单容液位控制

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1、自动化仪表与过程控制课程设计任务书课程设计题目单容敞口槽液位控制系统设计及仿真研究学院专业年级已知参数和设计要求：某生产过程中有一圆柱形敞口储液槽，截面直径为13m,高为28m，生产运行过程中额定出口流量为36m3/min。由恒压母管供给液料，采用调节阀控制供给液料的流量。设计液位控制系统，要求如下：1、液位稳定在储液槽高的90%数值上；2、在出口流量变化幅度为额定值的20%时，液位波动不超过稳定值的5%；3、生产过程中液料不能溢出，液位不能低于储液槽高的20%。学生应完成的工作：1、查阅相关文献资料，对工艺过程进行详细描述，画出控制工艺流程图，建立控制对象的 数学模型；2、通过分析比较，选择

2、设计控制系统方案，确定被控制量和控制量，对系统扰动进行分析， 提出解决办法，画出控制系统结构框图；3、选择变送器，调节器，调节阀等检测控制仪表的型号，编写控制设备清单；4、根据对象特性和控制要求设计控制算法；5、对控制系统进行仿真研究，验证设计的正确性，通过仿真对设计参数进行调整，以满足 指标要求6、对设计过程进行总结，写出详细的设计说明书。目前资料收集情况（含指定参考资料）：1、过程控制系统设计资料2、过程控制系统工程设计黄正慧等3、过程控制工程手册周春辉等4、自动化仪表手册 自动化仪表手册编写组5、石油化工自动控制设计手册 石油化工自动控制设计手册编写组课程设计的工作计划：1、下达任务，安

3、排分组0.5天2、查阅资料，熟悉过程控制系统设计过程3天3、熟悉控制对象工艺要求，建立动态模型1天4、控制系统方案选型论证，绘制系统结构图3天5、过程控制仪表选型，列出设备表2天6、设计控制系统控制参数2天7、控制系统仿真研究，对控制参数进行修正2天8、编写设计说明书1.5天完成日期 年月任务下达日期 年月 日 日指导教师 （签名）学生 （签名）第一节过程控制仪表课程设计的简述和目的31.1过程控制的简述31.2课程设计的目的3第二章单容水箱液位控制系统建模42.1 液位控制的实现42.2 被控对象42.3水箱建模4第三章相关参数要求和检测仪表型号的选择73.1 参数要求73.2 仪表型号的选

4、择7第四章液位控制系统中PID算法控制84.1PID原理8第五章总体设计方案105.1设计思想及说明 105.2总体设计流程图 10第六章软件设计126.1软件设计流程图及其说明12第七章总结和体会14参考文献15第一节 过程控制仪表课程设计的简述和目的1.1过程控制的简述过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进 行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位控制技术在 现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影 响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到 车间的生产状况；锅炉汽包液

5、位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能 发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。在 这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易 出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。可见，在实际生产中，液位控制的准 确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以， 为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。在本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出 水阀门作为控制系统的执行机构。针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点， 建立了基于Visual

6、Basic语言的PID液位控制模拟界面和算法程序。虽然PID控制是 控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。但是，要想取得良好的控制效果，必须合 理的整定PID的控制参数，使之具有合理的数值1.2课程设计目的本课程设计是为过程控制仪表课程而开设的综合实践教学环节，是对现代 检测技术、自动控制理论、过程控制仪表、计算机控制技术等前期课堂学习 内容的综合应用。其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能 力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生 对仪表及其理论与设计的进一步认识。课程设计的主要任务是设计工业生产过程经常 遇到的液位（压力、流量或温度）控制

7、系统，使学生将理论与实践有机地结合起来， 有效的巩固与提高理论教学效果。本次课程设计，我个人选题为水箱液位控制系统。通过课程设计，可以使我们针 对典型的工业控制对象，实现水箱液位的串级控制。从而使我们了解水箱液位串级控 制系统组成原理，加深对串级控制这一复杂控制方法的理解，初步掌握工业控制系统 的设计和实现方法，掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法，掌握 液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。第二节单容水箱液位控制系统建模2.1液位控制的实现除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。首先由差压传感器检测 出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D转换，变成数字信号

8、后，被输入计 算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序 算法得到输出值，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟 信号。最后，由单片机的输出模拟信号控制交流变频器，进而控制电机转速，从 而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。2.2被控对象本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参 数，有必要知道被控对象一上水箱的结构和特性。由图2-1所示可以知道，单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当水箱水 位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀七开度适当，在不溢出的情况下， 当水箱的

9、进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。由此 可见，单容水箱系统是一个自衡系统。图2-1单容水箱结构图2.3水箱建模这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱（图2-1）。要对该对象进行较好 的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。正如前面提到的，单容水箱是一个 自衡系统。根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。如图2-1，设水箱的进水量为。】，出水量为Q，水箱的液面高度为h，出水阀七 固定于某一开度值。若Q作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象 的数学模型就是h与Q之间的数学表达式。根据动态物料平福关系有（2-1）将式（2-1 ）表示为增量形式

10、q-M2 = C却（2-2）式中，AQ、AQ、Nh分别为偏离某一平衡状态Q、Q、h的增量；C 1210200水箱底面积。在静态时，Q1 = Q2 ； dhjdt =0；当发生变化时，液位h随之变化，阀匕处的静压也随之变化，Q2也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为AQ与Ah成正比，1而与阀匕的阻力R2成反比，即eAhAQ =2 R2rZ2 AQ2（2-3）式中，R2为阀匕的阻力，称为液阻。将式（2-3）代入式（2-2）可得R c（dAh + Ah = R AQ（2-4）2 dt21在零初始条件下，对上式求拉氏变换

11、，得：H (s)R K=2=Q1( s) RCs +1 Ts +1（2-5）式中，T=R2C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R为过程的放大倍数。令输入流量Q （s） = R /s，R为常量，则输出液位的高度为: 2100h( s)= JKR=竺 一4 s (Ts +1)s s +1/ T(2-6)1艮口h(t) = KR0(1-e - Tt)当t ts时，h(8) = KR0因而有（2-7）当t=T时，则有h(s)K R 0输出稳态值阶跃输入（2-8）h(T) KR0(1-e-1) 0.632 KR0 0.632h (s )（2-9）式(2-7)表示一阶惯

12、性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。由 式(2-9)可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。 该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应 的时间就是时间常数T。0.63 h2 (00)0图2-2阶跃响应曲线通过matlab仿真得到阶跃响应的仿真图如下:第三章相关参数要求和检测控制仪表型号的选择3.1参数要求根据老师的要求，我们小组的数据如下：圆柱形敞口储液槽的截面直径为13m, 高为28m，生产过程中额定出口流量为36m3/min。根据动态物料平衡关系有将式（2-1 ）表示为增量形式d Ahdt(2-1)式中，A

13、Q1、水箱底面积。A/、Ah分别为偏离某一平衡状态Q、10Q。、h0的增量；C(2-2)EAhAQ =2 R2(2-3)R-坐2 AQ2式中，R2为阀匕的阻力，称为液阻。3.2仪表型号的选择通过相关书籍和上网查询资料，我们选择检测控制仪表的型号，如下图所示:，称型号变送器调节器调节阀YSZC-5STB-4201T40H图3-1仪表型号表第四章 液位控制系统中PID算法控制数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位控 制系统中也有着极其重要的控制作用。本章主要介绍PID控制的基本原理，液位控制 系统中用到的数字PID控制算法及其具体应用。4.1 PID控制原理一般，在

14、控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统 原理框图如图3-1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图4-1模拟PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制 偏差(3-1)e(t) = r (t) - c(t)将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合可以构成控制量，对被 控对象进行控制，故称PID控制器。它的控制规律为u(t) = K e(t) + j fe(t)dt + 孔妞)(3-2)pT 0dt1-I写成传递函数形式为G (s)=U (s)而1=Kp (1+ T + TdSI(3-3)式

15、中Kp 比例系数;T 积分时间常数；T微分时间常数；从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID控制器各 校正环节的作用如下：1、比例环节用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。K越大，系统的响应速度越快， 系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。Kp取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。2、积分环节主要用来消除系统的稳态误差。T越小，系统的静态误差消除越快，但T过小， 在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若T过大， 将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。3、微分环节能

16、改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但T。过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。第五章总体设计方案5.1设计思想及说明由工艺流程的分析，其系统方框图如图4.1。图5-1单容水箱方框图系统运行原理说明：运行的过程中，水箱的进水量为Q1，通过差送变送器的检 测将此时的液位高度给定值进行比较，得到的误差再通过调节器和调节阀的控制，对 被控制的对象的水箱进行调节。最后将液位的高度输出，即出水量Q2。系统就此循 环的进行。5.2总体设计流程图总体的设计思想包括了软件和硬件的设计思想。图4.2用一个整体的流程图，

17、包 括所有的设计要求。图5-2总体设计方案图单片机伺服放大器地下放空槽循环下水阀变送器传感器传感器变送器反应槽D/A键盘显示A/D *报警由图可以看出，完整的系统不仅包括控制过程的实现，还要将系统的可扩展性、人性化设计考虑进去。整体的设计流程图如下:图5-3总体设计流程图第六章软件设计6.1软件设计流程图及其说明对于系统的主要执行程序，包括了 A/D采样、PID运算、结果输出和D/A转换。整个程序设计流程图如图6.1所示。图6-1程序设计流程图图中对主回路的PID运算是将给定值减去主回路通过液位变送器1反馈得到的参 数得到控制器输入量，经过运算输出后，送至副回路的给定值，减去副回路通过液位 变

18、送器2反馈得到的参数作为副回路P运算的给定值。副回路的输出量送至D/A进 行驱动。这里，对于主回路的PID参数选择需要通过调试来实现，使得在参数在较大的变动范围内能够实现控制。通常，这里的PID运算要引入积分分离及输出限幅。对于键盘的扫描首先判断是否有键按下。如果有则看是否因颤动而造成的错误输 入。编程应用了延时再扫描的方法来解决这一问题。如果有键按下则查看是哪一个键 按下的。并根据不同的键号输入不同的数据，并释放按键，最后，返回主程序。键盘 扫描流程图如图6.2所示。第七章总结和体会本次课程设计是本人目前为止最有意义的也是收获最大的一次设计，由于做过设 计，所以对课程设计有了一定的了解，但是由于过程控制相对来说难度较大，所以做 起来还是有些吃力。在整个设计过程中，首先要有个整体思路，而且要有一个正确的思路，只有思路 是正确的，设计才能成功。在设计过程中，由于有了老师的指导，对我们提出了宝贵的意见，以及同学的意 见，使我在紧张又轻松的气氛中完成这次任务。参考文献1居滋培主编.过程控制与自动化仪表.北京：机械工业出版社，2007年向婉成主编.控制仪表与装置.北京：机械工业出版社，2006年3林德杰编.过程控制仪表及控制系统.北京：机械工业出版社，2009年