双容液位单回路控制系统设计
中北大学
课 程 设 计 说 明
学生姓名： 学 号： 学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 题 目： 双容液位单回路控制系统设计
指导教师： 职称:
职称:
2013年12月30日
书
中北大学
课程设计任务书
学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 学 号：
课程设计题目： 双容液位单回路控制系统设计 起 迄 日 期：2013年12月30日～2014年1月10日
课程设计地点： 指 导 教 师：
系 主 任：
下达任务书日期: 2013年12月30日
课 程 设 计 任 务 书
目录
1 被控对象基本内容及结构-----------------------------------------1 2 建模方法以及系统变量的确定-------------------------------------1 2.1 建模方法的选择与分析---------------------------------------1 2.2 系统变量的确定---------------------------------------------1 2.3 建模参数的确定---------------------------------------------2 2.4 被控对象的数学模型-----------------------------------------2 2.4.1对象特性的机理建模法 ---------------------------------2 2.4.2设定传函----------------------------------------------2
3 控制方案的确定------------------------------------------------4 4 PID控制的仿真图----------------------------------------------4 4.1 PID控制的仿真图------------------------------------------5
4.2 PID的参数整定--------------------------------------------5 5 仪表的选型---------------------------------------------------7 5.1 调节器的选用--------------------------------------------7 5.2 执行器的选择--------------------------------------------7 5.3 液位变送器----------------------------------------------7 6 设计总结--------------------------------------------------- -8 7 参考文献---------------------------------------------------- 8
1. 被控对象基本内容及结构
液位控制系统是生产过程中的一类常见问题。在双容水箱中，我们需要实时检测和调节水箱水位，为了最大程度上减轻了人们工作负担，需要设计一个组态王液位控制系统对水箱的水位进行实时检测。双位水箱串级控制系统是被测对象由两个不同容积的水箱串联组成，故称其为双容水箱，控制原理是通过水泵将储水箱【1】中的水送上水箱，通过阀门对其控制，使其可以合理的进行储水，当然，如果进水量大于出水量，则自动通过溢水口排入储水箱。 在一般的化工实验和生产过程的自动控制中【2】，常要进行液位的控制。根据工艺要求需要连续控制容器内流入和流出物料的平衡情况，使液位保持在工艺要求的范围内。本题目选用双容水箱作为控制对象，控制方案采用单回路控制，单回路控制系统又被称为简单控制系统，它是由一个被控对象、一个检测元件及传感器（或变送器）、一个调节器和一个执行器所构成的闭环控制系统。
2. 建模方法以及系统变量的确定
2.1 建模方法的选择与分析
系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。 2.2 系统变量的确定
图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，’[p0; 在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。试设计单回路控制系统以维持下水箱液位的恒定。
图1 双容水箱液位控制系统示意图
在定性地确定目标后，通常需要用工业过程的被控变量来定量的表示控制目标，被控变量也是工业过程的输出变量，根据被控变量的选用原则，这里选择水箱2的液位高度作为被控变量。本题中选择水箱1的入为操纵变量。 2.3 建模参数的确定
在该液位控制系统中，建模参数如下：
A. 控制量：水流量Q ； B. 被控量：下水箱液位； C. 控制器：PID ； D. 执行器：控制阀； 2.4 被控对象的数学模型 2.4.1对象特性的机理建模法
从工艺过程的机理出发，写出各种有关的平衡方程（物料平衡、能量平衡等），求取被测对象的微分方程式。
输入变量, 输出变量时, 双容对象的动态特性描述如下: 根据物料平衡关系对水箱1:
,
（在水流入量和水流出量变化量极小时，水流出量和液位的关系） 两式经拉氏变换得 ，
对水箱2: ,
（在水流入量和水流出量变化量极小时，水流出量和液位的关系） 经拉氏变换得 ,
由(1)、(2)两式得此双容对象的动态特性： =式中：
--------------- 两液槽的容量系数 -------------- 阀2,3的阻力系数
--------------水箱1的时间常数
-------------水箱2的时间常数 --------------双容对象的比例放大系数
根据阶跃响应曲线，为了提高精度，可将数学模型改为二阶惯性加纯滞后来处理则其传递函数可推导为：
=
2.4.2设定传函：
在图所示的阶跃响应曲线上求取 （1）时曲线上的点B 和对应的时间； （2）时曲线上的点C 和对应的时间 然后，利用下面的近似公式计算式【3】
由上述两式中即可求出，从而最终确定双容对象的传递特性。 （3）各个环节传递函数及各个参数的确定
双容液位对象:水箱1的时间常数5min 水箱2的时间常数10min
双容液位对象的比例放大系数K=0.5 调节阀近似为比例环节, 比例系数K=2
测量变送环节同样近似为比例系数为1的比例环节
图3 双容对象传递特性图
3. 控制方案的确定
本题选用单回路控制，单回路控制系统又称简单控制系统，它的结构简单，易于分析设计，并且能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产过程中得到了广泛的应用。系统方框图如下：
图2 液位控框图
双容水箱制系统方
4. PID 仿真
控制的图
本设计采用工业设计中最常用的调节器控制规律即比例积分微分控制，简称PID 控制，又称PID 调节。由于两个水箱的串联，所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，在这里采用比例积分控制，其中比例环节可以显著改善系统性能，积分环节可以消除系统余差。特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性。具体确定过程见参数整定。 4.1 PID控制的仿真图
MATLAB 仿真框图如图3（无干扰）：
图5 双容水箱液位控制系统仿真框图
4.2 PID参数整定
PID 参数整定，采用临界比例度法，这种整定方法是在闭环的情况下进行的。 首先将控制器的积分作用和微分作用全部切除，将比例增益从小到大变化。对于每一个值作小幅度的设定值阶跃变化，以获得临界情况下的等幅振动。
在实验中采用尝试改变比例增益的大小，依据5、10、15的规律选取，最终确定为=15
左右，为了精确定位，在15左右分别选取14与16，并观察其改变情况。 具体分析与截图如下：
Ａ．参数：=14
B. 参数：=15
C. 参数：=16
图6 双容水箱液位控制系统阶跃响应图 图7 双容水箱液位控制系统阶跃响应图
图8 双容水箱液位控制系统阶跃响应图
综合分析可得，等幅振荡时K 最大为15，则根据临界比例法，为6.75，为9.96，为0
图9 双容水箱液位控制系统阶跃响应图
5. 仪表的选型
5.1调节器的选用
调节器选择SZD-B 型单冲量液位调节仪，这种液位调节仪为P1连续给水调节装置【4】，主要适用于1～35Th/，压力≤2.5Mpa的各种锅炉锅筒水位自动调节。 5.2 执行器的选择
本题目系统中执行器为电动调节阀，在这里选用FNZDLP 智能型电子式【5】精小型调节阀，他接受来自调节仪表及计算机等单元的电信号或操作单元的手动信号，并根据此信号的大小来自动控制阀的开度，从而达到对温度、压力、液位、流量等参数的调节。
智能型电子精小型调节阀由3810L 系列智能型电子式电动执行器通过支架与单座、套筒调节阀连接在一执行器稳定在预全闭的位置，执行调节阀的阀杆相即通过输入信号
【6】
调节阀即处于所
起组成。当输入端无信号时，选的零位，调节阀处于全开或器的输出轴通过开和螺母与连，当输入端有信号时输出轴按一定比例处在一定的位置，需开度，从而达到了调节和控
制的目的。
智能型电子
式精小型调节阀分为电开式
和电闭式两种，通过选择电子式电动执行器的正、反作用开关来实现电开式和电闭式调节。 5.3 液位变送器
变送器选择1151/3051LT法兰式【7】液位变送器，该产品具有设计原理先进、品种规格齐全、安装使用简便等特点。
1151/3051LT型法兰式液位变送器, 可对各种容器进行精确的液位和密度测量，有平法兰和插入式法兰供选择，法兰有3英寸或4英寸，规格有1501b 和3001b 的法兰，也可根据用户定制法兰，法兰膜片材料可选。
6. 设计总结
通过本次设计，学会了系统建模的一般步骤，掌握了分析简单系统特性的一般方法，并对系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认识。
基本掌握了简单系统模型的PID 参数整定方法，对PID 调节器中的P 、I 、D 各个参数的功能、特性有了更加深刻的认识，通过实验验证的方式，很多内容印象非常深刻。 在本次做课程设计的过程中，我先对课程设计所要设计到的内容查阅相关书籍，将控制工程与仪表控制的原理做进一步的理论分析与系统学习，在此基础上将所设计的内容结合设计要求，将双容液位的单回路控制图进行分析，并结合课本知识，一步步将控制变量与被控量表示出来，这对于后续的设计过程起到了很重要的作用。
此次课程设计使得我对MATLAB 软件有了进一步的掌握, 应用软件的能力也得到了提升。同时，在设计过程中，我也深入地了解到科学的严谨性，自己从中受益匪浅，不但扩大了我的视野，提高了我的认识和认知能力。
同时，也让我深刻的认识到，在此次课程设计中暴露出来的不少问题：我们所掌握的相关知识很少，很多需要用到的知识都是我们平常都没学过或是我们没见过的，这就要求我们必须学会很好的查资料，并且很快将资料转化成可用的东西。通过发现问题、解决问题的过
程我们锻炼了自己的实践能力，并从中总结规律，为以后我们在实践工作中打下坚实的基础。
7. 参考文献
[1]《化工单元过程及设备课程设计》 匡国柱 [2]《工业过程控制工程》 王树青 [3]《过程控制工程》 戴连奎 [4]《过程检测技术及仪表》 [5]《过程自动化及仪表》 [5]《过程控制仪表》 [6]《工业过程检测与控制》 [7]《化工设备设计设计手册》
吴勤勤 俞金寿 徐春山 孟华 朱有庭