液位升降过程控制系统设计.docx

《过程控制与集散系统》
课程设计

题目： 液位升降过程控制系统设计

学 院 信息科学与工程学院
班 级
学 号
学生姓名
指导教师 周红军
一、设计题目、任务及要求
1.设计题目：
液位升降过程控制系统设计
2.设计任务：
图1所示为某工业生产中的液位控制设备，设计任务是通过控制系统向水箱注入工业用水，经过液位调节后，使其满足下道工序要求。水箱注水工艺过程为：工业用水由水泵驱动，经送水管道注入水箱内；水箱具有出水口，向下道工序送水；由于工艺对水箱内水压有要求，水箱内液位高度必须达到一定的液位高度；水箱底板具有液位传感器，输水管道上具有流量传感器；输水管道上装有一个调节阀，用以控制向水箱注水的流量，已达到控制水箱液位的目的。

图1 工业水箱液位控制系统
由于水箱时间常数大，且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对水箱液位的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用输水管流量副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。
3.设计要求
(1) 绘制水箱液位单回路反馈控制系统结构框图。
(2) 以水箱液位为主变量，选择滞后较小的管道流量作为副变量，构成水箱液位串级控制系统，要求绘制该串级控制系统结构图。
(3) 假设主对象的传递函数为，副对象的传递函数为，主、副控制器的传递函数分别为，，，请确定主、副控制器的参数（要求写出详细的参数估算过程）。
(4) 利用simulink实现单回路系统仿真和串级系统仿真，分别给出系统输出响应曲线。
二、设计任务分析
（一）系统采用单回路反馈控制系统结构框图

（二）串级控制系统
在送水管道中有一个电动调节阀，根据反馈情况用来控制调节水流量，但由于水流量干扰较多，如水流量不稳定，管道不通畅等众多干扰，因此单回路反馈控制系统不能满足对水箱液位的控制要求。为提高控制质量，采用串级反馈控制系统，以水箱液位为主变量，选择滞后较小的管道流量作为副变量，构成水箱液位串级控制系统，提高控制质量，满足工艺要求。
串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。

三、详细设计
（一） 主被控参数的选择
应选择被控过程中能直接反映生产过程中的产品产量和质量，又易于测量的参数。在水箱液位单回路反馈控制系统中水箱液位为系统的主被控参数，因为水箱液位是整个控制作用的关键，要求水箱液位高度维持在某给定值上下。如果其调节欠妥当，会造成整个系统控制设计的失败。
(二) 副被控制参数的选择
从整个系统来看，滞后较小的管道流量虽然不是我们要控制的直接目标，但是滞后的管道流量会很大程度上影响水箱进水速度及液位高度，因此我们选择滞后的管道流量为副被控参数。
(三) 控制器的选择
主控制器的选择：主被控变量是工艺操作的主要指标（液位高度），允许波动的范围很小，一般要求无余差，主控制器应选PI控制规律。
副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量，提高系统的反应速度，提高控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副控制器要选P控制规律。副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量，提高系统的反应速度，提高控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副控制器只要选P控制规律就可以了。
在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：逐步逼近法；两步整定法；一步整定法。逐步逼近法费时费力，在实际中很少使用。两步整定法虽然比逐步逼近法简化了调试过程，但还是要做两次4：1衰减曲线法的实测。对两步整定法进行简化，在总结实践经验的基础上提出了一步整定法。为了简便起见，本设计采用一步整定法。
所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为：
（1）在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/δ2＝0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。

（2）按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。

（3）改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1 和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质最佳。

（4）如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数TI，即可得到改善。

对于该液位串级控制系统，在一定范围内，主、副控制器的增益可以相互匹配。根据表1，可以大致确定副控制器的增益Kc2及比例带。
表1. 副控制器参数经验设置值
副变量类型
副控制器比例度δ2（%）
副控制器比例放大倍数KT2
温度
20~60
1.7~5
压力
30~70
1.4~3
流量
40~80
1.25~2.5
液位
20~80
1.25~5
根据本设计，适当选取Kc2=2.5（整定时可以根据具体情况再做适当调整）。然后在副回路已经闭合的情况下按单回路控制器参数整定方法整定主控制器，本方案采用衰减曲线法整定，考虑到4：1衰减太慢，因此采用10：1衰减曲线法整定主控制器参数。

一般地取Kv=1,将学号最后两位83带入可计算出主对象的传递函数。

衰减曲线法是在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至10：1衰减过程为止。这时的比例度称为10：1衰减比例度，用δS表示之。相邻两波峰间的距离称为10：1衰减周期TS。根据δS和TS，运用表2所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。
表2. 衰减曲线法整定计算公式
衰减比
整定参数
调节规律
δ/(%)
Ti/min
Td/min
4:1
P
PI
PID
δs
1.2δs
0.8δs

0.5Ts
0.3Ts

0.1Ts
10:1
P
PI
PID
δ’s
1.2δ’s
0.8δ’s

2Tr
1.2Tr

0.4Tr

衰减曲线法的第一步就是获取系统的衰减曲线，采用10：1衰减曲线法。
在Simulink中，如图5，把积分输出线断开，Kc1的值从大到小进行试验，观察示波器的输出，直到输出10：1衰减振荡曲线为止。图6即为系统10：1衰减曲

串级系统Simulink模型:

图7
当Kc1=1.9时，在t1=2.27s时出现第一峰值，为1.22；

在t2=4.7时出现第二峰值，为1.00，曲线稳定值为0.98，可计算出衰减度为（1.22-1.02）：（1.00-0.98）=10：1。

因此，当Kc1=1.9时，系统出现10：1衰减振荡，且Ts=t2-t1=4.7-2.27=2.43s,根据表2可知，积分时间常数Ti=2Ts=4.86s。

将Kc1的值设置为1.9，将积分器的输出连线连上，如图7所示，运行仿真后，得到如下图所示的结果，它即为PI控制时系统的单位阶跃响应。根据结果可知，参数整定后系统达到比较理想的效果。
综上可知，主、副控制器参数整定结果为：Kc1=1.9,Kc2=1.0,Ti=4.86s，Kv=0.98。
一、 单回路系统和串级系统仿真输出响应曲线对比
单回路控制系统的模型如下：

单回路控制系统的输出响应曲线：

五、串级控制系统性能分析
上两图比较可知，串级系统输出曲线第一峰值出现时间明显比单回路系统更早，缩短了上升时间，减小了对象时间常数，系统快速性增强。串级系统输出曲线的调节时间缩短，使系统更早进入稳定状态，系统振荡幅度明显得到改善，增强了系统的稳定性。
对串级控制系统和单回路控制系统阶跃响应输出曲线对比可知，串级控制系统由于增加了副控制回路，使控制系统的的抗干扰性能、动态性能、工作频率及自适应能力都得到明显改善。其性能可归纳为：
1、可以显著提高系统对二次扰动的抑制能力，甚至是二次干扰在对主被控量尚未产生明显影响时就被副回路克服了。由于副回路调节作用的加快，整个系统的调节作用也加快，对一次扰动的抑制能力也得到提高。
2、提高了系统的工作频率，由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例带可以更窄，从而提高了系统工作频率。
3、提高了系统的动态性能，由于副回路显著改善了包括控制阀在内的副对象的特性，减少了时间常数和相位滞后，使得整个系统的动态性能得到明显改善。
4、对负荷干扰或操作条件的变化有一定的自适应能力。包括控制阀在内的副对象在操作条件和负荷变化时，其特性变化对系统的影响显著地削弱。
但串级控制系统也存在一些不足：只有当中间变量能够检测出来时，才可能采用串级控制系统，但许多过程在结构上是不容易以这种方式加以分割的；串级控制系统比单回路控制系统需要更多的仪表，串级控制系统的投放和整定也比单回路控制系统复杂些。在实际生产中，如果是单回路控制系统能够解决的问题，就不一定非要采用串级控制系统方案，一般当单回路控制方案质量达不到实际要求时，才考虑采用串级控制系统。
设计心得
此次的课程涉设计，主要的学习串级控制系统的设计，在设计过程中，参数的设定是难点，涉及多次的调整，不断的修改，终于，在同学的帮助下，得到了较为满意的输出曲线。
然后在与单回路系统得出的系统输出曲线做对比之后，进一步的认识到串级控制系统的优点与不足，对串级系统的学习得到进一步的巩固，加深了相关知识点的印象。
最后，课程设计让我们将理论联系上了实际，提高了我的动手能力，同时，在解决问题的过程中，得到了相应的满足感，以及成就感。
参考文献：

1 方康玲《过程控制系统》，武汉理工大学出版社 2007年

2 郭阳宽 王正林 《过程控制工程及仿真》 电子工业出版社 2009年4月