1、控制理论经典控制理论现代控制理论控制论、信息论、系统论、人工只能等学科之间的交叉控制工具常规仪表（电动、液动、气动）分布式控制计算机（DCS）计算机网络控制要求安全、平稳优质、高产、低消耗市场预测、快速响应、柔性生产、创新管理控制水平简单控制系统先进控制系统综合自动化（CIPS）这一时期应属于自动化孤岛模式的阶段，其控制目标只能保证生产平稳和少出事故。7080年代是发展的第二阶段，分布式工业控制计算机系统（DCS）的出现为是先进控制创造了条件，多变量预测控制等先进控制方法的应用，使控制达到了新的水平，在实现优质、高产、低消耗的控制目标控制目标方面前进了一大步，值得指出的是在70年代中期，出现了
2、现代控制理论是否适用于过程控制的困惑，这迫使人们去研究生产过程的特点与难点，以缩小理论与应用之间的鸿沟。80年代后期，工业控制中出现了多学科间的相互渗透与交叉，人工智能和智能控制受到人们的普遍关注，信号处理技术、数据库、通讯技术以及计算机网络的发展为实现高水平的自动控制提供了强有力的技术工具。过程控制开始突破自动化孤岛传统模式，采用CIM的思想和方法来组织、管理和指挥整个生产过程，出现了集控制、优化、调度、管理于一体的新模式。在连续工业中，也将这种模式称为综合自动化或CIPS（computer integrated processing systems）.可以看到，过程控制在这阶段的目标已从保
3、持平稳和少出事故转向提高产品质量、降耗节能、降低成本、减少污染，并最终以效益为驱动力来重新组织整个生产系统，最大限度地满足动态多变市场的需求，提高产品的市场竞争力。当前过程控制正处于第三个发展阶段，并以前所未有的速度和规模飞速前进。综观这一时期，可以归纳为如下三个主要特点。a. 简单控制向先进控制发展早期的控制受经典控制理论和常规仪表的限制，难以处理工业过程中存在的复杂性、耦合性、非线性等，只能按某种原则将复杂系统分解成若干相对独立的单变量系统。这种简单控制是一种分散自治控制。随着企业提出的高效益、高柔性的要求，上述控制方式已不能适应，先进控制便应运而生，先进过程控制（ advanced pr
4、ocess control ）是指一类在动态环境中，基于数学模型，借助充分的计算能力，为工厂获得最大利润而实施的运行和技术策略。这种新的控制策略实施后，系统运行在最佳工况，达到所谓的 “卡边控制”。据资料报道，一个乙烯装置投资163万美元实施先进控制，完成后预期可获得效益600万美元/年。目前，国内许多大企业均纷纷投资，在装置自动化系统中实施先进控制。b. 封闭的分布式计算机控制系统转向具有国际统一标准的开放式系统1975年Honeywell公司推出第一台分布式计算机控制系统（DCS），实现了分散、监控视集中的功能，提高了系统的可靠性和灵活性，为连续工业自动化建立了丰功伟绩。但是DCS的一个致
5、命弱点就是封闭性。随着综合自动化的潮流和计算机科学与技术的发展，Fisher-Rosemount,Honeywell等欧美十余家公司经过激烈的竞争，最后终于连手，将共同推出一种国际标准的现场总线（fieldbus）控制系统，它被公认为具有时代特点的新一代分布式计算机控制系统，它的出现标志着控制工具的又一次重大变。它的主要特点为：开放性、只能化现场仪表、数字信号传输、彻底分散性。c. 单一控制系统向综合自动化系统发展本质上讲，工业企业自动化在90年代以前仍是自动化孤岛模式。进入90年代，国内外企业界在国际市场剧烈竞争的刺激下，已把注意力转移到节能降耗、少投入多产出的高效生产模式上。企业开始把提高
6、综合自动化水平作为快速挖潜增效、提高竞争能力的重要途径。集常规控制、先进控制、在线优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的综合自动化成了当前自动化发展的趋势。有一种炼油厂的综合自动化模式。在整个系统中，信息是由底层不断经过加工处理向上层传递，而各种指令也由最高层逐级分解，以指令形式向下层传递。每个层次的运行周期不等，从底层向上，以秒、分、时、日、旬，乃至月、季来计算。这种递阶系统，把全厂各层控制功能与企业管理相结合，实现从原料进厂到产品出厂的全部控制与分布式数据库的支持下，实现信息与功能的集成，进而实现充分调动人的因素的经营系统、技术系统及组织系统（ humanware ）的集成，最终
7、形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性的全局最优的高质量、高柔性、高效益的智能生产系统。这就是CIM思想在连续工业中的体现。据报道，国外目前约有100个炼油厂和化工厂企业在建立一体化信息系统，在欧洲有13家炼油厂、北美至少有15家炼油厂、远东和澳洲有14家炼油厂正在实施CIM计划。她们的基本思想都是集控制、优化、生产调度、计划排产和优化决策于一体，以达到节能降耗、提高产量和质量、增加产品市场竞争能力的最终目标。有关统计资料也已经表明了综合自动化的重要作用。我国在连续工业方面，自1990年开始，已进行了一些综合自动化试点。近年来，连续工业CIM已列入国家科委863CIMS典型应用工程和国
8、家计委“八五”、“九五”攻关任务。可以预料，综合自动化的实施和发展将给国民经济建设带来巨大的经济效益和社会效益，是一个十分诱人的发展方向。实现生产过程自动化对于发展国民经济、提高技术水平有着十分重要的意义。当前，一项在今后几年内可能大大改变过程控制系统面貌的新技术现场总线正处于迅速发展中。这是用于现场仪表与控制室之间的全数字化、双向、多站的通迅系统。通迅总线地直延伸到现场仪表，使得许多现场仪表可以在同一总线上进行双向多信息数字通信。现场总线用全数字化、双向、多站的通迅方式来替代目前使用的420ma单变量单向模拟传输方工式。随着这一技术的不断完善，一种更高层次的自控技术工业现场网络也将逐步应用于
9、工厂或工艺流程的过程控制系统。就目前该课程的教学来看，大部分内容还处在80 年代以前的水平，严重地落后于当代过程控制技术发展的现状，另外我国的工业过程控制仍处在经典过程控制和程序化、数字化的数字处理技术并存的局面，过程控制装置及仪表工业还处于较落后状态，且与世界先进水平的差距越来越大。为能访问到所有现场设备的信息，而不一定要到集中的控制室才能获得。工业现场网络包括三个组成部分，即符合现场总线标准的智能现场设备、规格可变的控制的管理技术水平台以及集成的模块化软件。可以用工业现场网络结构装备整个工厂，也可从一台设备或几个回路开始，然后再方便地扩充规模。容易想象，未来的控制系统，是用控制器用户操作站
10、、PL和软件将所有现场设备的功能更方便地集成在一起的控制系统。实现生产过程自动化对于发展国民经济、提高技术水平有十分重要的意义。3 总体方案设计3.1 实验装置介绍控制技术基本实验装置为液位自控实验装置，它可以进行压力、温度、流量、液位等多种控制系统内容的实验。今后的控制系统实验都将在实验装置进行。实验将工艺装置部分的测量信号直接送到计算机的信号调理板，仪表的电源、D/A、计算机电源、水泵的按钮开关、信号灯等设备，组装成一个电控箱，该电控箱安装在工艺装置部分中部。图3-1 实验装置工艺流程图图3-1中有三只水槽。其中槽1、槽2为被控对象。它们的液位高度L1及L2分别通过两台差压变送器测出，槽3
11、为储槽，是为了构成水的循环而设置的。储槽3中的水通过水泵1或2抽出，经孔板和控制阀后送入槽1或2（视手动阀1.2.3.4的开闭而定），两路水管中的水流量大小分别通过各自的变压器（与孔板配合）回到储槽3中，这样对水来说始终处于循环状态。本实验装置除比值实验外，一般情况下，所在的管道为主物料管道，F2管线则专供作为加干扰用。3.2 单回路反馈控制电路基本原理图3-2 控制系统方块图本实验装置中的液位控制系统为单回路控制系统。该系统方块图如3-2所示：单回路控制系统是指只有一个测量变送器；一个调节器；一个调节阀连同被控过程。对一个被控参数进行控制的反馈闭环控制系统。由于单回路控制系统结构简单，投资少
12、，易于调整和投运，又能满足一般工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯时延和惯性小，负荷和扰动变化比较平缓，或者对被控质量要求不太高的场合。单回路控制系统虽然简单，但是，它的分析、设计方法是其他各类复杂控制系统分析、设计的基础。所以，掌握了单回路控制系统的分析和设计方法，就不难设计其他更为复杂的过程控制系统。3.3 工艺方案的拟定3.3.1 实验装置的工艺部分设计方案根据实验装置的需要选择水泵、水管、水龙头、电动执行器，根据水泵的流量特性选选择水槽的材料和尺寸，再根据水槽的尺寸选择传感器的类型和尺寸和液位计，估算控制柜的尺寸，再综合各个元件大体定整体框架尺寸。最后设计控
13、制箱。磨的部分：物料由料仓经喂料机送给CKP磨，经过CKP磨磨出来的粗粉再次被送入磨内进行研磨，细粉被送出，送出的细粉被送到皮带称上，经过皮带称称重后，得到细粉的重量，这个数据被送入放大器、积分器运算后得到的数据与预先存储的数据进行比较来控制接触器CR的动作以实现整个电路的控制。关键是设计的整个系统是用接触继电器控制了还是用PLC控制了，前者控制线路复杂，价格比较便宜，但控制不够稳定，后者是现在工业生产上正在使用的控制元件，控制精度高，性能稳定，使用寿命长，但价钱比较贵考虑了方方面面，我决选定用PLC控制系统。3.3.2 实验装置的控制部分设计方案磨机的主轴转动由电机M1拖动，磨机主轴转动不需
14、要正反转控制。但电机M1的功率很大由于磨盘需承受很大的压力，压力大了，电机的工作电流也会增大，所以要防止电机烧坏，在电路中加入过电流继电 ；另外，主电机的运转要考虑的另一个大的问题，这么大的电机的启动电流很大，所以要用减压启动回路。在粉磨过程中要考虑的问题，防止一些坚硬的异物进入磨内，如有这种现象出现，应使主电机M1立即停止转动，而且压力立即降低，以免伤到整个磨机系统。磨盘的转动是Y180M-2,Y系列（IP44）封闭式三相异步电机带动的，我这里采用的星型三角形减压起动，这种方式的起动电流只有 正常工作的1/3扭矩是正常工作时的1/，能够很好的保护电路。入磨输送部分主要应考虑选哪种方式给磨机喂
15、料，考虑到产量和磨机的效率，还有成本费用，所以用电子皮带称给它喂料，通过电子皮带称上的喂料机的控制压力。液压系统的继电接触控制是立磨系统中的一全重要部分，只能对液压系统如何对磨盘进行压力控制的还有其它一些辅助功能。液压系统中的液压泵是由电动机带动，直接全压起动。当电动机带动液压泵时该系统向液压缸供油，随着时间的延长，缸里压力越来越大，加在磨盘上的力也越来越大，二个缸的动作基本一致的，当缸内压力达到压力继电器的上限时，主液压泵供油结束Y12-，换向阀6处于中位，二位二通电磁换向阀 Y14+、Y15+使系统保压，但由于实际情况中，系统中的任何液压元件都要有泄漏，使系统中的压力逐渐下降，当下降到压力
16、继电器下限时，泵8、9又都开始工作，使系统中的压恢复，当达到压力继电器的上限时，泵8、9都停止工作，就这样循环的为缸保压，它们的电机都用全压启动，用熔断器、热继电器对电路保护。电气控制箱置于专门的操作室。民器板与控制板之间，以及电控箱与执行系统之间的连接，采用接线板进出线方式。根据实验需要初步选择单片机、键盘、显示器、A/D转换器、D/A转换器、放大电路的选择，画出电路图，在编写程序，最后上机调试。其控制思路为：打开水泵、水龙头1及水龙头3。将液位变送器测量的液位经A/D转换送入单片机控制系统。将此信号与键盘设定值进行比较。单片机控制系统输出差值信号，经D/A转换、电压/电流转换后控制电动执行
17、器的开闭，从而实现液位的平衡。电机、电器的绝缘，导线的绝缘损坏或线路发生故障时，都可能造成短路事故。很大的短路电流和电动力可能使电器设备损坏或发生更严重的后果，因此要求一旦发生短路故障时，控制线路能迅速地切除电源的 保护叫短路保护。常用的短路保护元件有熔断器和短路器等。其保护原理及保护元件的选择方法、短路器的整定要求。电动机长期超载运行，绕组温升将超过其允许值，造成绝缘材料变脆，寿命缩短，严重时还会使电动机损坏。过载电流越大，达到允许温升的时间就越短。常用的过载保护元件是热继电器。由于热惯性的原因，热继电器不会受电动机短时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬间动作，所以在使用热继电器作过载保护的同
18、时，还必须有短路保护。作短路保护的熔断器熔体的额定电流不能大于4倍热继电器发热元件的额定电流。过电流保护广泛用于直流电动机或绕线转子异步电动机。对于三相笼型异步电动机，由于其短时过电流不会产生严重的后果，故可不设置过电流保护。过电流电流保护往往由于不正确的起动和过大的负载引起的，一般比短路电流要小，在电动机运行中产生过电流比发生短路的可能性更大，尤其是在频繁正反转动的重复短时工作制电动机更是如此。直流电动机和绕线转子异步电动机控制线路中，过电流继电器也起着短路保护的作用，一般过电流的动作值为起动电流的1.2倍。 必须强调指出，短路、过载、过电流保护虽然都是电流型保护，但由于故障电流、动作值以及
19、保护特性、保护要求以及使用元件的不同，它们是不能互相取代的。3.4 CKP磨液压系统的分析调压回路的功用在于调定或限制液压系统的最高工作压力，或者使执行机构在工作过程不同阶段实现多级压力变换。一般由溢流阀来实现这一功能。如图32为最基本的调压回路。当改变节流阀2的开口来调节液压缸速度时，溢流阀1始终开启溢流，使系统工作压力稳定在溢流阀1调定压力附近，溢流阀1作定压阀用。若系统中无节流阀，溢流阀1则作安全阀用，当系统工作压力达到或超过溢流阀调定压力时，溢流阀开启，对系统起安全保护作用。如果在先导型溢流阀1的遥控口上接一远程调压阀3，则系统压力可由阀3远程调节控制。主溢流阀的调定压力必须大于远程调
20、压阀的调定 图3-2 调压回路压力。在CKP磨的液压系统中没有节流阀，溢流 阀只是起安全保护作用。卸载回路是在系统执行元件短时间不工作时，不频繁启停驱动泵的原动机，而使泵在很小的输出功率下运转的回路。因为泵的输出功率等于压力和流量的乘积，因此卸载的方法有两种，一种是将泵的出口直接接回油箱，泵在零压或接近零压下工作，一种是使泵在零流量或接近零流量下工作。前者称为压力卸载，后者称为流量卸载。当然，流量卸载仅适合于变量泵。定量泵可借助M型、H型或K型换向阀中位机能来实现泵降压卸载，如图33。因回路需保持一定控制压力以操纵液动元件，在回油路上应安装背压阀a。该液压回路是用在主回路 图3-3 卸载回路中
21、，对整个系统起卸载作用。右图34中的是采用二位二通电磁阀控制先导行溢流阀的卸载回路。当先导型溢流阀1的遥控口通过二位二通电磁阀2接通油箱时，泵输出的油液以很低的压力经溢流阀回油箱，实现卸载。为防止卸载或升压时产生压力冲击，在溢流阀遥控口与电磁阀之间可设置阻尼b。这个回路的应用主要考虑保压和停止工作时设计的，当系统处于保压时，电磁铁失电，油路截至；当液压缸不工作时，这时活塞杆要退回，换向阀电磁铁得电，油液可以从该回路流油 图3-4 电磁阀箱。 这里我要介绍的是保压回路，这个回路在我的设计系统中起着很重要的作用，在我的设计系统中它是我的整个液压系统的主干回路我只介绍我用到的自动补油保压回路。右图3
22、5中在回路中增设了一台小流量高压泵5。当液压缸加压完毕要求保压时，有压力继电器4发讯，换向阀2处于中位，主泵1卸载；同时二位二通换向阀8处于左位，由辅助泵5向封闭的保压系统a点供油，维持系统压力稳定。由于辅助泵只需补偿系统的泄露量，可选用小流量泵，功率损失小。压力稳定性取决于溢流阀7的稳定性能。CKP磨的液压系统中主要采用类是该回路的思想，用小流量高压泵5来保压。 图3-5 卸载回路4 实验装置的工艺部分设计及设备选型4.1 水泵的选择图4-1 离心泵特性曲线水泵用来整个系统的供水，管道式结构安装。本实验的循环介质采用清水，管路直径为10mm，实验台采用丹麦格兰富UPA-90AUTO型单级循环
23、水泵。噪音低，不会影响教师授课。寿命长，减少使用的麻烦。泵可以分为离心泵和容积泵两大类；容积泵有往复泵、旋转泵之分，在石油、化工等生产过程中，离心泵的使用最为广泛。离心泵主要由叶轮和机壳组成，叶轮在原动机的带动下作高速旋转运动。离心泵的出口压头由旋转叶轮作用于液体而产生离心力，转速越高，离心力越大，压头也越高，因离心泵的叶轮与机壳之间存在空隙，所以当泵的出口阀完全关闭时，液体将在泵内循环，泵的排量为零，压头接近最高值。此时对泵所做的功被转化为热能向外散发，同时泵内液体也发热升温，故离心泵的出口阀可以关闭，但不宜处于长时间关闭状态。随着出口阀的逐步开启，排出量也随之增大，而出口压力将慢慢下降；泵
24、的压头H，排量Q和转速n之间的函数关系，称为泵的特性，如图4-1：离心泵的特性；由10 H=R1n2-R2Q2 （41）式中R1、R2为比例常数。泵是安装在工艺系统的管路上运行的，因此要分析泵的实际排量与出口压头，除了与泵本身的特性有关外，也要考虑到与其连接的管路特性，所以有必要对管路特性作一些分析。管路特性就是管路系统中流体流量与管路系统阻力之间的关系。通常管路系统的阻力包含四项内容。四项阻力分别如下：a. 管路两端的静压差引起的压头hp： hp= （42） 式中P1、P2分别是管路系统的入口与出口处的压力。为流体密度，g为重力加速度。由于工艺系统在正常操作是P1、P2基本稳定，所以这项也是
25、比较稳定的。b. 管路两端的静液柱高度HL，即升扬高度。在实际工艺系统中，管路和设备安装就绪后，这项将是恒定的。c. 管路中的摩擦损失压头hf。hf与流量的平方值近似成正比例关系。d. 控制阀两端节流损失压头hV 。在阀门开度一定时，hV也与流量的平方值成正比关系，当阀门的开度变化时，hV也跟着变化。管路总阻力为HL，则： HL=hp+HL+hV+hf （43）上式即为管路特性表达式。当系统达到稳定工作状态时，泵的压头H必然等于HL，这是建立平衡的条件，上图中泵的特性曲线与管路特性曲线的交点C，即是泵的一个平衡工作点。工作点C的流量应符合工艺预定的要求，可以通过改变hV或其它的手段来满足这一要
26、求，这也是离心泵的压力（流量）的控制方案的主要依据。先对整个实验装置进行估计，再选择适合此装置的水泵确定其参数所以我选择凯节理公司的CP系列清水泵CP 系列清水泵是属于电机与水泵直联的漩涡电泵，结构简单，体积小，重量轻，具有较高的扬程，流量相对较小，适合输送温度不超过80C的清水或物理化学性质类似于清水的液体。适用于家庭水井的抽水、汽车冲洗、喷泉供水、花园灌溉等场合。其参数如表4-1：表4-1 水泵参数型 号机座号功 率最大流量（L/min）最大扬程（m）最大吸程转 速（r.p.m）管 径（mm）净重（Kg） 外形尺寸WHPCP-45631250.1735309285025X255262X13
27、7X1524.2 水管的选择根据所选离心泵口径的大小，可以选择直径25mm壁厚为1mm的不锈钢水管不锈钢水管参数如表4-2所示表4-2 水管参数产品名称公称直径（mm）产品代码壁厚（mm）不锈 钢水 管00150015000.820002000125002500320032001.24000400050005000650065002800080001000100001500150002.520002000034.3 水龙头的选择水龙头主要是根据所选水管的直径来选择。由于选择的是直径25mm的水管，所以水龙头与水管的配合端的口径也为25mm。由于水龙头没什么讲究所以选择普通水龙头所以选择了型号为YW1001的水龙头，该水龙头表面镀铬,螺纹为1/2,重为195g。4.4 流量计的选择在选择流量计时，不是从管道口径或管内流速出发的而是将液体、气体或蒸汽换算成与水或空气相当的标准流量，然后根据标准流量值从说明书中选择适当的口径。管道口径最好与流量计口径相同，当有差异时，应配用异径管。本实验选用LZD型电远传转
