过程控制课程设计之液位流量串级控制系统Word格式文档下载.docx

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液位流量串级控制系统

二、设计指标：

液位在0～500mm内给定一个值，＜5%，稳定时间＜300s,稳态误差≤∣±

2mm∣。

三、主要任务：

以严谨的态度对待课程设计，认真复习有关基础理论和技术知识，认真查阅参考资料，仔细分析被控对象的工作原理、特性以及控制要求。

能在指导老师的帮助下解决设计中的各种问题，按计划完成课程设计各阶段的任务，使设计的系统的各项指标达到要求。

重视理论与实际结合，并以积极、认真的态度参加课程设计答辩。

第二章系统的控制方案

2.1控制系统在实际应用中的重要意义

单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。

在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求。

但有些调节对象的动态特性虽然并不复杂，但控制的任务却比较特殊，则单回路控制系统就无能为力了。

另外，随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。

为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，而串级控制系统就是其中一种改善和提高控制品质的极为有效的控制系统。

液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。

液位的时间常数T一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。

而串级控制系统可以用一般常规仪表来实现，成本增加也不大，却可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。

一般情况下，流量是影响液位的主要因素，其时间常数较小，将它纳入副回路进行控制，不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰，而且使系统工作频率提高，能够对液位实行较快的控制。

2.2系统结构设计

整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。

在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为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2.2所示。

当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。

若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；

若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。

其过程控制系统图如图2.1所示。

图2.1控制系统框图

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2.2

图2.2液位单回路控制系统框图

2.3控制系统的总体方框图及工作过程

2.3.1被控对象的分析

一、被控对象的构成图

被控对象为图2.3中所示液位对象。

图2.3

二、被控对象的工作原理、传递函数及理论推导如下：

单容水箱如图2.1所示，Qi为入口流量，由调节阀开度μ加以控制，出口流量则由电磁阀控制产生干扰。

被调量为水箱中的水位H,它反映水的流入与流出量之间的平衡关系。

现在分析水位在电磁阀开度扰动下的动态特性。

显然，在任何时刻水位的变化均满足下述物料平衡方程：

（2.1）

其中（2.2）

（2.3）

F为水箱的横截面积；

是决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；

是与电磁阀开度有关的系数，在固定不变的开度下，k可视为常数。

液位对象的传递函数:

第三章PID参数整定

3.1控制规律的比较与选择

3.1.1常见控制规律的类型及优缺点比较

PID控制的各种常见的控制规律如下：

一、比例调节（P调节）

在P调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例，即

（3.1）

式中Kc称为比例增益（视情况可设置为正或负）,为调节器的输出，是对调节器起始值的增量，的大小可以通过调整调节器的工作点加以改变。

在过程控制中习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系：

（3.2）

其中称为比例带。

比例调节的显著特点就是有差调节。

比例调节的余差随着比例带的加大而加大。

从这一方面考虑，人们希望尽量减小比例带。

然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。

稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。

此时，如果余差过大，则需通过其它的途径解决。

很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳,甚至可以没有超调，但余差很大，调节时间也很长。

减小就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，余差相应减小。

具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小系统就不稳定了。

二、积分调节（I调节）的特点

在I调节中，调节器的输出信号的变化速度（t）/t与偏差信号e成正比，即：

（3.3）

或（3.4）

式中KI称为积分速度，可视情况取正值或负值。

上式表明，调节器的输出与偏差信号的积分成正比。

I调节的特点是无差调节，与P调节的有差调节形成鲜明对比。

式（3.3）表明，只有当被调量偏差e为零时，I调节器的输出才会保持不变。

然而与此同时，调节器的输出却可以停在任何数值。

这意味着被控对象在负荷扰动的调节过程结束后，被调量没有余差，而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。

I调节的另一特点是它的稳定作用比P调节差。

例如，根据奈氏稳定判据可知，对于非自衡的被控对象采用P调节时，只要加大比例带总可以使系统稳定（除非被控对象含有一个以上的积分环节）；

如果采用I调节则不可能得到稳定的系统。

对于同一个被控对象，采用I调节时其调节过程的进行总比采用P调节时缓慢，表现在振荡频率较低。

把它们各自在稳定边界上的振荡频率加以比较就可以知道，在稳定边界上若采用P调节则被控对象须提供180°

相角滞后。

若采用I调节则被控对象只须提供90°

这就说明用I调节取代P调节就会降低系统的振荡频率。

采用I调节时，控制系统的开环增益与积分速度KI成正比。

因此，增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。

因为KI愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡。

但与此同时，振荡频率将愈来愈高，而最大动态偏差则愈来愈小。

被调量最后都没有余差，这是I调节的特点。

三、比例积分调节（PI调节）

PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除余差。

它的调节规律为：

（3.5）

或（3.6）

式中为比例带，可视情况取正值或负值；

为积分时间。

和是PI调节器的两个重要参数。

图3.1是PI调节器的阶跃响应，它是由比例动作和积分动作两部分组成的。

在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为Δe/δ的阶跃，然后以固定速度Δe/δTI变化。

当t=TI时，调节器的总输出为2Δe/δ。

这样，就可以根据图3.1确定δ和TI的数值。

还可以注意到，当t=TI时，输出的积分部分正好等于比例部分。

由此可见，TI可以衡量积分部分在总输出中所占的比重：

TI愈小，积分部分所占的比重愈大。

PI调节器引入积分动作带来消除余差之好处的同时，却降低了原有系统的稳定性。

为保持控制系统原来的衰减率，PI调节器比例带必须适当加大，这样会使调节时间ts增大，最大偏差也会增大。

四、微分调节的特点

比例调节和积分调节都是根据当时偏差的方向和大小进行调节的，而不管那时被控对象中流入量与流出量之间有多大的不平衡，而这个不平衡正决定着此后被调量将如何变化的趋势。

由于被调量的变化速度（包括其大小和方向）可以反映当时或稍前一些时间流入、流出量之间的不平衡情况，因此，如果调节器能够根据被调量的变化速度来移动调节阀，而不要等到被调量已经出现较大偏差后才开始动作，那么调节的效果将会更好，等于赋予调节器以某种程度的预见性，这种调节动作称为微分调节。

此时调节器的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即

（3.7）

因此微分调节只能起辅助的调节作用，它可以与其它调节动作结合成PD和PID调节动作。

五、比例积分微分调节（PID调节）

PID调节器的动作规律是

（3.8）

或（3.9）

式中δ、TI和TD参数意义与PI、PD调节器相同。

第四章设备选型

4.1液位传感器

液位传感器用来对上谁为水箱的压力进行检测，采用工业的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，喜爱用高品质低耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。

可方便的与其他DDZ—3X型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。

校验的方法是通电预热15分钟后，分别在零压力和满程压力下检查输出电流值。

在零压力下调整量程电位器，使输出电流为4mA，在满量程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。

本传感器精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。

压力传感器用来对上水位水箱和中水位水箱的压力进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标志信号输出。

4.2电磁流量传感器

（1）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；

（2）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：

4~20mADC,许负载电阻为0~750欧姆，基本误差：

输出信号量程的0.5%。

4.3电动调节阀

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