：对于 调解器Kc,当测量值增加，调节器的输出也增加，则Kc为正（即正 作用调节器）；反之，Kc为负（即反作用调节器）调节器为气开， 则Kv为止，气关则Kv为负过程放大系数极性是：当过程的输入 增大时，即调节阀开打，其输出也增大，则Ko为正：反之则Ko为 负。

主副调节器作用方向序号主过程Koi副过程Ko2调节阀Kv串级控制主控副调节器K2主调节器K1主节器K11正正气开（正）正正正2正正气关（负）负正负3负负气开（止）负负正4负负气关（负）正负负5负正气开（正）正负负6负气关（负）负负止7正负气开（正）负正负8负气关（负）正二、级控制系统的工业应用1. 用于克服被控过程较大的容量滞后在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控 量是温度等参数时，控制要求较高，如果釆用单回路控制系统往往不 能满足生产工艺的要求利用串级控制系统存在二次冋路而改善过程 动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对 过程的影响，加快响应速度在构造二次回路时，应该选择一个滞后 较小的副回路，保证快速动作的副回路2. 用于克服被控过程的纯滞后被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制 系统不能满足生产工艺的要求使用串级控制系统，在距离调节阀较 近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提 高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响改 善控制系统的控制质量3. 用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。

只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回路中，即可以大大 削弱其对主被控量的影响4. 用于克服被控过程的非线性在过程控制中，一般的被控过程都存在着一定的非线性这会导 致当负载变化时整个系统的特性发生变化，影响控制系统的动态特 性单回路系统往往不能满足生产工艺的要求，由于串级控制系统的 副回路是随动控制系统，具有一定的自适应性，在一定程度上可以补 偿非线性对系统动态特性的影响三、串级控制系统中主、副控制器的正、反作用：副控制器的作用方向与副对象特性、控制阀的气开、气关型式有 关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同, 是按照使副回路成为一个负反馈系统的原则来确定的主控制器作用方向的选择可按下述方法进行：当主、副变量在增 加（或减小时），如果要求控制阀的动作方向是一致的，则主控制器应 选“反”作用的；反之，则应选“正”作用的从上述方法可以看出，串级控制系统中主控制器作用方向的选择 完全由工艺情况确定，或者说，只取决于主对象的特性，而与执行器 的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全无关这种情况可以这 样来理解：如果将整个副回路看作是构成丄回路的一个环节时，副回 路这个环节的输入就是主控制器的输出（即副回路的给定），而其输出 就是副变量。

由于副冋路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变 化而变化，不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何，当主控 制器输出增加时，副变量总是增加的，所以在主冋路中，副冋路这个 环节的特性总是“正”作用方向的由图可见，在主回路中，由于副 回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”，所以为了使整个 主回路构成负反馈，主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性主 对象具有“止”作用特性（即副变量增加时，主变量亦增加）时，主控 制器应选“反”作用方向，反之，当主对象具有“反”作用特性时， 主控制器应选“正”作用方向四、级控制系统中主、副控制器参数的工程整定方法：有两步整定法和一步整定法两种按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定 主控制器的方法叫做两步整定法根据经验直接确定副控制器的参数，只需按简单控制系统参数整 定的方法來整定主控制器参数的方法称一步整定法一、课题项目分析1.1项目流程图、1\0测点信息一览 11・2项目任务和要求 11・3项目分析过程 1二、项冃系统的设计 22. 1加热罐的液位控制2. 1. 1被控参数的选择2. 1.2控参数的选择2. 1. 3信号的获取和变送的选择2.1.4调节阀的选择2.1.5调节器的正、反作用选择2.2加热罐的温度控制2. 2. 1控制方案的选择2. 2.2被控参数的选择2. 2.3控参数的选择2. 2.4信号的获取和变送的选择2. 2.5调节阀的选择2. 2.6调节器的正、反作用选择2. 3液位水箱液位控制2. 3. 1控制方案的选择2. 2.2被控参数的选择2. 3. 3控参数的选择2. 3.4信号的获取和变送的选择2. 3.5调节阀的选择2. 3.6调节器的正、反作用选择2. 4换热器冷水出口温度信号控制2. 4. 1控制方案的选择2. 4.2主参数的选择和主参数的设计2. 4.3副参数。