单容液位控制系统设计

目录

1系统设计认识……………………………………………………………………………………1 前言…………………………………………………………………………………………1 2系统方案确定、系统建模和原理介绍…………………………………………………………1 控制方案确定………………………………………………………………………………1 控制系统建模………………………………………………………………………………1 被控对象………………………………………………………………………………1 系统建模………………………………………………………………………………2 3系统构成…………………………………………………………………………………………4 控制系统结构………………………………………………………………………………4 控制系统方框图……………………………………………………………………………4 4系统各环节分析…………………………………………………………………………………5 调节器PID控制……………………………………………………………………………5 执行器分析…………………………………………………………………………………6 检测变送环节分析…………………………………………………………………………6 被控对象分析………………………………………………………………………………6 5系统仿真…………………………………………………………………………………………7 系统结构图以及参数整定…………………………………………………………………7 6仪器仪表选型……………………………………………………………………………………10 PID调节器选择……………………………………………………………………………10 执行器选择…………………………………………………………………………………11 变频器的选择…………………………………………………………………………11 电机的选择……………………………………………………………………………11 泵的选择………………………………………………………………………………12 差压变送器的选择…………………………………………………………………………12 7课程设计结束语…………………………………………………………………………………14 参考文献……………………………………………………………………………………………15

一、系统设计认识

前言

过程控制早已在矿业、冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。在液位控制方面，比如:水塔供水、工矿企业排给水、锅炉汽包液位控制、精馏塔液位控制等更是发挥着重要作用。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，极易出现操作失误引起事故，造成厂家的经济损失。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着工厂的生产成本、经济效益以及设备的安全系数。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。

本设计以单容水箱的液位控制系统为研究对象。由于单回路反馈控制系统结构简单、投资少、操作方便，且能满足一般的生产过程要求，在液位控制中得到了广泛的应用，所以本设计单容水箱的液位控制系统采用的就是单回路反馈控制。它的控制任务就是使水箱液位保持在给定值所要求的高度，并且减少或消除来自系统内部和外部扰动的影响。通过系统方案的选择，完成系统的工艺流程图设计和方框图的确定，各环节仪表仪器的选型，控制算法的选取，系统的仿真以及控制参数的整定等工作。

二、系统方案确定、系统建模和原理介绍

控制方案确定

如前言所介绍，由于单回路反馈控制系统结构简单、投资少、操作方便，且能满足一般的生产过程要求，在液位控制中得到了广泛的应用，故采用单回路反馈控制。

液位控制的实现除模拟PID调节器外，还可以采用计算机PID算法控制。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，变成数字信号后输入计算机中；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。 控制系统建模

被控对象

本设计探讨的是单容水箱液位控制问题，所以有必要了解被控对象——上水箱的结构和

特性。如图2-1所示，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V2开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，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 有自衡单容液位对象

系统建模

本设计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2-1一个简单的水箱液位被控对象，输出变量为液位H，水箱流入量QV1由水阀来调节，水箱的流出量QV2决定于出水阀的开度。显然，在任何时刻水位的变化均满足物料平衡关系。

根据动态物料平衡关系有

QV1?QV2?dVdt （2-1）

式中 V——水箱内液体的储存量（液体的体积）； t——时间；

dV/dt——储存量的变化率。

设水箱的横截面积为A，而A是一个常数，则因为

V?A?H （2-2） 所以

dVdH?A? （2-3） dtdt在静态情况时，dV/dt=0，QV1=QV2；当QV1发生变化时，液位H将随之变化，水箱出口阀V2

处的静压也随之变化，流量QV2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。但当变化很小时，为简化起见，经线性化处理，则可近似认为流出量QV2与液位H成正关系，而与出水阀V2的水阻Rs成反比关系，即 QV2?H （2-4） Rs 在讨论被控对象的特性时，所研究的是未受任何人为控制的被控对象，所以出水阀开度不变，阻力Rs为常数。

将式（2-4）和是（2-3）代入式（2-1），经整理可得 A?Rs?dH?H?Rs?QV1 （2-5） dt令T=ARs，K=Rs，并代入式（2-5），可得 T?dH?H?K?QV1 （2-6） dt 式（2-6）是用来描述单容水箱被控对象的微分方程式，它是一个一阶常系数微分方程式。式中的T称为时间常数，K称为被控对象的放大系数，它们反映了被控对象的特性。 在零初始条件下，对上式进行拉氏变换，得： G(s)?H(s)Q1(s)?K （2-7） Ts?1令输入流量Q1(s)?R0/s，R0为常量，则输出液位的高度为： H(s)?KR0KR0KR0?? (2-8)

s(Ts?1)ss?1/T1?tT即 h(t)?KR0(1?e当t→∞时，h(?)?KR0,因而有

K?) （2-9）

h(?)输出稳态值?R0阶跃输入 （2-10）

所以液位会稳定在一个新的平衡状态，此时，QV1=QV2。这就是被控对象的自衡特性，即当输入变量发生变化破坏了被控对象的平衡而引起输出变量变化时，在没有人为干预的情况下，被控对象自身能重新恢复平衡的特性。 当t=T时，则有

h(T)?KR0(1?e?1)?0.632KR0?0.632h(?) （2-11）

式（2-9）表示一阶惯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（2-11）可知该曲线上升到稳态值的%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。

图2-2 阶跃响应曲线

三、系统构成

控制系统结构

由上面介绍的原理和单容液位控制系统的建模过程可画出控制系统的工艺流程图3-1：

图3-1 单容液位控制系统工艺流程图

控制系统方框图

结合系统结构图3-1，可以很容易的画出系统的控制方框图。如图3-2：

图3-2 单容液位控制系统方框图

四、系统各环节分析

调节器PID控制

在液位控制系统中，常采用PID控制来作为控制规律。常规PID控制系统原理框图如图4-1所示：

图4-1 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 e(t)?r(t)?c(t) (4-1) 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

?1u(t)?KP?e(t)?TI? (4-2)

写成传递函数形式为

G(s)??t0e(t)dt?TDde(t)??dt?

U(s)1?KP(1??TDs)E(s)TIs (4-3)

式中 Kp——比例系数； TI——积分时间常数； TD——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