摘要随着科学技术的迅猛发展，自动化技术在工业，农业，科技及人们日常生活中发挥着重要的作用。

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、医疗、水利、电力、冶金、轻工、纺织、建材、核能、环境等许多领域，在国民经济中占有极其重要事务地位。

过程控制的主要任务是对生产过程的有关的参数进行控制。

使其保持恒定或按一定规律变化，在保证总质量和生产的前提下，使连续型生产过程自动地进行下去。

连续生产过程中，流量是一个很重要的参数。

在连续生产过程中，有各种物料在工艺设备间传送。

为了有效地进行生产操作和工艺控制，经常需要测量介质（液体、气体和蒸汽等）的流量。

同时，为了进行经济核算，也需要知道在一段时间内流过的介质总量。

所以，流量监测是控制生产和进行经济核算所必需的一个重要手段。

按照控制任务要求，流量控制系统一般是定值的，根据较快较准较稳得性能要求，采用单闭环控制系统，控制规律是PID控制规律。

闭环相比开环可以减小误差，满足需要。

流量控制系统一般有四部分组成，控制器、执行器、被控对象以及流量检测传感变送器。

控制器的输入由给定与反馈的偏差决定，控制器的输出控制调节阀，从而控制被控对象。

传感变送器将被控变量检测并变送到输入端与给定进行比较，得到的偏差作为控制器的输入，闭环控制系统是按偏差控制的，因而性能比较优越。

关键词：过程控制流量控制闭环控制系统水泵流量控制系统的设计1 设计目的与要求1.1 设计目的水泵流量控制系统系统原理图如图1-1所示。

PID智能调节器图1-1 水泵流量控制系统原理图如图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。

2 系统结构设计2.1 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。

2.2 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2-1。

图2-1 流量单回路控制系统框图3各个环节的设计方案3.1被控变量与控制变量选择3.1.1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。

3.1.2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。

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0K 大、时间常数0T 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f K 尽可能小、时间常数f T 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。

3.1.3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。

3.2检测环节设计3.2.1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。

3.2.2本系统检测环节设计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%。

3.3执行器设计3.3.1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。

3.3.2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。

3.4调节器设计3.4.1调节器正反作用选取调节器正、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。

3.4.2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。

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。

图3-1 PID 算法流程图设备清单及费用参考文献[1]王再英．过程控制系统与仪表(第1版)．机械工业出版社．2006[2] 施仁.自动化仪表与过程控制(第4版)．电子工业出版社．2009．[3] 向婉成.控制仪表与装置.机械工业出版社.1999.[4]胡寿松主.自动控制原理.科学出版社. 2007.[5]吴同茂.《过程控制仪表》实验及课程设计指导书.中南大学出版社. 2008.[6]于海生等编.微型计算机控制技术.北京：清华大学出版社，1999.。