单容液位控制新版系统标准设计.doc

目录
1系统设计认识……………………………………………………………………………………1
1.1序言…………………………………………………………………………………………1
2系统方案确定、系统建模和原理介绍…………………………………………………………1
2.1控制方案确定………………………………………………………………………………1
2.2控制系统建模………………………………………………………………………………1
2.2.1被控对象………………………………………………………………………………1
2.2.2系统建模………………………………………………………………………………2
3系统组成…………………………………………………………………………………………4
3.1控制系统结构………………………………………………………………………………4
3.2控制系统方框图……………………………………………………………………………4
4系统各步骤分析…………………………………………………………………………………5
4.1调整器PID控制……………………………………………………………………………5
4.2实施器分析…………………………………………………………………………………6
4.3检测变送步骤分析…………………………………………………………………………6
4.4被控对象分析………………………………………………………………………………6
5系统仿真…………………………………………………………………………………………7
5.1系统结构图和参数整定…………………………………………………………………7
6仪器仪表选型……………………………………………………………………………………10
6.1 PID调整器选择……………………………………………………………………………10
6.2实施器选择…………………………………………………………………………………11
6.2.1变频器选择…………………………………………………………………………11
6.2.2电机选择……………………………………………………………………………11
6.2.3泵选择………………………………………………………………………………12
6.3差压变送器选择…………………………………………………………………………12
7课程设计结束语…………………………………………………………………………………14
参考文件……………………………………………………………………………………………15
一、系统设计认识
1.1序言
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关键作用。在这些生产领域里，基础上全部是劳动强度大或操作有一定危险性工作，极易出现操作失误引发事故，造成厂家经济损失。可见，在实际生产中，液位控制正确程度和控制效果直接影响着工厂生产成本、经济效益和设备安全系数。所以，为了确保安全条件、方便操作，就必需研究开发优异液位控制方法和策略。
本设计以单容水箱液位控制系统为研究对象。因为单回路反馈控制系统结构简单、投资少、操作方便，且能满足通常生产过程要求，在液位控制中得到了广泛应用，所以本设计单容水箱液位控制系统采取就是单回路反馈控制。它控制任务就是使水箱液位保持在给定值所要求高度，而且降低或消除来自系统内部和外部扰动影响。经过系统方案选择，完成系统工艺步骤图设计和方框图确实定，各步骤仪表仪器选型，控制算法选择，系统仿真和控制参数整定等工作。
二、系统方案确定、系统建模和原理介绍
2.1控制方案确定
如序言所介绍，因为单回路反馈控制系统结构简单、投资少、操作方便，且能满足通常生产过程要求，在液位控制中得到了广泛应用，故采取单回路反馈控制。
液位控制实现除模拟PID调整器外，还能够采取计算机PID算法控制。由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值经过单片机进行A/D转换，变成数字信号后输入计算机中；在计算机中，依据水位给定值和实际输出值之差，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；最终，由单片机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，实现水位计算机自动控制。
2.2控制系统建模
2.2.1被控对象
本设计探讨是单容水箱液位控制问题，所以有必需了解被控对象——上水箱结构和特征。图2-1所表示，水箱出水量和水压相关，而水压又和水位高度近乎成正比。这么，当水箱水位升高时，其出水量也在不停增大。所以，若阀V2开度合适，在不溢出情况下，当水箱进水量恒定不变时，水位上升速度将逐步变慢，最终达成平衡。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
2.2.2系统建模
本设计研究被控对象只有一个，那就是单容水箱（图2-1）。要对该对象进行很好计算机控制，有必需建立被控对象数学模型。正如前面提到，单容水箱是一个自衡系统。依据它这一特征，我们能够用阶跃响应测试法进行建模：
图2-1一个简单水箱液位被控对象，输出变量为液位H，水箱流入量QV1由水阀来调整，水箱流出量QV2决定于出水阀开度。显然，在任何时刻水位改变均满足物料平衡关系。
依据动态物料平衡关系有
（2-1）
式中 V——水箱内液体储存量（液体体积）；
t——时间；
dV/dt——储存量改变率。
设水箱横截面积为A，而A是一个常数，则因为
（2-2）
所以
（2-3）
在静态情况时，dV/dt=0，QV1=QV2；当QV1发生改变时，液位H将随之改变，水箱出口阀V2处静压也随之改变，流量QV2也肯定发生改变。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位H和流量之间为非线性关系。但当改变很小时，为简化起见，经线性化处理，则可近似认为流出量QV2和液位H成正关系，而和出水阀V2水阻Rs成反比关系，即
（2-4）
在讨论被控对象特征时，所研究是未受任何人为控制被控对象，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
（2-5）
令T=ARs，K=Rs，并代入式（2-5），可得
（2-6）
式（2-6）是用来描述单容水箱被控对象微分方程式，它是一个一阶常系数微分方程式。式中T称为时间常数，K称为被控对象放大系数，它们反应了被控对象特征。
在零初始条件下，对上式进行拉氏变换，得：
（2-7）
令输入流量，R0为常量，则输出液位高度为：
(2-8)
即 （2-9）
当t→∞时，,所以有
（2-10）
所以液位会稳定在一个新平衡状态，此时，QV1=QV2。这就是被控对象自衡特征，即当输入变量发生改变破坏了被控对象平衡而引发输出变量改变时，在没有些人为干预情况下，被控对象本身能重新恢复平衡特征。
当t=T时，则有
（2-11）
式（2-9）表示一阶惯性步骤响应曲线是一单调上升指数函数，图2-2所表示。由式（2-11）可知该曲线上升到稳态值63.2%所对应时间，就是水箱时间常数T。该时间常数T也能够经过坐标原点对响应曲线作切线，此切线和稳态值交点所对应时间就是时间常数T。

图2-2 阶跃响应曲线
三、系统组成
3.1控制系统结构
由上面介绍原理和单容液位控制系统建模过程可画出控制系统工艺步骤图3-1：

图3-1 单容液位控制系统工艺步骤图
3.2控制系统方框图
结合系统结构图3-1，能够很轻易画出系统控制方框图。图3-2：
图3-2 单容液位控制系统方框图
四、系统各步骤分析
4.1 调整器PID控制
在液位控制系统中，常采取PID控制来作为控制规律。常规PID控制系统原理框图图4-1所表示：

图4-1 PID控制系统原理框图
PID控制器是一个线性控制器，它是依据给定值r(t)和实际输出值c(t)组成控制偏差
(4-1)
将偏差百分比（P）、积分（I）和微分（D）经过线性组合能够组成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。它控制规律为
(4-2)
写成传输函数形式为
(4-3)
式中 ——百分比系数；
——积分时间常数；
——微分时间常数；
从系统稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID控制器各校正步骤作用以下：
（1）百分比步骤
用于加紧系统响应速度，提升系统调整精度。越大，系统响应速度越快，系统调整精度越高，但易产生超调，甚至会造成系统不稳定。取值过小，则会降低调整精度，使响应速度缓慢，从而延长调整时间，使系统静态、动态特征变坏。
（2）积分步骤
关键用来消除系统稳态误差。越小，系统静态误差消除越快，但过小，在响应过程早期会产生积分饱和现象，从而引发响应过程较大超调。若过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统调整精度。
（3）微分步骤
能改善系统动态特征，其作用关键是在响应过程中抑制偏差向任何方向改变，对偏差改变进行提前预报。但过大，会使响应过程提前制动，从而延长调整时间，而且会降低系统抗干扰性能。
4.2实施器分析
经分析，在单容液位控制系统中，实施器（包含变频器、电机、泵等步骤）可看作一个百分比步骤。当然，在整个控制过程中实施步骤有一定滞后作用，可在控制过程中添加一个延迟滞后步骤。对于在此看作百分比步骤，不妨取百分比放大倍数K=5。延迟滞后步骤，不妨取延迟时间τ=1。
4.3检测变送步骤分析
经分析，在出水阀差压变送检测步骤中，当改变量较小时，可将该步骤看作一个线性步骤，即一样能够看作是一个百分比步骤。因为检测变送滞后较小，所以不妨取百分比放大系数K=1。
4.4被控对象分析
经过查阅相关资料和网页资料，取出水阀水阻Rs=0.05，即K=0.05。因T=ARs，不妨取T=2。所以有被控对象传输函数：

经以上各步骤分析，可得系统具体点结构图，如4-2图
图4-2 系统具体结构图
五、系统仿真
5.1系统结构图和参数整定
由以上各参数确定后可得系统仿真结构图，具体参数整定过程可参见下表5-1：
查阅相关资料知，对于液位系统，时间常数范围较大，百分比度要大，通常不用微分作用，要求较高时才加入积分作用。所以初步令TI=0，TD=0，延迟时间τ=1。
表5-1 系统结构和参数整定表

KP=1；TI=0；TD=0；τ=1

KP=5；TI=0；TD=0；τ=1

KP=10；TI=0；TD=0；τ=1

KP=15；TI=0；TD=0；τ=1

KP=20；TI=0；TD=0；τ=1

KP=4；TI=0；TD=0；τ=1

KP=4；TI=1；TD=0；τ=1

KP=4；TI=3；TD=0；τ=1
由上表PID各参数在不一样设定值下响应曲线结果分析可得，比较理想控制各参数整定结果可参考：KP=4；TI=0；TD=0；τ=1。
六、仪器仪表选型
6.1 PID调整器选择
调整器又称控制器，是组成控制系统关键仪表，其作用是将参数测量值和要求参数值（给定值）相比较后，得出被调量偏差，再依据一定调整规律产生输出信号，从而推进实施器工作，对过程进行自动控制。PID调整器实际是一个运算装置，实现对输入信号百分比、积分、微分等多种运算功效。图6-1为PID调整器组成框图。

图6-1 PID调整器组成框图
经过查阅相关网页资料能够选择以下液位调整仪作为调整器。图6-2：

图6-2 SZD-S-2 液位调整仪
编号：YH0802 型号：SZD-S-2
技术参数：1、适用介质：非腐蚀性液体，比重≥0.8
2、工作压力：传感器≤2.5Mpa
3、工作温度：传感器≤250℃ 仪表≤50℃
4、工作电压：220VAC±15%　50HZ
5、环境温度：仪表工作温度：0～50℃
6、相对湿度：≤85％
7、功耗：≤10VA
8、液位显示范围：±50mm
9、阀位反馈信号： DC 0～10mA (DKZ-310) 电感或电位器（ZAZ实施器）
10、液位输入：电感信号、0～10m、4～20mA（内部跳线）
11、报警触点输出：220V、10A
12、开关阀触点输出：220V、10A
6.2 实施器选择
实施器作用是接收调整器送来控制信号，自动地改变操作量，达成对被调参数进行调整目标。实施器好坏直接影响到调整系统正常工作。
6.2.1变频器选择
正确选择变频器类型，首先要根据生产机械类型、调速范围、静态速度精度、起动转矩要求，然后决定选择那种控制方法变频器最适宜。查阅相关网页资料可选变频器，图6-3。

图6-3 IC5变频器
SV022iC5变频器技术参数：1.额定电机功率：2.2KW
2.额定输出容量：4.5KVA
3.额定输出电压：三相 220-230V
4.额定输出频率：0-400Hz
5.额定输入电压：单相 200-230V
6.额定输入频率：50-60Hz
6.2.2 电机选择

图6-4 YTPS、YVP系列变频调速三相异步电动机

图6-5 YTPS、YVP系列变频调速三相异步电动机技术参数
6.2.3 泵选择
泵是把机械能转换成液体能量，用来增压输送液体机械。查阅相关网页资料可选以下图6-6卧式水泵。

图6-6 ISW型卧式管道离心泵 IS、 IR单级离心泵

图6-7 ISW型卧式管道离心泵 IS、 IR单级离心泵技术参数
6.3 差压变送器选择
差压变送器是用来把差压、流量、液位等被测参数转换成为统一标准信号，并将此统一信号输送给指示、统计仪表或调整器等，以实现对上述参数显示、统计或调整。经过查阅相关网页资料，

图6-8 3351/3051电容式差压变送器
技术性能：
1、使用对象：液体、气体或蒸汽
2、测量范围：见选型规格表
3、输出信号：4～20mAdc．输出，叠加HART协议数字信号(两线制)
4、电 源：外部供电24V dc．，电源范围’12V～45V
5、迁移特征： 在最小量程时，最大正迁移零点是39／40倍量程上限值，最大负迁移 零点能够是量程下限值，绝对压力变送器无负迁移。(不管输出形式怎样，正负迁移后，其量程上、下限均不得超出量程极限)
6、负载特征：

7、温度范围： 电子线路板工作在 一40~85℃； 敏感元件工作在 一40～104℃； 储存温度 一40～85℃； 带数字显示 一25～70℃(正常运行)； 一40～85℃(无损坏)；
8、相对湿度：O～95％
9、超压极限：DP型，加O(绝对压力)～13MPa压力变送器不损坏；正常工作压力在 3.4kPa(绝对压力)至量程上限。
10、容积改变量：小于0．16cm3
11、阻 尼：时间常数在0．2～32．0s之间可调。
12、开启时间：3s，不需预热。
性能指标 (在无迁移、316不锈钢隔离膜片及其它标准测试条件下。)
1、精度：±O.1％，±0.2％
2、稳定性：最大量程范围±0．25％／6个月
3、温度影响：零点温度误差为最大量程±0.5％／55℃ ；包含零点和量程总温度误差为最大量程±1．0％／55℃.（注意：对于量程3温度影响误差加倍。）
4、静压影响：(DP型在线性输出时)零点误差：加静压140kgf／cm2后，量程4、5零点误差为最大量程范围±0．25％，量程3、6、7、8零点误差为最大量程范围±0．5％。这是系统误差，安装前可按实际静压调校变送器零点，消防这个误差。(HP型在线性输出时)零点误差：加静压31.2MPa后，零点误差小于最大量程±2.0％。这是系统误差，安装前可按实际静压调校变送器零点，消除这个误差。
5、电源影响：小于输出量程0.005％／V。
6、振动影响：在任意轴向上，频率为200Hz，误差为最大量程范围±0.05％／g.
7、负载影响：只要输出变送器电压高于12V，在负载工作区内无负载影响。
8、安装位置影响：最大可生产小于13.25kPa零位误差，可经过校正消除这个
9、误差，对量程无影响；测量本体相对法兰转动无影响。
七、课程设计结束语
近两个星期单容液位控制系统设计，能够说是对自己综合知识、能力挑战。从刚开始设计时蒙头苍蝇到现在灵活利用。在设计期间我锻炼了很多，也收获了很多！首先，经过对单容水箱控制对象特征分析，我逐步对系统有了了解，对各步骤工作过程有了深入掌握。其次，经过大量相关资料和网页参考，我对整个设计过程有了较为完善构思。着手开始设计那段时间确实比较痛苦，感觉无从下手。正所谓万事开头难，经过和同学们讨论合作，我们找到了一个绝处逢生感觉，有了头绪和思绪以后设计就显得水到渠成了。
不管是被控对象分析、工艺步骤图、结构图和方框图设计，还是各步骤选型，每一步全部需要细心查找分析和多种资料参考，设计起来工作量很大。不过我们在设计过程中也找了很多愉快，大家讨论时主动劲儿，让大家儿设计起来很有动力。我们按着设计时间安排一步一步完成设计。到MATLABSimulink系统仿真时我们又迎来了新挑战，这次系统仿真，让我们对MATLAB仿真模块应用技能有了很大提升。总而言之，这次设计让我们收获不只是知识，同时也是多种能力提升和锻炼。
设计过程中我们碰到了很多困难也碰到了很多分歧，但经过大量资料查询和同学之间讨论，我们全部一一处理了。这不仅锻炼了我们个人，也锻炼了我们小组和团体合作能力！再加上中途崔宝珍老师Simulink技术和技巧指导，刘广璞和刘波老师在设计方面答疑和帮助，这些对我们设计全部有很大帮助！在此，特向三位指导老师表示衷心感谢！谢谢三位老师！

【参考文件】
[1] 王毅，张早校.过程装备控制技术及应用.北京：化学工业出版社，.
[2] 胡寿松.自动控制原理简明教程.北京：科学出版社，.
[3] 王正林，郭阳宽.过程控制和Simulink应用.北京：电子工业出版社，.
[4] 张早校.过程控制装置及系统设计.北京：北京大学出版社，.
[5] 吴勤勤.过程仪表及装置.北京：化学工业出版社，.
[6] 谢仕宏.MATLAB控制系统动态仿真实例教程.北京：化学工业出版社，.
[7] 俞金寿，孙自强.过程控制系统.北京：机械工业出版社，.