雙容液位單回路控制系統(tǒng)設(shè)計

1、中北大學課程設(shè)計說明書中北大學課 程 設(shè) 計 說 明 書學生姓名： 學 號： 學 院： 機械工程與自動化學院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 題 目： 雙容液位單回路控制系統(tǒng)設(shè)計指導教師： 職稱: 職稱: 2013年12月30日中北大學課程設(shè)計任務(wù)書 2013/2014 學年第 1 學期學 院： 機械工程與自動化學院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 學 生 姓 名： 學 號： 課程設(shè)計題目： 雙容液位單回路控制系統(tǒng)設(shè)計 起 迄 日 期：2013年12月30日2014年1月10日 課程設(shè)計地點： 中北大學 指 導 教 師： 系 主 任： 下達任務(wù)書日期: 2013年12月30日課 程 設(shè) 計 任 務(wù)

2、 書1設(shè)計目的：（1）培養(yǎng)學生運用過程檢測儀表與控制技術(shù)及其他相關(guān)課程的知識，結(jié)合畢業(yè)實習中學到的實踐知識，獨立地分析和解決實際過程控制的問題，初步具備設(shè)計一個過程控制系統(tǒng)的能力。 （2）運用工程的方法，通過一個簡單課題的設(shè)計練習，可使學生初步體驗過程控制系統(tǒng)的設(shè)計過程、設(shè)計要求、完成的工作內(nèi)容和具體的設(shè)計方法。（3）培養(yǎng)學生獨立工作能力和創(chuàng)造力；綜合運用專業(yè)及基礎(chǔ)知識，解決實際工程技術(shù)問題的能力；（4）培養(yǎng)查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊和各種工具書的能力；（5）培養(yǎng)編寫技術(shù)報告和編制技術(shù)資料的能力。2設(shè)計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計要求等）：經(jīng)過過程檢測儀表與控制課程的學習和生產(chǎn)實

3、習后，對現(xiàn)場的實際過程控制策略、實際環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)有了一定的認識和了解。在此基礎(chǔ)上，針對實踐環(huán)節(jié)中的被控對象（控制裝置），獨立完成控制系統(tǒng)的設(shè)計，并通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)，達到較好的控制效果。1. 確定系統(tǒng)整體控制方案以及系統(tǒng)的構(gòu)成方式，給出控制流程圖；2. 現(xiàn)場儀表選型，編制有關(guān)儀表信息的設(shè)計文件；3. 給出控制系統(tǒng)方框圖；4. 分析被控對象特性，選擇控制算法；5. 進行系統(tǒng)仿真，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，分析系統(tǒng)性能；6. 寫出設(shè)計工作小結(jié)。對在完成以上設(shè)計過程所進行的有關(guān)步驟：如設(shè)計思想、指標論證、方案確定、參數(shù)計算、元器件選擇、原理分析等作出說明，并對所完成的設(shè)計作出評價，對自己整個設(shè)計工作中經(jīng)驗教

4、訓，總結(jié)收獲。3設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：1確定系統(tǒng)整體控制方案、儀表選型、系統(tǒng)控制流程圖、選擇控制算法。2撰寫課程設(shè)計說明書一份（A4紙）。 4主要參考文獻：1過程裝備控制技術(shù)及其應用 王毅 主編 化學工業(yè)出版社2過程自動化及儀表 俞金壽 主編 化學工業(yè)出版社 3工業(yè)過程控制工程 王樹青 主編 化學工業(yè)出版社4控制儀表及裝置 吳勤勤 主編 化學工業(yè)出版社5過程控制儀表 徐春山 主編 冶金工業(yè)出版社6過程裝備成套技術(shù)設(shè)計指南工程 黃振仁 主編 化學工業(yè)出版社7過程控制裝置 張永德 主編 化學工業(yè)出版社8化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計 匡國柱 主編

5、化學工業(yè)出版社9化工設(shè)備設(shè)計設(shè)計手冊（上、下） 朱有庭 主編 化學工業(yè)出版社10工業(yè)過程檢測與控制 孟華 主編 化學工業(yè)出版社5設(shè)計成果形式及要求：提供課程設(shè)計說明書一份，要求內(nèi)容與設(shè)計過程相符，且格式要符合規(guī)定要求；系統(tǒng)控制流程圖一份；6工作計劃及進度：2013年12月30日 -2014年1月2日 確定系統(tǒng)整體控制方案以及系統(tǒng)的構(gòu)成方式，畫出控制流程圖，完成儀表選型，接線圖；2014年 1月3日 - 1月6日 控制系統(tǒng)方框圖，分析被控對象特性，選擇控制算法；1月7日- 1月8日 進行系統(tǒng)仿真，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，分析系統(tǒng)性能；1月8日 - 1月9日 編寫課程設(shè)計說明書1月10日 答辯學科管理部審查

6、意見： 簽字： 年 月 日目錄1 被控對象基本內(nèi)容及結(jié)構(gòu)-12 建模方法以及系統(tǒng)變量的確定-1 2.1 建模方法的選擇與分析-1 2.2 系統(tǒng)變量的確定-1 2.3 建模參數(shù)的確定-2 2.4 被控對象的數(shù)學模型-2 2.4.1對象特性的機理建模法 -2 2.4.2設(shè)定傳函-23 控制方案的確定-44 PID控制的仿真圖-4 4.1 PID控制的仿真圖-5 4.2 PID的參數(shù)整定-5 5 儀表的選型-7 5.1 調(diào)節(jié)器的選用-7 5.2 執(zhí)行器的選擇-7 5.3 液位變送器-7 6 設(shè)計總結(jié)- -8 7 參考文獻- 81. 被控對象基本內(nèi)容及結(jié)構(gòu)液位控制系統(tǒng)是生產(chǎn)過程中的一類常見問題。在雙容

7、水箱中，我們需要實時檢測和調(diào)節(jié)水箱水位，為了最大程度上減輕了人們工作負擔，需要設(shè)計一個組態(tài)王液位控制系統(tǒng)對水箱的水位進行實時檢測。雙位水箱串級控制系統(tǒng)是被測對象由兩個不同容積的水箱串聯(lián)組成，故稱其為雙容水箱，控制原理是通過水泵將儲水箱【1】中的水送上水箱，通過閥門對其控制，使其可以合理的進行儲水，當然，如果進水量大于出水量，則自動通過溢水口排入儲水箱。 在一般的化工實驗和生產(chǎn)過程的自動控制中【2】，常要進行液位的控制。根據(jù)工藝要求需要連續(xù)控制容器內(nèi)流入和流出物料的平衡情況，使液位保持在工藝要求的范圍內(nèi)。本題目選用雙容水箱作為控制對象，控制方案采用單回路控制，單回路控制系統(tǒng)又被稱為簡單控制系統(tǒng)，

8、它是由一個被控對象、一個檢測元件及傳感器（或變送器）、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。2. 建模方法以及系統(tǒng)變量的確定2.1 建模方法的選擇與分析系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C理法建模和測試法建模兩種，機理法建模主要用于生產(chǎn)過程的機理已經(jīng)被人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數(shù)學描述的情況；測試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實際情況對其輸入輸出進行某些數(shù)學處理得到，測試法建模一般較機理法建模簡單，特別是在一些高階的工業(yè)生產(chǎn)對象。對于本設(shè)計而言，由于雙容水箱的數(shù)學模型已知，故采用機理建模法。2.2 系統(tǒng)變量的確定圖1所示雙容水箱液位系統(tǒng)，由水泵1、2分別通過支路1、2向上水箱注水，p0; 在支路一中設(shè)

9、置調(diào)節(jié)閥，為保持下水箱液位恒定，支路二則通過變頻器對下水箱液位施加干擾。試設(shè)計單回路控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定。圖1 雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖在定性地確定目標后，通常需要用工業(yè)過程的被控變量來定量的表示控制目標，被控變量也是工業(yè)過程的輸出變量，根據(jù)被控變量的選用原則，這里選擇水箱2的液位高度作為被控變量。本題中選擇水箱1的入為操縱變量。2.3 建模參數(shù)的確定在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)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. 執(zhí)行器：控制閥；2.4 被控對象的數(shù)學模型2.4.1對象特性的機理建模法 從工藝過程的機理出發(fā)，寫出各種有關(guān)的平衡方程

10、（物料平衡、能量平衡等），求取被測對象的微分方程式。輸入變量,輸出變量時,雙容對象的動態(tài)特性描述如下:根據(jù)物料平衡關(guān)系對水箱1:, （在水流入量和水流出量變化量極小時，水流出量和液位的關(guān)系） 兩式經(jīng)拉氏變換得， 對水箱2:, （在水流入量和水流出量變化量極小時，水流出量和液位的關(guān)系） 經(jīng)拉氏變換得, 由(1)、(2)兩式得此雙容對象的動態(tài)特性：=式中： - 兩液槽的容量系數(shù) - 閥2,3的阻力系數(shù) -水箱1的時間常數(shù) -水箱2的時間常數(shù) -雙容對象的比例放大系數(shù) 根據(jù)階躍響應曲線，為了提高精度，可將數(shù)學模型改為二階慣性加純滯后來處理則其傳遞函數(shù)可推導為：=2.4.2設(shè)定傳函：在圖所示的階躍響應

11、曲線上求?。?）時曲線上的點B和對應的時間；（2）時曲線上的點C和對應的時間然后，利用下面的近似公式計算式【3】 由上述兩式中即可求出，從而最終確定雙容對象的傳遞特性。（3）各個環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)及各個參數(shù)的確定 雙容液位對象:水箱1的時間常數(shù)5min 水箱2的時間常數(shù)10min雙容液位對象的比例放大系數(shù)K=0.5調(diào)節(jié)閥近似為比例環(huán)節(jié),比例系數(shù)K=2測量變送環(huán)節(jié)同樣近似為比例系數(shù)為1的比例環(huán)節(jié) 圖3 雙容對象傳遞特性圖 3. 控制方案的確定本題選用單回路控制，單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)簡單，易于分析設(shè)計，并且能滿足一般生產(chǎn)過程的控制要求，因此在生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應用。系統(tǒng)方框圖如下

12、：PID控制器電動閥上水箱下水箱液位變送器 圖2 雙容水箱液位控制系統(tǒng)方框圖4. PID控制的仿真圖本設(shè)計采用工業(yè)設(shè)計中最常用的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律即比例積分微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。由于兩個水箱的串聯(lián)，所以在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，在這里采用比例積分控制，其中比例環(huán)節(jié)可以顯著改善系統(tǒng)性能，積分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)余差。特別對于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對象，比例積分控制能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。具體確定過程見參數(shù)整定。4.1 PID控制的仿真圖MATLAB仿真框圖如圖3（無干擾）： 圖5 雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真框圖4.2 PID參數(shù)整定PID參數(shù)整定，采用臨界比

13、例度法，這種整定方法是在閉環(huán)的情況下進行的。 首先將控制器的積分作用和微分作用全部切除，將比例增益從小到大變化。對于每一個值作小幅度的設(shè)定值階躍變化，以獲得臨界情況下的等幅振動。 在實驗中采用嘗試改變比例增益的大小，依據(jù)5、10、15的規(guī)律選取，最終確定為=15左右，為了精確定位，在15左右分別選取14與16，并觀察其改變情況。 具體分析與截圖如下：參數(shù)：=14 圖6 雙容水箱液位控制系統(tǒng)階躍響應圖B. 參數(shù)：=15 圖7 雙容水箱液位控制系統(tǒng)階躍響應圖C. 參數(shù)：=16 圖8 雙容水箱液位控制系統(tǒng)階躍響應圖 綜合分析可得，等幅振蕩時K最大為15，則根據(jù)臨界比例法，為6.75，為9.96，為0

14、 圖9 雙容水箱液位控制系統(tǒng)階躍響應圖5. 儀表的選型5.1調(diào)節(jié)器的選用調(diào)節(jié)器選擇SZD-B型單沖量液位調(diào)節(jié)儀，這種液位調(diào)節(jié)儀為P1連續(xù)給水調(diào)節(jié)裝置【4】，主要適用于135Th/，壓力2.5Mpa的各種鍋爐鍋筒水位自動調(diào)節(jié)。5.2 執(zhí)行器的選擇本題目系統(tǒng)中執(zhí)行器為電動調(diào)節(jié)閥，在這里選用FNZDLP智能型電子式【5】精小型調(diào)節(jié)閥，他接受來自調(diào)節(jié)儀表及計算機等單元的電信號或操作單元的手動信號，并根據(jù)此信號的大小來自動控制閥的開度，從而達到對溫度、壓力、液位、流量等參數(shù)的調(diào)節(jié)。智能型電子精小型調(diào)節(jié)閥由3810L系列智能型電子式電動執(zhí)行器通過支架與單座、套筒調(diào)節(jié)閥連接在一起組成。當輸入端無信號時，執(zhí)行

15、器穩(wěn)定在預選的零位，調(diào)節(jié)閥處于全開或全閉的位置，執(zhí)行器的輸出軸通過開和螺母與調(diào)節(jié)閥的閥桿相連，當輸入端有信號時輸出軸即通過輸入信號按一定比例處在一定的位置，調(diào)節(jié)閥【6】即處于所需開度，從而達到了調(diào)節(jié)和控制的目的。智能型電子式精小型調(diào)節(jié)閥分為電開式和電閉式兩種，通過選擇電子式電動執(zhí)行器的正、反作用開關(guān)來實現(xiàn)電開式和電閉式調(diào)節(jié)。5.3 液位變送器變送器選擇1151/3051LT法蘭式【7】液位變送器，該產(chǎn)品具有設(shè)計原理先進、品種規(guī)格齊全、安裝使用簡便等特點。1151/3051LT型法蘭式液位變送器,可對各種容器進行精確的液位和密度測量，有平法蘭和插入式法蘭供選擇，法蘭有3英寸或4英寸，規(guī)格有150

16、1b和3001b的法蘭，也可根據(jù)用戶定制法蘭，法蘭膜片材料可選。 選型方式：表11151/3051LT法蘭式液位變送器 代碼量程范圍30-1.37.5KPa40-4-40KPa50-40200KPa60-0.16KPa1MPa6. 設(shè)計總結(jié) 通過本次設(shè)計，學會了系統(tǒng)建模的一般步驟，掌握了分析簡單系統(tǒng)特性的一般方法，并對系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、控制對象等各個部分有了更加直觀的認識。 基本掌握了簡單系統(tǒng)模型的PID參數(shù)整定方法，對PID調(diào)節(jié)器中的P、I、D各個參數(shù)的功能、特性有了更加深刻的認識，通過實驗驗證的方式，很多內(nèi)容印象非常深刻。 在本次做課程設(shè)計的過程中，我先對課程設(shè)計所要設(shè)計到

17、的內(nèi)容查閱相關(guān)書籍，將控制工程與儀表控制的原理做進一步的理論分析與系統(tǒng)學習，在此基礎(chǔ)上將所設(shè)計的內(nèi)容結(jié)合設(shè)計要求，將雙容液位的單回路控制圖進行分析，并結(jié)合課本知識，一步步將控制變量與被控量表示出來，這對于后續(xù)的設(shè)計過程起到了很重要的作用。 此次課程設(shè)計使得我對MATLAB軟件有了進一步的掌握,應用軟件的能力也得到了提升。同時，在設(shè)計過程中，我也深入地了解到科學的嚴謹性，自己從中受益匪淺，不但擴大了我的視野，提高了我的認識和認知能力。 同時，也讓我深刻的認識到，在此次課程設(shè)計中暴露出來的不少問題：我們所掌握的相關(guān)知識很少，很多需要用到的知識都是我們平常都沒學過或是我們沒見過的，這就要求我們必須學會很好的查資料，并且很快將資料轉(zhuǎn)化