再生塔底回流罐压力控制系统的设计

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辽 宁 工 业 大 学

过程控制系统课程设计（论文）题目：再生塔底回流罐压力控制系统的设计

院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起止时间：

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课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程学院 学 号 设计题目 学生姓名 再生塔回流罐压力控制系统 专业班级 设计任务： 设计再生塔底回流罐压力控制系统。 再生塔是一个浮阀汽提塔，塔底液体由重沸器加热，热源为低压蒸汽，调整蒸汽流量控制塔底温度，离开重沸器的蒸汽经凝水罐后，送到蒸汽凝结水回收系统循环利用。 再生塔回流罐压力是由调节器同时控制进气阀和排气阀实现的。正常生产时再生塔回流罐压力较低，进气阀有较低的设定压力，因此罐压力由进气阀自动调节，当超出设定值较大时，进气阀全开同时排气阀动作来控制回流罐压力。 设计要求： 1、确定控制方案并绘制原理结构图、方框图； 2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数； 3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式，确定阀的流量特性和开闭形式； 4、进行模拟调试或仿真； 5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。 技术参数： 控制目标：0.05 MPa≤再生塔回流罐压力≤0.1MPa； 控制范围：波动范围不超过±0.02MPa。 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的设计要求。（2天，分散完成） 2、确定系统的控制方案，绘制原理结构图、方框图。（1天） 3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。（2天 ） 4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（1天） 5、调节阀的气开气关形式以及流量特性选择。（ 1天） 6、上机实现系统的模拟运行、答辩。（ 2天 ） 7、撰写、打印设计说明书（1天 ） 课程设计（论文）任务 进度计划指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

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摘 要

在生产中为了保障罐内物质的安全，通常需要向罐内注入气体，但是当通入气体过多时会使罐内压力变大，从而引发爆炸的危险；但罐内气体过少时又起不了保护的作用。因此，本设计主要完成回流罐压力控制系统的设计。

本课设主要测量对象是回流罐内压力，该设计采用分程控制方案，设计中采用BYP300型扩散硅压力变送器，昌晖 SWP-PID自整定数字/光柱显示控制仪，zxp气动薄膜直通单座调节阀和EPC-3000电-气转换器仪表实现对回流罐中的压力控制，采用PID控制算法实现功能。文中采用Matlab方法对回流罐压力的测量进行仿真。

关键词：分程控制系统；回流罐压力；PID调节；

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目 录

第1章 绪论 .......................................................................................... 1 第2章 课程设计的方案论证 .............................................................. 2

2.1 系统对象特性分析 .................................................... 错误!未定义书签。 2.2 方案分析 ................................................................................................... 3 2.3 系统总体构成 ........................................................................................... 4

第3章 器件选型 ........................................ 5

3.1 变送器的选型 ........................................................................................... 5 3.2 控制器选型 ............................................................................................... 6 3.3 执行器选型 ............................................................................................... 7 3.4 电-气转换器选型 ...................................................................................... 8 3.5 调节器调节规律的选择 ........................................................................... 9 3.6 执行器的气开气关选择 ........................................................................... 9 3.7 调节器正反作用选择 ............................................................................. 11

第4章 系统仿真分析 ................................... 12

4.1 本设计总体结构 ..................................................................................... 12 4.2 仿真过程分析 ......................................................................................... 13

第5章 课程设计总结 ................................... 15 参考文献 .............................................. 16

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第1章 绪论

过程控制通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分之一。其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医药、水利、电力、冶金、轻工、纺织、建材、核环境等许多领域，在国民经济中占有极其重要的地位。

过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化，在保证产品质量和生产安全的前提下，使连续型生产过程自动地进行下去。连续生产过程的特征是：呈流动状的各种原料中连续流动过程中，伴随着物理变化、化学反应、生化反应、物质能量的转换与传递。连续型生产过程常常要求苛刻的工艺条件，如高温、高压等；现场存在易燃、易爆或有害泄漏等危险，生产条件恶劣；需要有保护人身与生产设备安全的特别措施等。在大型的连续生产系统中，影响生产过程的因素和条件一般不止一个，各自所起到作用也不同，这就决定了过程控制的复杂性和多样性。

本设计是再生塔底回流罐压力控制系统，再生塔是一个浮阀汽提塔，塔底液体由重沸器加热，热源为低压蒸汽，调整蒸汽流量控制塔底温度，离开重沸器的蒸汽经凝水罐后，送到蒸汽凝结水回收系统循环利用。再生塔回流罐压力是由调节器同时控制进气阀和排气阀实现的。正常生产时再生塔回流罐压力较低大于等于0.05 MPa，进气阀有较低的设定压力，因此罐压力由进气阀自动调节，当超出设定值0.1MPa，进气阀全开同时排气阀动作来控制回流罐压力。

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第2章 课程设计的方案论证

2.1 系统对象特性分析

图 2.1 再生塔回流罐连接结构图

一小部分干燥后的压缩空气会被引入再生塔，其余压缩空气就会流经专用除尘过滤器后排出干燥器。 前述被引入再生塔的干燥压缩空气将被用作再生。再生过程中，再生塔与大气联通，再生压缩空气会在再生塔塔内膨胀至大气压，然后流经再生塔，并带走吸附在再生塔内饱和吸附剂上的水分，然后经过消音器排放到大气中。吸附剂的再生过程需要几分钟，然后控制系统将关闭消音器前的排气阀门，这样，再生塔塔内的压力将逐渐回升至正常工作压力。

本设计主要是对回流罐的压力控制，其中输入和输出是回流罐内的压力，由上图可知系统开始工作时回流罐中具有很小的压力，此时进气阀开始工作，罐内压力逐渐增大，当进气阀全开时，出气阀开始工作调节罐内压力。

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2.2 方案分析

图2.2 系统总体构成图 回流罐 排气 进气 PT 阀B 压力变送器 阀A

一台调节器去操纵两只调节阀，实施（动作过程）是借助调节阀上的阀门定位器对信号的转换功能。例如图中的A、B两阀，要求A阀在调节器输出信号压力为0.02～0.06MPa变化时，作阀的全行程动作，则要求附在A阀上的阀门定位器，对输入信号0.02～0.06MPa时，相应输出为0.02～0.1MPa，而B阀上的阀门定位器，应调整成在输入信号为0.06～0.1 MPa时，相应输出为0.02～0.1MPa。按照这些条件，当调节器（包括电/气转换器）输出信号小于0.06MPa时A阀动作，B 阀不动；当输出信号大于0.06MPa时，而B阀动作，A阀已动至极限；由此实现分程控制过程。

采用分程控制可提高阀的可调比，设控制阀可控最小流量Qmin,可控制最大流量为Qmax,定义可调比R=Qmax/Qmin。其中，控制器采用PIC3624其作用是通过传感器传入的缓冲罐内压力的大小，分别控制进气阀和出气阀的开关。调节阀的作用是调节进气阀和出气阀的开关。其中调节阀A的作用是控制气体进入缓冲罐内的多少；调节阀B的作用是控制从缓冲罐内排出的气体的多少。对象即被控对象，是由两个调节阀共同作用来影响的。

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2.3 系统总体构成

采用分程系统控制，具体结构图如下：

压力 _ 控制器 调节阀A + 压力

压力 调节阀B + 测量变送 图2.3 分程控制系统框图

再生塔回流罐压力是由分程调节器同时控制阀A和阀B实现的。正常生产时再生塔回流罐压力较低，阀A有较低的设定压力，因此罐压力由阀A自动调节，当超出设定值较大时，阀A全开同时阀B动作来控制回流罐压力。

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第3章 器件选型

本次设计采用分成控制方案，这里主要采用的仪表包括：压力变送器；控制器；执行器和电气转换器。

3.1 变送器的选型

本次设计缓冲罐内的压力的测量范围是0.05MPa～0.1MPa，可设采用BYP300小巧型压力变送器为一体化全不锈钢结构，内置处理电路将传感器毫伏信号转换成标准电压、电流、频率信号输出，可直接与计算机、控制仪表等相连，可在恶劣环境中长期使用。

BYP300型提供多种压力量程和电气接口，具有极高的抗振性和抗冲击性，广泛应用于石油、化工、泵及压缩机、通用机械、液压/气动系统、电力、锅炉、天然气等过程控制领域。

图3.1 扩散硅压力变送器图

它是使用硅片的压阻效应，选用I C工艺技术分散四个等值应变电阻，组成惠斯通电桥。不受压力效果时电桥处于平衡状况；当遭到压力(或压差)效果时，电桥的一对桥臂电阻变大，另一对变小，电桥失去平衡。若对电桥加一稳定的电压(电流)，便可检测到对应于所加压力的电压信号，然后到达丈量液体、气体压力巨细的意图。特色：量程规模大，最小 0～10MPa最大 0MPa～100MPa；零点小；精度高，可达0.1%；分辩率高；带防腐膜片的传感器，可丈量腐蚀性介质；体积小、高阻抗、低功耗、抗干扰能力强；任务频率高、寿命长、使用规模广泛

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等特色。变送器基本参数：

量程范围: 0-10KPa； 精度等级： 0.5级； 环境温度： -20℃～50℃；

给定方式：内/外给定切换，外给定时，红色灯亮； 外给定信号：DC 4～20mA； 适用介质：气体和液体； 输出信号：DC 4～20mA； 输出信号指示：误差±2.5%； 调节动作：比例+积分+微分；

该仪表的精度等级是0.5级，满足本设计压力浮动的0.02MPa。

3.2 控制器选型

压力控制器采用昌晖 SWP-PID自整定数字/光柱显示控制仪，其中SWP-PID智能调节仪控制挂件为AI-741。AI-741型仪表为PID控制型，输出为4~20mADC信号。AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。

图3.2 控制器图

基本参数为：

供电电压：AC220V+10～15%；

接口方式：标准串行双向通讯接口 RS-485、 RS-232 C、RS-422等； 波特率：300~9600bps 仪表内部自由设定； 温度补偿：0~50℃数字式温度自动补偿；

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输出信号：DC 4～20mA； 输出信号指示：误差±2.5%； 调节动作：比例+积分+微分； 输入信号：0~10KPa；

3.3 执行器选型

在现代工业中，电动设备比气动设备普遍，因为气动设备需花费较大的投资且传递速度较慢，但气动设备具有不可忽视的优越性，气动设备在安全防爆上不会产生电火花及发热问题，而且气动设备在发生管路堵塞，气流短路，机件卡涩等故障时绝对不会发热损坏。在耐潮湿和恶劣环境方面也比电动设备强。本设计为回流罐压力控制，所以采用气动执行器。

通过调节阀的选择原则及本系统的要求，选择zxp气动薄膜直通单座调节阀 流量调节阀，该阀结构简单,操作方便,选用调温范围广、响应时间快、密封性能可靠,并可在运行中随意进行调节,因而广泛应用于化工、石油、食品、轻纺等部门。

图3.3 zxp气动薄膜直通单座调节阀图

1、调节阀技术参数

（1） 公称通径(阀座直径mm)：10、12、15、25、80、100、125、150； （2） 公称压力(Mpa)：1.0、1.4、4.0、6.4； （3） 固有流量特性：直线、等百分比； （4） 信号范围：0-10V； （5） 作用方式：气开、气关；

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2、主要性能指标

（1）基本误差：±2.5%； （2）额定行程偏差：±1.5%； （3） 额定流量系数偏差：±10%；

为了防止物料的浪费，调节阀采用气开式，一旦调节阀失去能源（断气），阀将处于关闭状态，不致浪费物料。由于该设计是控制空气流量来调节回流罐中的压力，选用直线流量特性。

3.4 电-气转换器选型

EPC-3000电-气转换器是一种新型结构的电-气转换单元，它可将调节阀A和调节阀B输入电流信号转换成相对应输出的气动信号。该转换器内部有一个气动功率放大器，可以得到较高输出功率的气动信号到各种气动执行机构，以提高执行机构的动作度。

其特点：控制精度高，体积小，灵敏度高，动用速度快，耗气量小，调校方便。

图3.4 EPC-3000电-气转换器图

基本参数为：

基本误差：±1％； 回 差：≤1％； 死 区：≤0.5％； 气源压力：0.14-0.7Mpa； 相对湿度：18％-85％RH；

最大流量m3/h：7.6（0.175KPa时）；

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20（0.7KPa时）； 耗气量m3/h：0.3； 环境温度：-35℃~+60℃； 气源接口：ф6-M10×1； 电源接口：G1/2；

外壳材料：铸铝（喷涂工艺处理）；

外形尺寸：87×160×107；97×186×202（mm）（隔爆型）； 重 量：0.94（普通型及本安型）；2.35（隔爆型）。

3.5 调节器调节规律的选择

广义对象的传递函数可用下式近似时：

K00sG0e (3-1)

Ts10

则可根据

0T0来选择调节器的调节规律：

0T0<0.2时，选择比例（P）或比例积分（PI）调节规律；

0.2<

0T0<1.0时，选择比例微分（PD）或比例微分积分（PID）调节规律；

>1.0时，采用简单控制系统往往难以满足工艺要求，应采用串级、前馈

T030≈0.42，因此 等复杂控制系。本设计中的传递函数为 e50s，可知 T012s1

选择比例微分积分（PID）调节规律。

03.6 执行器的气开气关选择

本设计采用的是分程控制，其中分程控制按照调节阀的气开、气关形式和分程信号区段不同，可分为以下两种类型：

1.调节阀同向动作的分程控制系统

其中图3.5表示两个调节阀均为气开式的分程曲线，图3.6表示两个调节阀均为气关式的分程曲线。

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图3.5 调节阀气开-气开分程关系曲线示意图

图3.6 调节阀气关-气关分程关系曲线示意图

2.调节阀异向动作的分程控制系统

其中图3.7表示两个调节阀为气开气关式的分程曲线，图3.8表示两个调节阀为气关气开式的分程曲线。

图3.7 调节阀气开-气关分程关系曲线示意图

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图3.8 调节阀气关-气开分程关系曲线示意图

本设计采用的是分程控制系统中的调节阀同向动作气开气开分程关系，A阀慢慢开，缓冲罐内压力刚开始变大，此时B阀保持关闭状态，当压力持续变大时，A阀处于全开状态，此时应打开慢慢打开B阀，直到压力保持设定值时停止。反之亦然。由图可知，A阀为气开，B阀为气开阀。分程控制系统是单回路控制系统的一部分，因此应该采用比例积分微分调节。其优点是比例积分调节结合了比例的快速和积分的消除偏差而且比例积分调节既能及时又能消除偏差。有图3.5可知，A阀为正作用B阀为正作用。

3.7 调节器正反作用选择

调节器的正、反作用方式的选择是在调节阀气开、气关方式确定之后进行的，其确定原则是使整个单回路构成负反馈系统。

在再生塔回流罐内压力控制系统中，回流罐是主被控对象，回流罐中空气输入管道为控制对象，回流罐中压力为主被控变量，空气流量为副被控参数。要判断主调节器的正、反作用，首先要确定主参数和副参数的关系。当回流罐中气流量增加时，回流罐中压力增加，因此根据整个单回路构成负反馈的原则，可以判断出主控制器是反作用。

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第4章 系统仿真分析

4.1 本设计总体结构

X(S)

图4.1系统框图

Gm(s) Gc(s) f1GvA(s) +f2Y(S) G0(s) —GvB(s) +

由上图可知，输入X(s)为回流罐中压力，输出Y(s)也是回流罐中的压力，Gc(s)为控制器，GvA(s)为调节阀A，GvB(s)为调节阀B，G0(s)为回流罐中的压力，Gm(s)为变送器。

本次研究内容采用PID即比例积分微分调节。比例积分微分(PID)作用是一种理想的控制作用，一般均能适应不同的过程特性。当要求控制质量较高时，可选用这种控制作用的控制器。

比例积分微分(PID)控制规律的微分方程数学模型为：

utkpet

u ( t ) ：控制器的输出号； k p ：放大倍数； T i ：积分时间常数； T d ：微分时间常数；

1Tit0etdtTddetdt (4-1)

e ( t ) ：设定值与测量值偏差信号。

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4.2 仿真过程分析

在起始阶段，比例调节发挥作用，迅速对输入变化作出相应；随着时间的推移，积分作用越来越强，控制系统在二者的作用下实现最终消除静差的目的。PI调节器将比例调节的快速反应与积分调节消除静差的特点结合起来，收到比较好的控制效果。积分调节还有一个缺陷：积分饱和。只要偏差不为零，调节器就会不停地积分，当偏差e（t）≠0，且符号不变时，积分作用使调节器输出持续增加或者减少。

如果由于某种原因误差一时消除不了，调节器就要不断的积分下去，直至调节器输出进入深度饱和，使调节器失去调节作用，这种情况在工程上是比较危险的，因此采用积分调节的调节器要防止积分饱和现象发生。

如下为无干扰Matlab仿真图：

图4.2 无干扰总体回路系统框图

图4.2 无干扰系统仿真图

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从仿真结果来看，PID控制结果很好，系统没有波动。其中 =kp0.0055， d=0.8。 T=6，T如下为有干扰Matlab仿真图：

i

图4.3 有干扰系统框图

图4.4 有干扰系统仿真图

kp0.09， 从仿真结果来看，PID控制结果很好，系统没有明显的波动。其中 =

Ti=6， d =0.8。其中主回路反应灵敏，时间常数小，调节通道短，并且包含干T扰比较全面。系统要求温度波动范围不超过±0.02MPa，仿真结果说明本设计能够满足控制要求。

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第5章 课程设计总结

随着自动控制技术的发展，精密气压产生与控制技术的应用越来越广泛。而传统的阀门控制器控制精度不够，运行速度缓慢，且价格昂贵，已不能满足这方面的要求。电气比例阀气压控制系统，基于硅微控阀门的气压控制系统，模糊PID控制压力控制系统等一系列高科技的压力控制系统。在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。

本课设主要测量对象是回流罐内压力。在此次研究中采用PID算法，设计了通过两个调节阀同时作用于一个被控对象的实验方案，应用了BYP300小巧型压力变送器对回流罐进行压力的检测和对调节阀的控制，采用分程控制系统。首先进气阀打开，使得空气慢慢顺利的进入到回流罐中，本系统采用EPC-3000电-气转换器控制进气和排气，系统初始时打开进气阀，由BYP300变送器测罐内的压力，当变送器检测到罐内压力大到0.1MPa的时候，将检测到的压力变换到标准模拟信号传送给控制器SWP-PID自整定数字/光柱显示，为了保障罐内的安全，此时就需要对反应罐进行降压。将罐内的排气调节阀适当的打开，并将排气的调节阀开大，从而达到降低罐内压力减小的目的。

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参考文献

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