武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书
2)控制变量一般应比其他干扰对被控参数的影响灵敏。为此，应通过合理选择控制变量，使控制通道的放大系数K0大、时间常数T0小、纯滞后时间?0越小越好。
3)为使干扰对被控参数的影响小，应使干扰通道的放大系数Kf尽可能小、时间常数Tf尽可能大。扰动引入系统(控制通道)的位置要远离被控参数，尽可能靠近调节阀(控制器)。
4)被控过程存在多个时间常数，在选择设备及控制参数时，应尽量使时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大很多，同时注意减小其他时间常数。这一原则同样适用于控制器、调节阀和测量变送器时间常数的选择。控制器、调节阀和测量变送器(三者均为系统控制通道中的环节)的时间常数应远小于被控过程中最大的时间常数(这个时间常数一般难以改变)。
5)在选择控制变量时，除了从提高控制品质的角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产效率及生产过程的经济性。一般不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量或者用户的需求，不允许控制。另外，从经济性考虑，应尽可能地降低物料与能量的消耗。
4.3本系统被控变量与控制变量的选择
由设计任务和以上分析可知，本系统要求维持出口水流量恒定，并且出口流量也是易于检测的，所以选择出口水流量作为该系统的被控变量。在选择控制变量时，要从所有允许控制的变量中尽可能地选择一个对被控参数影响显著、控制性能好的输入变量作为控制变量。水的流量是较易于控制的，通过调节阀就可以控制住，所以选择水的流量作为本系统的控制变量。
5检测环节设计
5.1检测环节设计原则
过程控制系统中的检测元件指的是用于参数检测的传感器、变送器。传感器、变送器完成对被控参数以及其他一些参数、变量的检测，并将测量信号传送至控制器。测量信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数迅速、准确地测量是实现高性能控制的重要条件。
下面介绍传感器、变送器选择的一些原则及使用中应注意的一些事项。
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(1)传感器、变送器测量范围与精度等级的选择
在控制系统设计时，对要检测的参数和变量都有明确的测量精度要求，参数与变量可能的变化范围一般都是已知的。因此，在传感器与变送器的选择时，应按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范围与精度等级。
(2)尽可能选择时间常数小的传感器、变送器
传感器、变送器都有一定的响应时间，特别是测温元件。这些时间和纯滞后必然造成测量滞后；对于气动仪表，由于现场传感器与控制室仪表间的信号通过管道传递，还存在一定的传送滞后。因此，控制系统中测量环节的常数不能太大，最好选用惰性小的快速测量元件。必要时，可以在测量元件之后引入微分环节，利用它的超前作用来补偿测量元件引起的动态误差。
对于传送滞后较大的气动信号，一般气压信号管路不能超过300m，直径不能小于6mm，或者用阀门定位器、气动放大器增大输出功率，以减小传送滞后。在可能的情况下，现场与控制室之间的信号尽量采用电信号传递，必要时可用气-电转换器将气信号转换为电信号，以减小传送滞后。
(3)合理选择检测点，减小测量纯滞后?0
要合理地选择测量信号的检测点，避免由于传感器安装位置不合适引起的纯滞后。纯滞后使测量信号不能及时反映被控变量的变化，从而使控制品质降低，所以在选定测量传感器的安装位置时，一定要注意尽量减小纯滞后。另外，检测位置的选择还要使检测参数能够真实反映生产过程的状态，因此，尽量将传感器安装在能够直接代表生产过程状态的位置。
(4)测量信号的处理
1)测量信号校正与补偿。测量某些参数时，测量值要受到其他参数的影响，为了保证测量精度，需要进行校正与补偿处理。
2)测量噪声的抑制。在测量某些过程参数时，由于其本身特点和环境干扰的存在，测量信号中含有干扰噪声，如不采用措施，将会影响系统控制等质量。
3)测量信号的线性化处理。一些检测传感器的非线性，使传感器的检测信号与被测参数间呈非线性关系。在系统设计时，应根据具体情况确定是否进行线性化处理。
5.2本系统检测环节设计
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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。根据本试验装置的特点，采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量0~.03m3/h,压力1.6Mpmax,4-20mA标准信号输出。可与显示，记录仪表，积算器或调节器配套。避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点，确保实验效果能达到教学要求。主要优点：
(1)采用整体焊接结构，密封性好；
(2)结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损失； (3)采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定； (4)仪表反映灵敏，输出信号与流量呈线性关系,量程比宽；
(5)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, 许负载电阻为0~750欧姆，基本误差：输出信号量程的0.5%。
6执行器设计
6.1执行器设计原则
过程控制使用最多的是由执行机构和调节阀组成的执行器。从提高系统控制品质、增强生产系统及设备安全性的角度，对控制系统设计中有关执行器选型需要关注的问题进行简单的说明。
(1)调节阀工作区间的选择。在过程控制过程中，确定控制阀的口径尺寸是选择控制阀的重要内容之一，在正常工况下要求调节阀的开度在15%~85%之间。如果调节阀口径选得过小，当系统受到较大的扰动时，调节阀工作在全开或全关的饱和状态，使系统暂时处于失控工况，这对扰动偏差的消除不利；同样，调节阀口径选得过大，阀门长时间处于小开度工作状态，阀门的不平衡力较大，阀门调节灵敏度低，工作特性差，甚至会产生振荡或调节失灵的情况。因此，调节阀口径选择一定要合适。
(2)调节阀的流量特性选择。调节阀的流量特性选择一般分两步进行。首先要根据生产过程的工艺参数和对控制系统的工艺要求，确定工作流量特性，然后根据工作流量特性相对于理想流量特性的畸变关系，求出对应的理想流量特性，确定阀门的选型。
(3)调节阀的气开、气关作用方式选择。调节阀开、关作用方式的选择主要以不同生产工艺条件下，人员安全、生产安全、系统及设备安全的需要为首要依据。
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6.2本系统执行器设计
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，无需配伺服放大器，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及单相电源即可控制与转实现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，泄漏量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构，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。
7调节器设计
7.1调节器正反作用选取
调节器的输出决定于被控参数的测量值与设定值之差，被控参数的测量值与设定值变化，对输出的作用方向是相反的。当设定值不变时，随着测量值的增加，调节器的输出也增加，则称为“正作用”方式；同样，当测量值不变，设定值减小时，调节器输出增加，称为“反作用”方式。反之，如果测量值增加或设定值减小时，调节器输出减小，则称为“反作用”方式。
调节器正、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。在传感器、被控过程、执行器(调节阀)的符号已确定的条件下，为了保证单回路控制系统构成负反馈系统，调节器的符号(“正”、“反”作用)选择应满足单回路各环节符号的乘积必须为“-”。在一般情况下，过程控制系统中变送器的符号都认为是“+”，简化后，即调节器符号为被控过程的符号与执行器(调节阀)符号乘积的相反值。由此可知，当控制阀与被控过程符号相同时，控制器应选择“反作用”方式；反之，则选择“正作用”方式。
7.2调节器规律的选择
采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定
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在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。如：金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水池水位控制；油泵房中间油罐油位控制等。 比例(P)控制器:
u(t)?Kpe(t) (7-1)
积分调节的特点是没有静差。它的动态偏差最大、调节时间长，只能用于有自衡特性的简单对象，很少单独使用。
比例积分调节既能消除静差，又能产生较积分调节快得多的动态响应。对于一些调节通道容量滞后较小、负荷变化不大的调节系统，比例积分调节可以取得很好的效果。比例积分调节是使用最多的调节器。 比例积分控制器:
1tu(t)?Kp[e(t)??e(t)dt]Ti0 (7-2)
在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。如：在主线窑头重油换向室中F1401到F1419号枪的重油流量控制系统；油泵房供油管流量控制系统；退火窑各区温度调节系统等微分作用提高了系统的稳定性，使系统比例系数增大，加快调节过程，减小动态偏差和静差。在有高频干扰的场合，由于系统对高频干扰特别敏感，Td不能太大，否则会影响系统正常工作。在高频干扰频繁或存在周期性干扰的场合，不能使用微分调节。
PID调节器是常规调节中性能最好的一种调节器，它综合了各种调节规律的优点，既能改善系统的稳定性，又可以消除静差。对于符合变化大、容易滞后大、控制品质要求高的控制对象均能适应。但对于对象滞后很大，负荷变化剧烈、频繁的被控过程，采用PID调节还达不到工艺要求的控制品质时，则应选用串级控制、前馈控制等复杂控制系统。 比例积分微分控制器:
u(t)?Kp[e(t)?
1tde(t)e(t)dt?Td]?0Tidt (7-3)
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