单容液位控制系统设计

1、目录 1 系统设计认识 1 1.1 前言 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 系统构成 4 3.1 控制系统结构4 3.2 控制系统方框图4 4 系统各环节分析 5 4.1 调节器 PID 控制5 4.2 执行器分析6 4.3 检测变送环节分析6 4.4 被控对象分析6 5 系统仿真 7 5.1 系统结构图以及参数整定7 6 仪器仪表选型 10 6.1 PID 调节器选择10 6.2 执行器选择11 6.2.1 变频器的选择11 6.2.2 电机的选择11 6.2.3 泵的选择12 6

2、.3 差压变送器的选择12 7 课程设计结束语 14 参考文献 15 中北大学课程设计说明书 一、系统设计认识 1.1 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

3、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 2.1 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

4、，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。 2.2 控制系统建模 2.2.1 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

5、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。 中北大学课程设计说明书 图 2-1 有自衡单容液位对象 2.2.2 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

6、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 Q Q dV QV1 QV 2 2-1) dt 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 2-2) 所以 dV dt A dH dt 2-3) 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

7、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 Rs 2-4) 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 中北大学课程设计说明书 将式（ 2-4 ）和是（ 2-3 ）代入式（ 2-1 ），经整理可得 dH A RsH Rs QV1（2-5 ） dt 令 T=ARs，K=Rs，并代入式（ 2-5 ），可得 dH T H K QV1（2-6 ） dt 式（2-6 ）是用来描述单容水箱被控对象

8、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 Ts 1 2-7) 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 s(Ts 1) s s 1/T (2-8) 1t h(t) KR0(1 e T ) 2-9) 当 t 时， h( ) KR0 , 因而有 h（ ） 输出稳态值 2-10) R0阶跃输入 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，

9、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 2-11) h(T) KR0(1 e 1) 0.632KR0 0.632h( ) 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 63.2%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。 三、系统构成 3.1 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

10、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 3.2 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 ： 中北大学课程设计说明书 图 3-2 单容液位控制系统方框图 四、系统各环节分析 4.1 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 (4-1) e( t) r( t) c( t) 将偏差的比例（ P）、积分（

11、 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 u(t) K P e(t) T1 TI 0te(t)dt TDddet(t) (4-2) 写成传递函数形式为 TIs (4-3) G(s) U(s) KP (1 1 TDs ) E(s) P D 式中 Kp 比例系数； 中北大学课程设计说明书 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 用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。 Kp 越大，系统的响应速度越快，系统的调

12、节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。 Kp 取值过小，则会降低调节精度，使 响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。 （2）积分环节 主要用来消除系统的稳态误差。 TI 越小，系统的静态误差消除越快，但 TI 过小，在响应过程 的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若 TI 过大，将使系统静态误差 难以消除，影响系统的调节精度。 （3）微分环节 能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变 化进行提前预报。但 TD 过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统 的抗干扰性能。 4.2 执行器分析

13、经分析，在单容液位控制系统中，执行器（包括变频器、电机、泵等环节）可看作一个 比例环节。当然，在整个控制过程中执行环节有一定的滞后作用，可在控制过程中添加一个 延迟滞后环节。对于在此看作比例环节，不妨取比例放大倍数 K=5 。延迟滞后环节，不妨取 延迟时间 =1 。 4.3 检测变送环节分析 经分析， 在出水阀差压变送检测环节中， 当变化量较小时， 可将该环节看作一个线性环 节，即同样可以看作是一个比例环节。 由于检测变送滞后较小， 所以不妨取比例放大系数 K=1 4.4 被控对象分析 通过查阅相关资料和网页资料，取出水阀的水阻 Rs=0.05，即 K=0.05。因 T=ARs，不妨 取 T=

14、2。所以有被控对象的传递函数： 中北大学课程设计说明书 G H (s) 0.05 G(s) (s)Q1(s)2s 1 经以上各环节分析，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 系统结构图以及参数整定 由以上各参数确定后可得系统的仿真结构图，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，比例度要大，一般不用微分作用，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 =1 表 5-1 系统结构以及参数整定表 中北大学课程设计说明书 KP=1；TI=0； TD=0；=1 KP=5； TI =0；

15、 TD=0；=1 KP=10；TI=0；TD=0；=1 KP=15；TI=0；TD=0；=1 中北大学课程设计说明书 KP=20；TI=0；TD=0；=1 KP=4；TI=0；TD=0；=1 KP=4； TI =1； TD=0；=1 KP=4；TI=3；TD=0；=1 9 中北大学课程设计说明书 由上表 PID 各参数在不同设定值下的响应曲线结果分析可得，比较理想控制的各参数整 定结果可参考： KP=4；TI=0；TD=0；=1。 六、仪器仪表选型 6.1 PID 调节器选择 调节器又称控制器， 是构成控制系统的核心仪表， 其作用是将参数测量值和规定的参数 值（给定值）相比较后，得出被调量的偏

16、差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推 动执行器工作，对过程进行自动控制。 PID 调节器实际是一个运算装置，实现对输入信号的 比例、积分、微分等各种运算功能。图 6-1 为 PID 调节器的组成框图。 图 6-1 PID 调节器组成框图 通过查阅相关网页资料可以选择如下液位调节仪作为调节器。如图6-2： 图 6-2 SZD-S-2 液位调节仪 编号： YH20100802 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

17、：仪表工作温度： 050 6、相对湿度： 85 10 中北大学课程设计说明书 7、功耗： 10VA 8、液位显示范围： 50mm 9、阀位反馈信号： DC 010mA （DKZ-310） 电感或电位器（ ZAZ 执行器） 10、液位输入：电感信号、 010m、 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 执行器选择 执行器的作用是接受调节器送来的控制信号， 自动地改变操作量， 达到对被调参数进行 调节的目的。执行器的好坏直接影响到调节系统的正常工作。 6.2.1 变频器的选择 正确选用变频器的类型，首先要按照生产机械的类

18、型、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求， 然后决定选用那种控制方式的变频器最合适。查阅相关网页资料可选变频器，如图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 电机的选择 图 6-4 YTPS 、 YVP 系列变频调速三相异步电动机 11 中北大学课程设计说明书 图 6-5 YTPS 、YVP 系列变频调速三相异步电动机

19、技术参数 6.2.3 泵的选择 泵是把机械能转换成液体的能量，用来增压输送液体的机械。查阅相关网页资料可选如 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 12 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 差压变送器的选择 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、记录仪表或调节器等，以实现对上述参数的显示、记录或调节。通过查阅 中北大学课程设计说明书 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

20、 2、测量范围：见选型规格表 3、输出信号： 420mAdc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、迁移特性： 在最小量程时，最大正迁移零点是 3940 倍的量程上限值，最大负迁移 零 点可以是量程下限值，绝对压力变送器无负迁移。 （不管输出形式如何，正负迁移后，其量程 上、下限均不得超过量程的极限 ） 6、负载特性： 7、温度范围： 电子线路板工作在 一 4085； 敏感元件工作在 一 40104； 储存温度 4085； 带数字显示 一 2570（正常运行 ）； 一 4085（无损坏 ）； 13 中北大学课程设计说明

21、书 8、相对湿度： O95 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、容积变化量：小于 016cm3 11、阻 尼：时间常数在 02320s 之间可调。 12、启动时间： 3s，不需预热。 性能指标 （在无迁移、 316 不锈钢隔离膜片及其他标准测试条件下。 ） 1、精度： O.1， 0.2 2、稳定性：最大量程范围的 0256 个月 3、温度影响：零点温度误差为最大量程的 0.5 55 ；包括零点和量程的总温度误差为 最大量程的 10 55 .（注意：对于量程 3温度影响误差加倍。 ） 4、静压影响：

22、 （DP 型在线性输出时 ）零点误差：加静压 140kgfcm2 后，量程 4、5的零点误 差为最大量程范围的 0 25，量程 3、6、7、8 的零点误差为最大量程范围的 05。 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的 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：小于输出量程的 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的 0.05 g. 7、负载影响：只要输出变送器的电压高于 12V，在负载工作区内无负载影响。 8、安装位置影响：最大可生产不大于 13.25kPa的零位误差，可通过校正消除这个 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 近两个星期的单容液位控制系统设计，可以说是对自己综合知识、能力的挑战。从刚开 始设计时的蒙头苍蝇到如今的灵活运用。在设计期间我锻炼了很多，也收获了很多！首先， 通过对单容水箱控制对象特性的分析，我逐步对系统有了了解，对各环节工作过程有了进一 步掌握。其次，通过大量相关资料和网页的参考，我对整个设计过程有了较为完善的构思。 着手开始设计的那段时间确实比较痛苦，感觉无从下手。正所谓万事开头难，通过与同学们 的