水箱液位控制系统毕业设计.docx
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水箱液位控制系统毕业设计
毕业设计
题目：
水箱液位控制系统设计
系别：
电气工程系
专业：
电气自动化
班级：
学生姓名：
指导老师：
任务书2
摘要3
1绪论4
1.1过程控制的定义4
1.2过程控制的目的4
1.3过程控制的特点5
1.4过程控制的发展与趋势5
2水箱液位控制系统的原理6
2.1人工控制与自动控制6
2.2水箱液位控制系统的原理框图7
2.3水箱液位控制系统的数学模型8
3水箱液位控制系统的组成11
3.1被控制变量的选择11
3.2执行器的选择11
3.3PID控制器的选择15
3.4液位变送器的选择17
4PID控制规律18
4.1比例控制18
4.2积分控制21
4.3微分控制21
4.4比例积分控制21
4.5比例积分微分控制22
5应用实例22
5.1液位控制在厕所中的应用22
5.2液位控制在汽车上的应用23
总结24
致谢25
参考文献25
毕业设计（论文）任务书
班级
学生姓名指导教师
设计（论文）题目
水箱液位控制系统设计
主要研究内容
设计供水水箱的液位控制系统，要求在米用仪表控制的情况下，设计一个单回路控制系统，系统使用PID调节器。
各环节选用适当的仪表和器件，设计控制系统的控制方式，确定控制器参数，并可以通过实验加以验证。
分析不同控制方式的控制规律和在不同控制方式下系统的特点。
系统在上下水流量发生变化时，
能快速恢复到设定值。
主要技术指标或研究目标
本过程控制系统，检测信号、控制信号及被控信号均采用
ICE标准，即电压1--5V，电流4--20mA,供电要求：
三相380V交
流电，24V直流电。
通过本课题的设计，培养学生对自动控制系统的综合运用，对自动化仪表的选型、参数设计和调试的能力，检验所学习专业知识的综合利用能力，为今后工作打好基础。
基本要求
（1）设计水箱液位控制的系统方案。
（2）各环节仪表的选型。
（3）设计控制系统的控制方式和PID参数。
（4）分析不同控制规律和不同参数下系统的特点。
主要参考资料及文献
1.《过程控制系统和应用》俞金寿主编机械工业出版社
2.《过程控制与自动化仪表》侯志林主编机械工业出版社
3.《自动化仪表与过程控制》施仁主编电子工业出版社
摘要在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题,例如居民生活用水的供应,饮料、食品加工,溶液过滤,化工生产等多种行业的生产加工过程,通常需要使用蓄液池,蓄液池中的液位需要维持合适的高度,既不能太满溢出造成浪费,也不能过少而无法满足需求。
因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。
PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。
本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。
作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，调节阀为电动调节阀。
选用合适的器件设备、控制方案和算法，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。
关键词PID控制过程控制液位控制
1绪论
1．1过程控制的定义
生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序进行的生产过程的自动控制。
电力拖动及电动机运转等过程的自动控制一般不包括在内。
凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。
过程控制是自动控制学科的一个重要分支，是对过程控制系统进行分析与综合。
1．2过程控制的目的
生产过程中，对各个工艺过程的物理量（或称工艺变量）有着一定的控制要求。
有些工艺变量直接表征生产过程，对产品的数量与质量起着决定性的作用。
例如，精馏塔的塔顶或塔釜温度，一般在操作的压力不变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品；加热炉出口温度的波动不能超出允许范围，否则将影响后一段的效果；化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到指标。
有些工艺变量虽不直接影响产品的质量和数量，然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。
例如，用蒸汽加热反应器或在沸器，如果在蒸汽总压波动剧烈的情况下，要把反应温度或塔釜温度控制好将极为困难；中间储槽的液位高度与气柜压力，必须维持在允许的范围之内，才能使物料平衡，保持连续的均衡生产。
有些工艺变量是决定安全生产的因素。
例如，锅炉汽包的水位、受压容器的压力等，不允许超出规定的限定否则将威胁生产安全。
还有一些工艺变量直接鉴定产品的质量。
例如，某些混合气体环境的污染，因此，减小工业生产对环境的影响也已纳入过程控制的目标范围。
综上所述，过程控制的主要目标包括一下几个方面：
1保障生产过程的安全和平稳；
2达到预期的产量和质量；
3尽可能地减少原材料和能源损耗；
4把生产对环境的危害降低到最小程度。
由此可见，生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动
条件、促进文明生产、保证生产安去和提高劳动生产率的重要手段，使20世纪科学与进步的特征，市工业现代化的标志之一。
1．3过程控制的特点
生产过程的自动控制一般要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化。
显然，过程参数的变化，不但受外界条件的影响，它们之间往往也相互影响，这就增加了某些参数自动控制的复杂性和难度，过程控制有如下特点：
1被控对象的多样性；
2对象存在滞后；
3对象特性的非线性；
4控制系统比较复杂。
由于对象的特性不同，其输入与输出可能不止一个，控制系统的设计在于适应这些不同的特点，以确定控制方案和控制其的设计或选型，以及控制器特性参数的计算与设定。
这些都要以对象的特性为依据，而对象的特性复杂且难以认识，所以要完全通过理论计算进行系统设计与整定至今仍不可能。
目前已设计出的各种各样的控制系统（如简单的位式控制系统、单回路及多回路控制系统，以及前馈控制、计算机控制系统等），都是通过必要的理论计算，采用现场的方法达到过程控制的目的。
1．4过程控制的发展与趋势
20世纪40年代开始形成的控制理论被成为“20世纪上半叶三大伟绩之一”，在人类社会的各个反面有着深远的影响。
与其他任何学科一样，控制理论源于社会实践和科学实践。
自动化技术的前驱，可以追溯到我国古代，如指南车的出现。
至于工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为起点。
有人把直到20世纪30年代末这段时期的控制理论成为第一代控制理论，第一代控制理论分析的主要问题是稳定性，主要的数学方法是微分方程解析方法。
这时候的系统（包括过程控制系统）是简单控制系统，仪表是基地式、大尺寸的、满足当时的需要。
到第二次时间大战前后，控制理论有了很大发展，Nyquist（1932）和Bode（1945）频率法
分析技术及稳定判据、Evens根轨迹分析方法的建立，使经典控制理论发展到了成熟的阶段，这是第二代控制理论。
从20世纪50年代开始，随着工业的发展、控制需求的提高，除了简单控制系统以外，各种复杂控制系统也发展起来了，而且取得了显著的功效。
20世纪60年代，现代控制理论迅猛发展，它以状态空间方法为基础、以极小值原理和动态规划等最优控制理论为特征的而以在随机干扰下采用Kalman滤波器的线性二次型系统（LOG）设计宣告了时域方法的完成，这是第三代控制理论。
从20世纪70年代开始，为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和优化与控制相结合，逐步发发展成了大系统理论。
过程控制是随着控制理论的发展而发展的，从系统机构来看，过程控制已经经历了四个阶段：
基地式控制阶段（初级阶段）、单元组合仪表自动化阶段、计算机控制的初级阶段、综合自动化阶段。
当前自动控制系统发展的一些主要特点是：
生产装置实施先进控制成为发展主流，过程优化受到普遍关注，传统的DCS正在走向国际统一标准的开放式系统，综合自动化系统（CPIS）发展方向。
综合自动化系统，就是包括生产计划和调度、操作优化、先进控制和基层等内容的递阶控制系统，亦称管理控制一体化系统（简称管控一体化系统）。
这类自动化是靠计算机的组成特征，过程系统指明了它的工作对象，正好与计算机集成制造系统（CIMS）相应，有人也称之为过程工业的CIMS。
可以说，综合自动化是当代工业自动化的主要潮流。
它以整体优化为目标，以计算机为主要技术工具，以生产过程的管理和控制的自动化为主要内容，将各个自动化“孤岛”综合集成为一个整体的系统。
2水箱液位控制系统的原理
2．1人工控制与自动控制
下图为水箱液位控制系统示意图，在人工控制示意图中，为保持水箱液位恒定，操作人员应根据液位高度的变化情况控制净水量。
手工控制的过程主要分为三步：
1用眼睛观察水箱液位的高低以获取测量值，并通过神经系统传到大脑；
2大脑根据眼睛看到的水位高度，与设定值进行比较，得出偏差大小和方向，然后根据操作经验发出控制命令；
3根据大脑发出的命令，用双手去改变给水阀（或进水阀）的开度，使水箱液位包持在工艺要求的高度上。
在整个手工控制过程中，操作人员的眼、脑、手、三个器官，分别担负了
检测、判断、和运算、执行三个作用，来完成测量、求偏差、在施加控制操作以纠正偏差的工作过程，保持水箱液位的恒定。
如果采用检测仪表和自动控制装置来代替人工控制，就成为过程控制系统。
在自动控制示意图中，当系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过检测变送仪表得到其测量值；控制器接受液位测量变送器送来的信号，与设定值相比较得出偏差，按某种运算规律进行运算并输出控制信号；控制阀接受控制器的控制信号，按其大小改变阀门的开度，调整给水量，以克服扰动的影响，使被控变量回到设定值，最终达到水箱液位的恒定。
这样就完成了所要求的控制任务。
这些自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接蔡玉的自动控制系统。
2.2水箱液位控制系统的原理框图
本论文对水箱液位控制系统的设计是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、
以个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。
简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。
对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图表示：
由这个简单控制系统通用的框图设计出水箱液位控制系统的原理框图如下:
这是单回路水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。
根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。
2.3水箱液位控制系统的数学模型
该系统主要是自衡的非振荡过程，即在外部阶跃输入信号作用下，过程原有的平衡状态被破坏，并在外部信号作用下自动的非震荡地稳定到一个新的稳态，这一大类是在工业生产过程中最常见的过程。
（1）确定过程的输入变量和输出变量
如下图所示，流入水箱的流量Fi是由进料阀1来控制的；流出水箱的流量
F2取决于水箱液位L和出料阀2的开度，而出料阀的开库是随用户的需要而改变的。
这里，液位L是被控变量（即输出变量），进料阀1为控制系统中的控制阀，它所控制的进料流量£是过程的控制输入（即操纵量），出料流量F2是
外部扰动。
本设计以进料流量F1作为输入变量
水箱液位过程及其阶跃响应曲线
（2）根据过程内在机理，列写原始方程
根据物料平衡关系，当过程处于原有稳定状态是，水箱液位保持不变，其
静态方程为：
Fio-F20=O（1—6），F10、F20分别为原稳定状态下水箱的进料流
量和出料流量，当进料流量Fi突然增大是，水箱原来的平衡状态被破坏，此时进料量大于出料量，多余的液体在水箱内储存起来，使其液位升高。
设水箱液体的储存量为V，则单位时间内出料流量与进料流量之差等于水箱液体储存量的净增量。
其动态方程为：
（1—7）F1=F10F1、F2F20F1，
dt
F1、F2分别为F1和F2的增量。
设水箱截面积为A，则有V=AL，其增量形
式为dV=AdL，即：
——A—L（1—8）。
将F1=F10F1、F2F20F1和式
dtdt
（1—8）代入式（1—7），得FwF1F20F2A*（1—9）。
将式（1
dt
—9）减去式（1—6）可得用新增量形式表示的动态方程式，为：
plI
F1F2A——（1—10）
dt
（3）消去中间变量，简化，求的微分方程式
中间变量式原始方程式中出现的一些既不是输入变量也不是输出变量的
工艺变量。
式（1—10）中，F2为中间变量。
F2与输出变量L的关系可表示
为：
F2=k'、Lk:
比例系数（1—11）
当只考虑液位与流量均在有限小的范围内变化式，就可以认为出料流量与
1
R，则有:
F2
（1—12）
将式（1—12）代入式（1—10）中，即得
plI
RA药LRh（1—13）
式（1—13）即为水箱液位过程的数学模型。
由此可见，这是一个一阶微风方程，液位过程为一阶过程。
将该式写成的一阶过程的微风方程的标准形式：
RCd^（t）丫⑴kx（t）（1—14）
dt
或Td-y（t^y（t）Kx（t）（1—15）
dt
T为一阶过程的时间常数，TRC,具有时间量纲；K为一阶过程的放大系数，具有放大倍数的量纲；y（t）为一阶过程的输出变量；x（t）为一阶过程的输入变量；R
为阻力系数，R=液位的变化量/出料流量的变化量；C为容量系数，C=储存的物料变化量/液位的变化量。
当被控变量的检测地点与产生扰动的地点之间由一段物料传输距离时，就
会出现滞后。
在控制过程中，若进料阀安装在与水箱进料口有一段距离，则当进料阀开度变化而引起进料流量变化后，液体需要经过一段传输时间°才能流
入水箱，使液位发生变化并被检测出来。
显然液体流经这段距离所需时间°完
全是传输滞后造成的。
纯滞后一阶过程的微风方程为：
丁先严y（t）kx（t°）
dt
具有纯滞后的一阶过程的特性与放大系数K、时间常数T和纯滞后时间°
有关
综上所述，水箱液位控制系统是一个一阶自衡过程，其特性可用放大系数
K、时间常数T和纯滞后时间0这三个特性参数来全面表征。
3水箱液位控制系统的组成
本设计研究的水箱液位控制系统是简单控制系统，是使用的族普遍的、结构最简单的一种过程控制系统。
所谓的简单控制系统，通常是指一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、一个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统。
3．1被控制变量的选择
被控变量的选择是控制系统的核心问题，被控变量选择的正确与否是决定控制系统有无价值的关键。
对于任何一个控制系统，总是希望其能够在稳定生产操作、增加产品产量、保证生产安全及改善劳动条件等方面发挥作用，如果被控变量学则不当，配备再好的自动化仪表，使用在复杂、先进的控制规律也无用的，都不能达到预期的控制效果。
对于水箱液位控制系统，其被控变量是显而易见的，液位就是其被控变量，是直接参数控制。
3．2执行器的选择
执行器在控制系统中起着极其重要的作用。
控制系统的控制性能指标与执行器的性能和正确选用有着十分密切的关系。
执行器接受控制其输出的控制信号，实现对操纵变量的改变，从而使被控变量向设定值靠拢。
执行器位于控制回路的最总端，因此又称为最终元件。
本设计所使用的执行器为控制阀，也称调节阀。
控制阀发装现场，通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易渗透、易结晶、易燃易爆、剧毒等场合下工作。
如果选择不当或维修不妥，就会使整个系统无法正常运作。
经验表明，控制系统不能正常运行的原因，多数发生在控制阀上。
对于系统控制阀的选择很重要。
控制阀接受控制器输出的控制信号，通过改变阀的开度来达到控制流量的目的。
控制阀有执行机构和调节机构两部分组成。
执行机构是根据可能稚气的控制信号产生推力或位移的装置，调节机构是根据执行机构的输出信号去改变能量或物料输送量的装置。
控制阀按其能源形式可分为气动、电动、液动三大类。
液动控制阀推力最大，但比较笨重，目前已经极少使用。
电动控制阀的能源取用方便，信号传递迅速，但结构复杂、防爆性能差。
气动控制阀采用压缩空气作为能源，其特点是简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防爆而且价格较低，因此得到广泛应用。
气动控制阀可以方便的与电动仪表配套使用，即使是采用电动仪表或计算机控制时，只要经过电—气转换阀门定位器将电信号转换为20—100kPa的标准气压信号仍可采用气动控制阀。
调节阀基型产品即普通产品按基型结构特征分为几大类产品，它们是：
直通单座阀、直通双座阀、套筒阀、角形阀、三通阀、隔膜阀、蝶阀、球阀、偏心旋转阀，其中前6种为直行程调节阀，后3种为角行程调节阀，选择购买控制阀时，必须首先弄清楚基型产品的特点、使用注意事项、各类变型产品、改进产品。
（1）直通单座调节阀
该阀具有泄漏小、许用压差小、流路复杂、结构简单的特点，适用于泄漏要求严、工作压差小的干净介质场合，但小规格的阀（如DN1520、25）亦可用于压差较大的场合，是应用最广泛的阀之一。
（2）直通双座调节阀
与单座阀相反，具有泄漏大、许用压差大的特点，适用于泄漏要求不严、工作压差大的干净介质场合，是应用最为广泛的阀之一。
（3）套筒阀
套筒阀具有单密封、双密封两种结构，前者相当于单座阀，后者相当于双座阀，适用于双座阀场合，除此之外，套筒阀还具有稳定性好、装卸方便的特点，但价格比单双座阀贵50%~200%，还需要专门的缠绕密封垫。
是仅次于单、双座阀应用较为广泛的阀。
4）角形阀
节流型式相当于单座阀，但阀体流路简单，适用于泄漏要求小、压差不大的不干净介质场合以及要求直角配管的场合。
（5）三通阀
具有3个通道，可代替两个直通单座阀用于分流和合流及两相流温度差成
<150C的场合，当DN<80mm仪表工程应用的设计工作。
（6）隔膜阀
隔膜阀流路简单，隔膜具有一定的耐蚀性能，适用于不干净介质和弱腐蚀性介质的两位切断场合。
（7）蝶阀
相当于取一段直管来做阀体，且阀体又相当于阀座，自洁性能好、体积小、重量轻，适用于不干净介质和大口径、大流量、低压差的场合。
当DN>300mm时，通常采用蝶阀。
（8）球阀
“0"形球阀全开时为无阻调节，自洁性能最佳，适用于特别不干净、含纤维介质的两位切断场合。
“V"形球阀具有近似等百分比的调节特性，适用于不干净、含纤维介质可调比较大的调节场合。
球阀价格较贵。
（9）偏心旋转阀
该阀介于蝶阀和球阀之间，自洁性能好，调节性能好，亦可切断，适用于不干净介质和泄漏要求小的调节场合，但该阀价格较贵。
2选型注意事项
3阀体材料选择
4阀体耐压等级、使用温度和耐腐蚀性能等方面不低于工艺连接管道的要求，并应优先选用制造厂定型产品，遇有水蒸汽或含水较差的湿气体和易燃易爆介质，或当坏境温度低于-30C时，不宜选用铸铁阀。
选型注意事项
5阀内件材质选择
6
（1）非腐蚀性介质一般选用1Cr18Ni9Ti或其它不锈钢。
（2）在汽蚀、冲蚀较为严重的情况下，以及在介质温度与压差构成的直角坐标中。
温度为300C，压差为1.5MPa的两点连线以外的区域，应选用耐磨材料，如钻基合金或表面堆焊史泰莱合金。
（3）要求泄漏很小时，应选用软密封，如四氟、橡胶。
7耐蚀材料选择
（1）对腐蚀性介质，应根据介质的种类、浓度、温度、压力的不同，选择合适的耐腐蚀材料，同时，还要考虑阀的经济性。
（2）选择衬里材料（橡胶、塑料）时，工作介质的温度、压力、浓度都必须满足该材料的使用范围，并考虑阀动作时对它的物理和机械破坏。
（3）真空阀不宜选用阀体内衬橡胶、塑料结构。
（4）水处理系统的两位切断阀不宜选用衬橡胶材料，如衬胶蝶阀、隔膜阀。
高低温材料选择
8
（1）-200-60C时，选用铜或1Cr18Ni9Ti;
（2）-450~+600C，选用含钛钼不锈钢。
其它注意事项
9在满足使用的必要功能前提下，所选阀应尽量简单、可靠价廉、寿命长、维修方便，备件有来源。
需考虑的主要因素如下：
10
（1）最基本的条件是应该满足工艺的压力、流量、温度的要求。
（2）阀的密封性、可靠性、经济性。
（3）阀的工作压差小于阀的许用压差。
（4）对通过阀内不洁介质，易结垢介质，强腐蚀介质的考虑。
（5）对阀动作速度，阀流量特性，作用方式，流向的考虑。
（6）对执行机构形式、输出力、刚度及弹簧范围的考虑。
（7）对附件及其成套性及特殊阀之特殊性能及要求的考虑。
安装注意事项
11
（1）宜垂直、正立安装在水平管道上，公称通径DN>50mr的调节阀，其阀前后管道上最好有永久性支架。
（2）调节阀配管应组合紧凑，上、下部分应留有足够的空间，必要时应设置平台，便于操作、维修和排液，配管通径尽量与阀通径一致。
连接形式应符合制造厂产品说明书的规定。
（3）调节阀用于高粘度、易结晶、易汽化以及低温流体时，应采取保温和
防冻措施。
使用环境温度一般不高于60C,不低于-30C,未安装阀门定位器的调节阀，当阀安装在有振动场合时，应考虑防振措施。
（4）未安装阀门定位器的调节阀，膜头上最好安装指示控制信号的小型压力表。
（5）安装前应先对阀检查校验，并在管道吹扫后安装。
用于悬浮物、高粘度介质时，应配冲洗管线。
（6）入口管段长度应尽量长，对于小通径阀门，应大于10倍管道通径，调节阀出口直管段应有3~5倍管道通径。
调节阀进出口取压点位置，阀前为2倍管道通径处，阀后为3倍管道通径处。
（7）对小流量调节阀前应安装过滤装置。
（8）务必按流动方向箭头安装，安装时应避免过大的应力。
环境尘埃较多时，应采取保护阀杆的措施，避免磨损或卡死。
12调节阀的使用效果反映在装置上，好坏不只是产品自身出现的质量问题，它与设计院、用户、生产厂家3方面有关.水箱液位控制系统选择何种型号的控制阀要根据系统在实际生活中的应用。
133。
3PID控制器的选择
控制器是控制系统的核心部件，它将安装在生产现场的测量变送装置送来的测量信号与设定值进行比较产生偏差，并按预先设置好的控制规律对该偏差进行预算，产生输出型号去操纵执行器，从而实现对被控制变量的控制。
常见的PID控制器形式主要有三中：
（1）硬件型，通用PID温控气；
（2）软件型，使用离散形式的PID
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