武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书
水泵流量控制系统的设计
1 设计目的与要求
1.1 设计目的
PID智能调节器
扰动f 给定量Qs - 偏差Qi 调节器 + 反馈Qf A/D D/A 电子阀 流量对象内容器 流量变送器 无纸记录仪 图1 水泵流量控制系统原理图
本次课程设计的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，使学生加深对仪表控制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，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。如图1所示，这是一个流量控制系统原理图，按照生产的要求，一般设计成定值控制系统，要求流量稳定在某个值，根据较快较稳较准和抗干扰的性能要求下，采用单闭环控制结构和PID控制规律，闭环控制系统相比开环系统，性能更加优越。对自来水厂用泵将水打入水槽（泵1和泵2同时用），以备下一道工艺生产需要，进行设计将流量控制在500±3立方米/小时，以满足生产要求。
1.2 设计的意义
本次课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对以前学
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的《传感与检测技术》、《自动控制原理》、《仪表与过程控制系统》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用，使学生加深对过去已修课程知识的理解，运用本课程所学的基本理论和方法，同时综合计算机控制技术，传感与检测技术，解决生产过程控制领域的实际问题，为学生今后从事过程控制领域的工和学习作打下坚实的基础。，它能使我们更可能早的接触到生产过程领域的知识，因此本次此课程在教学计划中具有重要的地位和作用。
1.3 要求完成的主要任务
（1）、了解被控对象及自来水厂的生产工艺 （2）、绘制水泵流量控制系统方案图
（3）、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数 （4）、撰写系统调节原理及调节过程说明书
2 自来水厂生产工艺
2.1 生产工艺
众所周知，由于自然因素和人为因素，原水里含有各种各样的杂质。从给水处理角度考虑，这些杂质可分为悬浮物、胶体、溶解物三大类。城市水厂净水处理的目的就是去除原水中这些会给人类健康和工业生产带来危害的悬浮物质、胶体物质、细菌及其他有害成分，使净化后的水能满足生活饮用及工业生产的需要。市自来水总公司水厂采用常规水处理工艺，它包括混合、反应、沉淀、过滤及消毒几个过程。 （1）混凝反应处理
原水经取水泵房提升后，首先经过混凝工艺处理，即： 原水 + 水处理剂 → 混合 → 反应 → 矾花水
自药剂与水均匀混合起直到大颗粒絮凝体形成为止，整个称混凝过程。常用的水处理剂有聚合氯化铝、硫酸铝、三氯化铁等。汕头市使用的是碱式氯化铝。根据铝元素的化学性质可知，投入药剂后水中存在电离出来的铝离子，它与水分子存在以下的可逆反应： Al3+ + 3H2O ←→ Al(OH)3 + 3H+
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氢氧化铝具有吸附作用，可把水中不易沉淀的胶粒及微小悬浮物脱稳、相互聚结，再被吸附架桥，从而形成较大的絮粒，以利于从水中分离、沉降下来。
混合过程要求在加药后迅速完成。混合的目的是通过水力、机械的剧烈搅拌，使药剂迅速均匀地散于水中。
经混凝反应处理过的水通过道管流入沉淀池，进入净水第二阶段。 （2）沉淀处理
混凝阶段形成的絮状体依靠重力作用从水中分离出来的过程称为沉淀，这个过程在沉淀池中进行。水流入沉淀区后，沿水区整个截面进行分配，进入沉淀区，然后缓慢地流向出口区。水中的颗粒沉于池底，污泥不断堆积并浓缩，定期排出池外。 （3）过滤处理
过滤一般是指以石英砂等有空隙的粒状滤料层通过黏附作用截留水中悬浮颗粒，从而进一步除去水中细小悬浮杂质、有机物、细菌、病毒等，使水澄清的过程。 （4）滤后消毒处理
水经过滤后，浊度进一步降低，同时亦使残留细菌、病毒等失去浑浊物保护或依附，为滤后消毒创造良好条件。消毒并非把微生物全部消灭，只要求消灭致病微生物。虽然水经混凝、沉淀和过滤，可以除去大多数细菌和病毒，但消毒则起了保证饮用达到饮用水细菌学指标的作用，同时它使城市水管末梢保持一定余氯量，以控制细菌繁殖且预防污染。消毒的加氯量（液氯）在1.0-2.5g/m3之间。主要是通过氯与水反应生成的次氯酸在细菌内部起氧化作用，破坏细菌的酶系统而使细菌死亡。消毒后的水由清水池经送水泵房提升达到一定的水压，在通过输、配水管网送给千家万户。
2.2 生产工艺流程图
首先从泵房将水打到水池，经初滤，再加水沉淀剂聚合、过滤得到清水，加氯气消毒（小水厂加二氧化氯），将水储入清水池备用，再经高压泵压出供水。流程图如图2-1所示。
进水泵-蓄水池-澄清池-过滤池-加药池-过滤池-澄清池-出水泵
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图2-1 自来水厂生产工艺流程图
3 系统结构设计
3.1 控制方案
整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象四部分组成。在本次过程
控制系统中控制器为计算机，采用的算法为PID控制规律，调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成如下图3-1所示。
当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道将水送到水箱，由HB返回信号，判断是加大调节阀流量还是减小调节阀流量。若需要加大（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而保证流量控制在500±3立方米/小时；若不需要，则通过电磁阀使流量保持或减小。
3.2 系统结构
过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图3-1。
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SP_PV1计算机控制器电动调节阀PV管道流量检测传感器
图3-1 流量单回路控制系统框图
4被控变量与控制变量选择
4.1被控变量选择原则
根据被控参数的选择与生产工艺密切相关，被控参数的选择通常有两种方法。一种是选择能直接反映生产过程中产量和质量，又易于测量的参数作为被控参数，称为直接参数法。如果生产过程是按质量指标进行控制，按理应以直接反映产品质量的变量作为被控参数，但有时由于缺乏检测直接反映产品质量参数的有效手段，无法对产品质量参数进行直接检测；虽能检测，但检测信号很微弱或滞后很大，直接参数检测不能及时、正确地反映生产过程的实际情况。这时可以选择与质量指标有单值对应关系、易于测量的变量作为被控参数，简介反映产品质量、生产过程的实际情况。在选择被控参数时，还要求所选参数有足够的灵敏度。
选取被控参数的基本原则是首先考虑选择对产品产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用、可直接测量的工艺参数为被控参数；当直接参数不易测量，或其测量之后很大时，应选择一个易于测量，与直接参数有单值关系的简接参数作为被控参数；同时兼顾工艺上的合理性和所用仪表的性能及经济性。
4.2控制变量选择原则
设计单回路控制系统时，选择控制变量的原则可归纳为以下几条： 1)控制变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。
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