专业方向设计

西南科技大学 专业方向设计报告 课程名称：过程控制 设计名称：二容系统操作阀（u2）卡死故障分析及控制 姓 名： 学 号: 20075069 班 级：自动0704班 指导教师：郭玉英 起止日期：2010-11-16至2010-12-9 西南科技大学信息工程学院制 方 向 设 计 任 务 书 学生班级： 自动化0704班 学生姓名： 学号： 设计名称：二容系统操作阀（u2）卡死故障分析及控制 起止日期： 2010-11-16至2010-12-9 指导教师： 郭玉英 设计要求： 1.通过本课程设计加深对串级控制的理解。 2.给出二容系统的数学描述方程。 3.查阅相关资料，了解故障及其故障建模。 4.在u2故障的情况下，通过设计控制器，保证容器2（即Tank2）的流量q接近设定值 （这就要求通过控制器参数的调节使得容器2的液位x2为恒定值）。 方 向 设 计 学 生 日 志 时间 设计内容 2010-11-16至2010-11-19日 联系指导老师，分析给出的目 2010-11-20至2010-11-25 对相关英语资料的及理解，查阅有官二容系统及故障的资料 2010-11-26至2010-12-09日 使用Matlab结合相关资料对给出题目进行分析及设计 二容系统操作阀（u2）卡死故障分析及控制 摘要 给二容系统建模，分析二容系统，该二容系统是一个流行的由Heiming和Lunze首次描述的三容基准问题的精简版。设计控制器为了使右水箱稳定输出流量为q0的水流，需使右水箱水位尽快稳定于给定水位w2。在给出的模型下用SImulink仿真，设计控制器，及系统遇故障控制器设计。控制器为两个比例控制器，比利控制器分别控制u1和u2。u1控制左水箱水位想x1，u2控制右水箱水位u2。在Simulink环境下仿真，验证并观察系统故障u2=0对w2的响应、操作阀u2卡死对系统的影响及在u2卡死的条件下设计控制器，使x2尽量跟随w2。在故障u2=0的情况下完全不能用w2来控制x2的输出值，只有通过w2来控制x2的输出，设计结果使x2能按理想稳定输出，最终是系统在u2=0的故障下能理想稳定的输出q0. 关键词（3~5个） 二容系统 控制器 故障 操作阀 一、设计目的和意义 1、锻炼阅读专业英语文献的能力。 2、加深对串级控制和故障的理解。 3、给出二容系统的数学描述方程。 4、查阅相关资料，了解故障及其故障建模。 5、在u2故障的情况下，通过设计控制器，保证容器2（即Tank2）的流量q接近设定值q0（这就要求通过控制器参数的调节使得容器2的液位x2为恒定值）。 6、让学生得到一次进行独立设计的工程实践锻炼，不仅培养严谨的科学态度和扎实的实践技能、良好的工程意识，并在设计中学会如何发现、分析和解决工程实践问题的技能和，将所学知识综合应用于工程实践中，为后续的毕业设计做好准备。 二、控制要求 用Simulink仿真，分析二容系统，设计控制器使右水箱水位尽快稳定于给定水位w2，使右水箱稳定输出流量为q0的水流，并分析操作阀u2卡死对二容系统的影响，在u2故障的情况下，通过设计控制器，保证容器2（即Tank2）的流量q接近设定值q0（这就要求通过控制器参数的调节使得容器2的液位x2为恒定值）。 。 三、设计论证 图1 图1为控制系统实物简图，该系统由水位为x 1和x 2的两个水箱组成。这两个水位可以利用输出y1=x1和y2=x2测量。可以用泵u1将水引入左水箱中，通过在高度h = 0.3m的连续地被控制的阀u2将水放到右水箱中。右水箱有一个不受控制的出口，水从出口流出。控制目的是要维持流出q接近设定点q0。由于q本身无法测量，右水箱的水位x2作为相关的被测量，要达到预期流出q 0的x2的水位是w2。左水箱有一个通过阀门d的输出，这个出口被用来模拟在左水箱的泄漏。 本过程设计需将实际系统建模，双容系统的工作模式如前所述，运用运用机理建模方法对系统进行建模。依据所建数学模型对系统进行分析设计。设计两回路的控制器都为纯比例控制器，控制x2维持恒值w2。在控制器设计好后，使执行器u2卡死及时u2=0，在Simulink环境下观察系统的响应情况。并设计控制器使系统在u2=0的情况下x2下尽量接近于w2. 四、系统设计 （一）、用机理建模法对双容控制对象进行建模 1、初步通过分析控制对象内部的机理对系统进行建模： 由托里切利定律可知： 从而可知通过阀门d的流量为： 设通过执行器u1的流量为 则有下面的关系式： 消去中间变量可得到该二容对象的非线性描述： 2、对对象进行线性化 为了保持系统简单，假设K = 1和qmax= 1。在系统稳定操作期间，右边的水箱被填满到 m，而左水箱的水位比阀门高0.25m（ ）。由此可见流出为 。阀门设置为 ，泵设置为 （等于流出）。为模拟干扰而设置的出口阀门不使用（d= 0）。 为了线性化系统的变量使系统输入及输出量都相对平衡于0，为了区别，相对变量是没有标志 经过计算，对于小的相对量，可以通过以下线性方程组合理准确地描述该控制对象 （二）、控制器 两对象都为一阶对象，故用两个比例控制器分别控制操作阀u1和操作阀u2。u1控制左水箱水位x1,u2控制右水箱水位x2。正常工作时，两个比例控制器被使用。两个控制器的控制法则为： 将（421-1）组方程代入（412-1）中可得到加入控制器的的整个系统的线性化描述： 由（421-2）可得到控制结构如图2所示： 图2 （三）、在Simulink环境下对控制系统无故障状态进行仿真 图3 （四）、系统在执行器u2卡死条件下的仿真 1、　执行器常见故障形式及原因 1. 1　推杆动作迟钝或不动作 执行器长期工作在生产现场，直接与各种工艺介质接触，在检查维护、测试及运行过程中经常出现执行机构中的推杆动作迟钝或无法动作的故障，须认真检查执行机构中滚动膜片，垫片是否老化、破裂，因为膜片的老化或破裂会导致压力信号的泄气，使与其相连接的推杆动作迟缓或不动作。 1. 2　测试运行过程中回差比较大 执行器的回差是指在同一输入信号上所测得的正、反行程的最大差值。回差一般情况下是由于仪表本身机械零部件松动或执行机械中推杆弯曲引起的，这时需要认真检查与推杆相连接的压缩弹簧有无损伤，同时观测推杆是否变形弯曲、划伤，上、下阀座连接螺栓有无异常现象，是否对称，特别是用缠绕热片密封的调节阀更应该注意这些方面的问题，有时回差过大也与密封填料压得太紧有关，应及时作相应的调整。 1. 3　流体泄漏 1.3.1　阀杆长短选择不合适泄漏　 气开阀是指有压力信号时阀开的执行器。反之为气关阀。它们是由执行机构的正、反作用和调节阀的正、反作用组合而成。 当执行机构中的膜片接受到标准气压信号时如果阀杆太长或太短，阀杆向上(或向下)移动距离不够，就造成了阀芯和阀座之间的间隙，使其不能很充分接触，导致调节阀关不严而发生内漏现象。 1.3.2　填料泄漏　在执行器内部存在有多处密封 装置，密封面的损伤，阀杆连接处弹簧被腐蚀或失去弹性以及阀座与阀体连接螺纹松动，都是造成泄漏的主要因素，填料装入填料函后，经压盖对其施加轴向压力，由于填料的可塑性，使其产生径向的压力与阀杆紧密接触。调节阀在使用过程中，阀杆与填料之间存在着频繁轴向运动，同时伴随着高温、高压和渗透性强的流体介质及填料自身老化等因素的影响，就会使填料界面发生泄漏，对于纺织填料还会出现渗漏现象(即压力介质沿着填料纤维之间的微小缝隙向外泄漏的现象)。 1.3.3　阀芯、阀座变形泄漏阀芯、阀座泄漏的主要原因是由于调节阀生产过程中铸造、锻造缺陷造少戊的，细小的砂眼、局部的磨损都会导致冲刷腐蚀速度的加快。在调节阀中腐蚀主要以浸蚀和气蚀为主，它们都是由于流体介质在阀体内的流动所引起。当强酸、强碱等腐蚀性介质在通过阀体时，会对阀芯，阀座产生冲刷腐蚀，导致阀芯变形与阀座不配套，产生间隙而发生泄漏。 1. 4　卡堵 执行器的调节机构发生卡堵，主要是由于管道中的硬渣在节流口、阀芯与阀座之间的导向面部位、下阀盖平衡孔内造成堵塞，使阀芯动作迟钝或只能上不能下，导致不能动作或动作过头的现象，常发生于新投运系统和大修后投运初期。 1.5　振荡和噪声 当调节阀的流通能力选取值过大时，造成调节阀前后压力比较大，当调节阀的弹簧钢度不足时，就产生阀体的振荡。当流体流经调节阀，如前后压差过大就会产生针对阀芯、阀座等零部件的气蚀现象，使流体产生噪声。这些现象的产生都会影响执行器平稳运行。 2、　执行器故障的处理方法 从以上执行器出现的故障原因分析来看，对于气动执行器在运行过程中或检修时应重点检查下列部位:阀芯、阀杆、阀座、阀体、内壁、膜片和弹簧、密封填料，针对这些部位出现的各种问题采用适当的方法予以处理。 (1) 阀芯长期受介质冲蚀，可能会出现腐蚀、磨损损坏严重时应进行更换。 (2) 检查阀杆表面有无刻痕，是否光滑、弯曲，若损坏过多或直径过细应及时更换。 (3) 检查阀座锥形密合面的损坏程度，然后检查阀座的螺纹内表面有无因受腐蚀而使阀座松动，损坏程度较轻可经修理后继续使用，否则应更换。 (4) 在高压差和腐蚀介质的情况下，阀体内壁出现缺陷或剥损时，应及时补焊修理。 (5) 检查膜片和密封圈有无老化、破裂、压缩弹簧有无损伤，如果发现问题要及时更换。 (6) 采用石棉绳填料的，应检查有无干涸，要常注润滑油;采用聚四氟乙烯填料时，应检查有无老化和接触面损坏，如发现问题应及时更换，为了有效地保护阀杆填料函的密封，保证填料密封的可靠性和长期性，填料可以选用气密性好、摩擦力小的柔性石墨。 (7) 对振荡和噪声可以通过调整弹簧钢度，更换节流元件，减小阀内可动零件导向间隙，改变流动方向，限制阀座前后压差，合理选用阀体结构来消除。 3、对系统出现执行器故障进行仿真。 假设执行器卡堵，为简化分析，假设执行器卡死在稳态位置，即使u2=0。在假设条件下于Simulink环境下对系统进行仿真，。 图4 五、设计结果分析及改进 （一）、系统无故障分析 在仿真时设定：x2的初始值为-0.04。在t=5—10s时，参考值w2=0.05。t=15s时扰动d=0.1。：容器1和容器2液位、u1和u2以及uc1和uc2的仿真曲线为： 可得到在无故障情况下的仿真图如下： -5 0 5 10 15 20 Time t/s 图5 此系统在无故障无干扰的条件下能使x2很好的达w2值，即使q0能有一个理想的稳定输出，即有一个恒定的q0流出。抗干扰能力较强，在干扰d的作用下，系统的输出能较好的跟踪w2的值。 (二)、系统在故障u2=0的情况下的响应分析 在仿真时设定：执行器u2从0s开始故障，即从t=0s时，u2=0，x2的初始值为-0.04。在t=5—10s时，参考值w2=0.05。t=15s时扰动d=0.1。：容器1和容器2液位、u1和u2以及uc1和uc2的仿真曲线为： 可得到在u2=0情况下的仿真图如下： -5 0 5 10 15 20 Time t/s 图6 (三)、系统在故障u2=0的情况下控制器的设计 故障u2=0打破了第二个控制回路，在执行器u2=0故障的情况下,系统的描述方程为： 系统框图为： 图7 可看出x2的值只能通过调节w1间接使x2的值达到理想值。可看出对象仍为一阶，故第一控制器只能使用纯比例。当P=30时，w2为单位阶跃输入，则x1及x2的相应曲线如下： -5 0 5 10 15 20 Time t/s 图8 在仿真时设定：执行器u2从0s开始故障，即从t=0s时，u2=0，x2的初始值为-0.04。在t=5—55s时，参考值w1=0.05。t=60s时扰动d=0.1。：容器1和容器2液位、uc1的仿真曲线： -20 0 20 40 60 80 100 Time t/s 图9 通过调节w1间接使x2的值达到理想值的想法是可行的，只是通过x1间接影响x2，右水箱的调节时间是12s这一点就没办法通过反馈来改变，故调节时间大大拉长。但是可以使液位x2为设定的恒定值，从而使 为理想的恒定值。 六、结束语 该设计先对二容系统建模，在所建模型的基础上，用SImulink上对该模型仿真，分析二容系统，设计控制器使右水箱水位尽快稳定于给定水位w2，使右水箱稳定输出流量为q0的水流，并分析操作阀u2卡死对二容系统的影响及调整控制器使在卡死条件下系统仍能是输出理想稳定的q0，即系统人能保持x2于设定值。 通过此次方向设计锻炼阅读专业英语文献的能力，得到一次进行独立设计的工程实践锻炼，不仅培养严谨的科学态度和扎实的实践技能、良好的工程意识，并在设计中学会如何发现、分析和解决工程实践问题的技能和方法，将所学知识综合应用于工程实践中，为后续的毕业设计做好准备。 参考文献 1. 郭胜权、毕效辉 . 现代控制理论. 中国轻工业出版社，2009 2. 赵金宪. MATLAB应用技术——在电气工程与自动化专业的应用. 清华大学出版社，2007 3. 方康玲. 过程控制系统. 武汉理工大学出版社,2009 4. 郭玉英老师所给资料（不知出处） 5. 自动调节系统执行器常见故障分析及对策. 考试吧. 2009-1-8 14:01:00