《自动控制原理课程设计》
课题： 锅炉液位控制系统
系 别： 电气与控制工程学院
专 业： 自动化
姓 名：
学 号：
指导教师：
电控学院 2011年1月6日
1、设计目的：
通过课程设计使学生掌握如何应用微型计算机结合自动控制理论中的各种控制算法构成一个完整的闭环控制系统的原理和方法；掌握工业控制中典型闭环控制系统的硬件部分的构成的工作原理和设计及其使用方法；掌握控制系统中典型算法的程序设计方法；掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、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，进而提高解决实际工程问题的能力。
2、设计要求
设计一个单回路液位控制系统，合理选择PID 控制规律，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、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，进而提高解决实际工程问题的能力。
3、总体设计
锅炉液位控制系统是以液位测量信号作为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据测量值与设定值的偏差去控制给水调节阀，从而改变给水量以保持水位保持在允许的±5%误差范围之内。锅炉液位控制系统是由锅炉内胆、变送器、调节器（控制器）、给水调节阀及相关电路组成，其工作原理如图所示。
给定值
图2 锅炉液位过程控制示意图
（一）、课题任务
（1）确定总体方案：总体方案是只针对所设计的任务、要求和条件，根据
已经掌握的知识和资料从全局着眼，将总体功能要求合理地发、分配给若干单元电路，并画出一个能够表示各单元功能和总体工作原理的框图。在分析比较各种资料的基础上，发挥自己的创造力，设想几种系统方案，从设计的合理性、技术的先进性、运行的可靠性和制作的经济性等方面，分别进行技术论证和经济效益的比较，最后确定总体方案。
（2）选择元器件：控制系统设计的关键之一是选择合适的元器件并组合成系统。因此，在设计过程中，不但要考虑传感变送器的选择，也要考虑执行期的选择，以及他们在控制系统中的作用。
选择元器件，必须根据三个要素：
①、 根据设计要求和具体方案，选择满足技术性能指标的元器件。
②、 根据市场货源情况的性能价格比，选择元器件。
③、 在保证系统达到功能指标要求的前提下，应尽量减少元器件的品种、间
隔、体积等。
（3）确定控制器的参数：在确定控制算法的基础上确定控制器相应的参数，包括比例系数、微分时间常数、积分时间常数等。
（4）对所设计的系统进行仿真，以验证设计的准确性：对所设计的系统进行MATLAB 仿真。若相关参数的设置不理想，可根据所得结果进行相应的调整。
（二）、被控参数的选择
按照控制内容的要求，选择锅炉内胆的液位高度为被控参数。
（三）、被控变量的选择
影响锅炉内胆液位的变量有进水流量和出水流量，可以通过控制进出水阀的开度进行控制液位。此次控制过程采用保持出水量一定，把进水量作为控制对象进行控制。
控制方案的选择
图3 反馈控制原理图 采用单回路负反馈控制：
反馈系统是按偏差进行控制来消除偏差的。没有偏差出现时，调节器输出信号不变。无论出现什么扰动、在什么位置出现、什么时候出现，调节器总要等到扰动引起被控参数出现偏差以后才进行控制。液位控制时，一旦液位发生变化即产生偏差量，反馈系统可以迅速作用。同时，只要干扰位于反馈环之内，反馈控制系统总能消除其对被控参数的影响，即反馈控制系统可以消除反馈环之内各种扰动的影响。因此反馈系统可以用于液位控制。
（四）、设备元件选型
整个过程控制系统由控制器，执行器，测量变送，被控对象组成，在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID 控制规律，执行器为电磁阀，测量变送器为HB,FT 两个组成，被控对象为流量PV 。
1、液位传感器
液位传感器用来对上水箱的压力进行检测，采用工业的DBYG 扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，喜爱用高品质低耗精密器件，稳定性，可靠性大大提高。可方便的与其他DDZ-3X 型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表，校验的方式是通电预热15分钟后，分别在零压力和满程压力下检查输出电流值，在零压力下调整电位器，使输出电流为4mA ，在满量程压力下调整两成电位器，使输出电流为20mA ，本传感器精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需要串24V 直流电源。压力传感器用来对上水位水箱中水位水箱的压力进行检测，采用工业用的DBYG 扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制
4~20mA标志信号输出。
2、电磁流量传送器
（1）、流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。根据本实验装置的特点，采用工业用的LDS-10s 型电磁流量传感器，公称直径10mm ，流量0~0.3m3/h，压力1.6Mpmax ，4~20mA标准信号输出，可与显示，记录仪表，计算器或调节器配套，避免了涡轮流量计非线性与死区的致命缺点，确保试验效果能达到教学要求。主要优点：
①
②
③
④ 采用整体焊接结构，密封性好； 结构简单可靠，内部无法活动部件，几乎无压力损失； 采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定； 仪表反映灵敏，输出信号与流量呈现象关系，量程比宽
（2）、流量转换器采用LDZ-4型电磁流量传感器配套使用，输入信号：0~0.4mV输出信号；4~20mA DC，负载电阻为0~750Ω，基本误差：输出信号量程的0.5%。
3、电动调节阀
电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PSL202型智能电动调节阀，无需陪伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高，控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路，有输入控制信号4-20mA 及单项电源，即可控制与转时限对压力流量温度压力等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量小的优点。采用PS 电子式执行机构，4-20mA 阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露，性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。
4、PID 模块选择
当需要构成计算机控制系统时，过程控制装置的数据采集和控制采用目前最新的牛顿7000系列远程数据采集模块和组态软件组成，完全模拟工业现场环境，先进性与实用性并举，有效的拉近了实验室与工业现场的距离，他体积小，安装方便可靠性极高。
（1） D/A模块：采用牛顿7024模块，4路模拟输出，电流（4-20mA ）电压（1-5V ）
信号均可。
（2） A/D模块：采用牛顿7017模块，8路模拟电压（1-5V ）输入。
（3） DO 模块：采用牛顿7043模块。
（4） 通讯模块：采用牛顿7520转换模块，485/232转换模块，转换速度极高
（300-115KHZ ），232口可长距离。
（五）、MATLAB 仿真及参数整定
1、参数整定方法
本次MATLAB 仿真参数整定方法采用衰减曲线法，衰减曲线法属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。具体方法如下：
（1）把调节器设成比例作用（Ti =∞，Td =0），置于较大比例度，投入自动运行。
（2）在稳定状态下，阶跃改变给定值（通常以5%左右为宜），观察调节过程曲线。
（3）适当改变比例度，重复上述实验，到出现满意的衰减曲线为止。
图4 系统衰减震荡曲线
记下此时的比例度Ps 及周期Ts 。
n=10:1时，记Ps 及Ts
（4）按下表（n =4:1）或（n =10:1）求得各种调节规律时的整定参数。
图5 衰减曲线法整定参数计算表
2、MATLAB 仿真整定过程
已知被控对象锅炉内胆控制系统的传递函数为2
7s 1，在MATLAB 下搭建的
仿真系统模型如下：
图6 系统的MA TLAB 仿真框图
取Ti =1000，Td =0.001，比例度P 置于较大位置，按衰减曲线法逐步整定P 值，当出现理想的衰减波形时，即衰减比n 为4：1时，P=24，理想衰减波形如下所示，由波形求得P’s =1/24及Ts=0.355s。
图7 衰减比为4：1时的系统衰减曲线
按衰减比4：1时由整定表格求得整定后P=30，I=10，D=0.0355。
当无干扰时，系统的阶跃响应如下图所示：
比较单回路控制系统无干扰阶跃响应可知，串级控制降低了最大偏差，减小了振荡频率，大大缩短了调节时间。
图8 （无噪声时）系统的阶跃响应
现向系统中加入干扰，系统的MATLAB 仿真图如下：
图9 加入扰动后的MA TLAB 仿真系统框图
由示波器观察所得的阶跃衰减曲线可知，在加入扰动后，系统相对稳定，系统没有较大波动，最终确定P,I,D 的设定值分别为30，10, 0.0355。
图10 加入扰动后系统衰减曲线
4、设计总结
通过此次设计，我掌握了液位单回路控制系统的构成，知道它最基本的部分有控制器、调节器、被控对象和测量变送组成。并且学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计步骤，认知被控对象、设计控制方案、选择控制规律、选择过程仪表、选择过程模块、参数整定、设计系统流程图，掌握MA TLAB 仿真。总体来说，这次设计收获很大。
5、参考文献
[1]过程控制系统与仪表 机械工业出版社 王再英 [2]自动控制原理 科学出版社 胡守松 [3]过程控制工程 机械工业出版社 邵裕森 [4]微型计算机控制系统 机械工业出版社 赖寿宏
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）
课程设计成绩评定
《自动控制原理课程设计》
课题： 锅炉液位控制系统
系 别： 电气与控制工程学院
专 业： 自动化
姓 名：
学 号：
指导教师：
电控学院 2011年1月6日
1、设计目的：
通过课程设计使学生掌握如何应用微型计算机结合自动控制理论中的各种控制算法构成一个完整的闭环控制系统的原理和方法；掌握工业控制中典型闭环控制系统的硬件部分的构成的工作原理和设计及其使用方法；掌握控制系统中典型算法的程序设计方法；掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、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，进而提高解决实际工程问题的能力。
2、设计要求
设计一个单回路液位控制系统，合理选择PID 控制规律，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、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，进而提高解决实际工程问题的能力。
3、总体设计
锅炉液位控制系统是以液位测量信号作为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据测量值与设定值的偏差去控制给水调节阀，从而改变给水量以保持水位保持在允许的±5%误差范围之内。锅炉液位控制系统是由锅炉内胆、变送器、调节器（控制器）、给水调节阀及相关电路组成，其工作原理如图所示。
给定值
图2 锅炉液位过程控制示意图
（一）、课题任务
（1）确定总体方案：总体方案是只针对所设计的任务、要求和条件，根据
已经掌握的知识和资料从全局着眼，将总体功能要求合理地发、分配给若干单元电路，并画出一个能够表示各单元功能和总体工作原理的框图。在分析比较各种资料的基础上，发挥自己的创造力，设想几种系统方案，从设计的合理性、技术的先进性、运行的可靠性和制作的经济性等方面，分别进行技术论证和经济效益的比较，最后确定总体方案。
（2）选择元器件：控制系统设计的关键之一是选择合适的元器件并组合成系统。因此，在设计过程中，不但要考虑传感变送器的选择，也要考虑执行期的选择，以及他们在控制系统中的作用。
选择元器件，必须根据三个要素：
①、 根据设计要求和具体方案，选择满足技术性能指标的元器件。
②、 根据市场货源情况的性能价格比，选择元器件。
③、 在保证系统达到功能指标要求的前提下，应尽量减少元器件的品种、间
隔、体积等。
（3）确定控制器的参数：在确定控制算法的基础上确定控制器相应的参数，包括比例系数、微分时间常数、积分时间常数等。
（4）对所设计的系统进行仿真，以验证设计的准确性：对所设计的系统进行MATLAB 仿真。若相关参数的设置不理想，可根据所得结果进行相应的调整。
（二）、被控参数的选择
按照控制内容的要求，选择锅炉内胆的液位高度为被控参数。
（三）、被控变量的选择
影响锅炉内胆液位的变量有进水流量和出水流量，可以通过控制进出水阀的开度进行控制液位。此次控制过程采用保持出水量一定，把进水量作为控制对象进行控制。
控制方案的选择
图3 反馈控制原理图 采用单回路负反馈控制：
反馈系统是按偏差进行控制来消除偏差的。没有偏差出现时，调节器输出信号不变。无论出现什么扰动、在什么位置出现、什么时候出现，调节器总要等到扰动引起被控参数出现偏差以后才进行控制。液位控制时，一旦液位发生变化即产生偏差量，反馈系统可以迅速作用。同时，只要干扰位于反馈环之内，反馈控制系统总能消除其对被控参数的影响，即反馈控制系统可以消除反馈环之内各种扰动的影响。因此反馈系统可以用于液位控制。
（四）、设备元件选型
整个过程控制系统由控制器，执行器，测量变送，被控对象组成，在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID 控制规律，执行器为电磁阀，测量变送器为HB,FT 两个组成，被控对象为流量PV 。
1、液位传感器
液位传感器用来对上水箱的压力进行检测，采用工业的DBYG 扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，喜爱用高品质低耗精密器件，稳定性，可靠性大大提高。可方便的与其他DDZ-3X 型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表，校验的方式是通电预热15分钟后，分别在零压力和满程压力下检查输出电流值，在零压力下调整电位器，使输出电流为4mA ，在满量程压力下调整两成电位器，使输出电流为20mA ，本传感器精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需要串24V 直流电源。压力传感器用来对上水位水箱中水位水箱的压力进行检测，采用工业用的DBYG 扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制
4~20mA标志信号输出。
2、电磁流量传送器
（1）、流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。根据本实验装置的特点，采用工业用的LDS-10s 型电磁流量传感器，公称直径10mm ，流量0~0.3m3/h，压力1.6Mpmax ，4~20mA标准信号输出，可与显示，记录仪表，计算器或调节器配套，避免了涡轮流量计非线性与死区的致命缺点，确保试验效果能达到教学要求。主要优点：
①
②
③
④ 采用整体焊接结构，密封性好； 结构简单可靠，内部无法活动部件，几乎无压力损失； 采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定； 仪表反映灵敏，输出信号与流量呈现象关系，量程比宽
（2）、流量转换器采用LDZ-4型电磁流量传感器配套使用，输入信号：0~0.4mV输出信号；4~20mA DC，负载电阻为0~750Ω，基本误差：输出信号量程的0.5%。
3、电动调节阀
电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PSL202型智能电动调节阀，无需陪伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高，控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路，有输入控制信号4-20mA 及单项电源，即可控制与转时限对压力流量温度压力等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量小的优点。采用PS 电子式执行机构，4-20mA 阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露，性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。
4、PID 模块选择
当需要构成计算机控制系统时，过程控制装置的数据采集和控制采用目前最新的牛顿7000系列远程数据采集模块和组态软件组成，完全模拟工业现场环境，先进性与实用性并举，有效的拉近了实验室与工业现场的距离，他体积小，安装方便可靠性极高。
（1） D/A模块：采用牛顿7024模块，4路模拟输出，电流（4-20mA ）电压（1-5V ）
信号均可。
（2） A/D模块：采用牛顿7017模块，8路模拟电压（1-5V ）输入。
（3） DO 模块：采用牛顿7043模块。
（4） 通讯模块：采用牛顿7520转换模块，485/232转换模块，转换速度极高
（300-115KHZ ），232口可长距离。
（五）、MATLAB 仿真及参数整定
1、参数整定方法
本次MATLAB 仿真参数整定方法采用衰减曲线法，衰减曲线法属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。具体方法如下：
（1）把调节器设成比例作用（Ti =∞，Td =0），置于较大比例度，投入自动运行。
（2）在稳定状态下，阶跃改变给定值（通常以5%左右为宜），观察调节过程曲线。
（3）适当改变比例度，重复上述实验，到出现满意的衰减曲线为止。
图4 系统衰减震荡曲线
记下此时的比例度Ps 及周期Ts 。
n=10:1时，记Ps 及Ts
（4）按下表（n =4:1）或（n =10:1）求得各种调节规律时的整定参数。
图5 衰减曲线法整定参数计算表
2、MATLAB 仿真整定过程
已知被控对象锅炉内胆控制系统的传递函数为2
7s 1，在MATLAB 下搭建的
仿真系统模型如下：
图6 系统的MA TLAB 仿真框图
取Ti =1000，Td =0.001，比例度P 置于较大位置，按衰减曲线法逐步整定P 值，当出现理想的衰减波形时，即衰减比n 为4：1时，P=24，理想衰减波形如下所示，由波形求得P’s =1/24及Ts=0.355s。
图7 衰减比为4：1时的系统衰减曲线
按衰减比4：1时由整定表格求得整定后P=30，I=10，D=0.0355。
当无干扰时，系统的阶跃响应如下图所示：
比较单回路控制系统无干扰阶跃响应可知，串级控制降低了最大偏差，减小了振荡频率，大大缩短了调节时间。
图8 （无噪声时）系统的阶跃响应
现向系统中加入干扰，系统的MATLAB 仿真图如下：
图9 加入扰动后的MA TLAB 仿真系统框图
由示波器观察所得的阶跃衰减曲线可知，在加入扰动后，系统相对稳定，系统没有较大波动，最终确定P,I,D 的设定值分别为30，10, 0.0355。
图10 加入扰动后系统衰减曲线
4、设计总结
通过此次设计，我掌握了液位单回路控制系统的构成，知道它最基本的部分有控制器、调节器、被控对象和测量变送组成。并且学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计步骤，认知被控对象、设计控制方案、选择控制规律、选择过程仪表、选择过程模块、参数整定、设计系统流程图，掌握MA TLAB 仿真。总体来说，这次设计收获很大。
5、参考文献
[1]过程控制系统与仪表 机械工业出版社 王再英 [2]自动控制原理 科学出版社 胡守松 [3]过程控制工程 机械工业出版社 邵裕森 [4]微型计算机控制系统 机械工业出版社 赖寿宏
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）
课程设计成绩评定