毕业设计-水箱液位控制系统设计

1、济南铁道职业技术学院毕业设计题 目：水箱液位控制系统设计 系 别：电气工程系 专 业：电气自动化 班 级：0631班 学生姓名：周圣凯 指导老师：李颖目 录任务书 . 2摘要 . 31 绪论 . 41.1 过程控制的定义 . 41.2 过程控制的目的 . 41.3 过程控制的特点 . 51.4 过程控制的发展与趋势 . 52 水箱液位控制系统的原理 . 62.1 人工控制与自动控制 . 62.2 水箱液位控制系统的原理框图 . 72.3 水箱液位控制系统的数学模型 . 83 水箱液位控制系统的组成 . 113.1 被控制变量的选择 . 113.2 执行器的选择 . 113.3 PID控制器的选

2、择 . 153.4 液位变送器的选择 . 174 PID控制规律 . 184.1 比例控制 . 184.2 积分控制 . 214.3 微分控制 . 214.4 比例积分控制 . 214.5 比例积分微分控制 . 225 应用实例 . 225.1 液位控制在厕所中的应用 . 225.2 液位控制在汽车上的应用 . 23总结 . 24致谢 . 25参考文献 . 25济南铁道职业技术学院毕业设计（论文）任务书 摘要在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题, 例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工, 溶液过滤, 化工生产等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中

3、的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。 PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID 算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID 算法，调节阀为电动调节阀。选用合适的器件设备、控制方案和算法，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。关键

4、词 PID 控制 过程控制 液位控制1 绪论11过程控制的定义生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序进行的生产过程的自动控制。电力拖动及电动机运转等过程的自动控制一般不包括在内。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。过程控 制是自动控制学科的一个重要分支，是对过程控制系统进行分析与综合。12过程控制的目的生产过程中，对各个工艺过程的物理量（或称工艺变量）有着一定的控制要求。有些工艺变量直接表征生产过程，对产品的数量与质量起着决定性的作用。例如，精馏塔的塔顶或塔釜温度，一般在操作的压

5、力不变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品；加热炉出口温度的波动不能超出允许范围，否则将影响后一段的效果；化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到指标。有些工艺变量虽不直接影响产品的质量和数量，然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。例如，用蒸汽加热反应器或在沸器，如果在蒸汽总压波动剧烈的情况下，要把反应温度或塔釜温度控制好将极为困难；中间储槽的液位高度与气柜压力，必须维持在允许的范围之内，才能使物料平衡，保持连续的均衡生产。有些工艺变量是决定安全生产的因素。例如，锅炉汽包的水位、受压容器的压力等，不允许超出规定的限定否则将威胁生产安全。还有一些工艺变量直接鉴定产品的质量。例如

6、，某些混合气体环境的污染，因此，减小工业生产对环境的影响也已纳入过程控制的目标范围。综上所述，过程控制的主要目标包括一下几个方面： 保障生产过程的安全和平稳； 达到预期的产量和质量； 尽可能地减少原材料和能源损耗； 把生产对环境的危害降低到最小程度。由此可见，生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安去和提高劳动生产率的重要手段，使20世纪科学与进步的特征，市工业现代化的标志之一。13过程控制的特点生产过程的自动控制一般要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化。显然，过程参数的变化，不但受外界条件的影响，它们之间往往也相互影响，这就增加

7、了某些参数自动控制的复杂性和难度，过程控制有如下特点： 被控对象的多样性； 对象存在滞后； 对象特性的非线性； 控制系统比较复杂。由于对象的特性不同，其输入与输出可能不止一个，控制系统的设计在于适应这些不同的特点，以确定控制方案和控制其的设计或选型，以及控制器特性参数的计算与设定。这些都要以对象的特性为依据，而对象的特性复杂且难以认识，所以要完全通过理论计算进行系统设计与整定至今仍不可能。目前已设计出的各种各样的控制系统（如简单的位式控制系统、单回路及多回路控制系统，以及前馈控制、计算机控制系统等），都是通过必要的理论计算，采用现场的方法达到过程控制的目的。14过程控制的发展与趋势20世纪40

8、年代开始形成的控制理论被成为“20世纪上半叶三大伟绩之一”，在人类社会的各个反面有着深远的影响。与其他任何学科一样，控制理论源于社会实践和科学实践。自动化技术的前驱，可以追溯到我国古代，如指南车的出现。 至于工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为起点。有人把直到20世纪30年代末这段时期的控制理论成为第一代控制理论，第一代控制理论分析的主要问题是稳定性，主要的数学方法是微分方程解析方法。这时候的系统（包括过程控制系统）是简单控制系统，仪表是基地式、大尺寸的、满足当时的需要。到第二次时间大战前后，控制理论有了很大发展，Nyquist(1932和Bode （1945）频率法分析技术及稳定判据、

9、Evens 根轨迹分析方法的建立，使经典控制理论发展到了成熟的阶段，这是第二代控制理论。从20世纪50年代开始，随着工业的发展、控制需求的提高，除了简单控制系统以外，各种复杂控制系统也发展起来了，而且取得了显著的功效。20世纪60年代，现代控制理论迅猛发展，它以状态空间方法为基础、以极小值原理和动态规划等最优控制理论为特征的而以在随机干扰下采用Kalman 滤波器的线性二次型系统（LOG ）设计宣告了时域方法的完成，这是第三代控制理论。从20世纪70年代开始，为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和优化与控制相结合，逐步发发展成了大系统理论。过程控制是随着控制理论的发展而发展的，

10、从系统机构来看，过程控制已经经历了四个阶段：基地式控制阶段（初级阶段）、单元组合仪表自动化阶段、计算机控制的初级阶段、综合自动化阶段。当前自动控制系统发展的一些主要特点是：生产装置实施先进控制成为发展主流，过程优化受到普遍关注，传统的DCS 正在走向国际统一标准的开放式系统，综合自动化系统(CPIS发展方向。综合自动化系统，就是包括生产计划和调度、操作优化、先进控制和基层等内容的递阶控制系统，亦称管理控制一体化系统（简称管控一体化系统）。这类自动化是靠计算机的组成特征，过程系统指明了它的工作对象，正好与计算机集成制造系统（CIMS ）相应，有人也称之为过程工业的CIMS 。可以说，综合自动化是

11、当代工业自动化的主要潮流。它以整体优化为目标，以计算机为主要技术工具，以生产过程的管理和控制的自动化为主要内容，将各个自动化“孤岛”综合集成为一个整体的系统。2 水箱液位控制系统的原理21 人工控制与自动控制下图为水箱液位控制系统示意图，在人工控制示意图中，为保持水箱液位恒定，操作人员应根据液位高度的变化情况控制净水量。手工控制的过程主要分为三步： 用眼睛观察水箱液位的高低以获取测量值，并通过神经系统传到大脑； 大脑根据眼睛看到的水位高度，与设定值进行比较，得出偏差大小和方向，然后根据操作经验发出控制命令； 根据大脑发出的命令，用双手去改变给水阀（或进水阀）的开度，使水箱液位包持在工艺要求的高

12、度上。在整个手工控制过程中，操作人员的眼、脑、手、三个器官，分别担负了【 2012 高考重庆文 7 】 如果采用检测仪表和自动控制装置来代替人工控制，就成为过程控制系统。在自动控制示意图中，当系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过检测变送仪表得到其测量值；控制器接受液位测量变送器送来的信号，与设定值相比较得出偏差，按某种运算规律进行运算并输出控制信号；控制阀接受控制器的控制信号，按其大小改变阀门的开度，调整给水量，以克服扰动的影响，使被控变量回到设定值，最终达到水箱液位的恒定。这样就完成了所要求的控制任务。这些自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接蔡玉的自动控制系统。22

13、 水箱液位控制系统的原理框图本论文对水箱液位控制系统的设计是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、以个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图表示： ， 外部扰动。本设计以进料流量1F 作为输入变量。 a,b,c的大小关系是式为dV=AdL，即：dtdL A dt dV =（18）。将1F =110F F +、1202F

14、F F +=和式（18）代入式（17），得dt L d A F F F F =-+220110 （19）。 将式（19）减去式（16）可得用新增量形式表示的动态方程式，为：dtL d A F F =-21 （110） （3）消去中间变量，简化，求的微分方程式中间变量式原始方程式中出现的一些既不是输入变量也不是输出变量的工艺变量。式（110）中，2F 为中间变量。2F 与输出变量L 的关系可表示为：2F =L k k ：比例系数 （111）当只考虑液位与流量均在有限小的范围内变化式，就可以认为出料流量与液位变化呈线性关系。将式（111）改写成增量形式：L L k F =022 令RL k12=，

15、则有： R L F =2 （112） 将式（112）代入式（110）中，即得1F R L dtl d RA =+ （113） 式（113）即为水箱液位过程的数学模型。由此可见，这是一个一阶微风方程，液位过程为一阶过程。将该式写成的一阶过程的微风方程的标准形式：( ( (t x K t y dtt y d RC=+ （114） 或 ( ( (t x K t y dt t y d T =+ （115） T 为一阶过程的时间常数，RC T =, 具有时间量纲；K 为一阶过程的放大系数，具有放大倍数的量纲； (t y 为一阶过程的输出变量； (t x 为一阶过程的输入变量；R为阻力系数，R =液位的变

16、化量 / 出料流量的变化量；C 为容量系数，C =储存的物料变化量/ 液位的变化量。当被控变量的检测地点与产生扰动的地点之间由一段物料传输距离时，就会出现滞后。在控制过程中，若进料阀安装在与水箱进料口有一段距离，则当进料阀开度变化而引起进料流量变化后，液体需要经过一段传输时间0才能流入水箱，使液位发生变化并被检测出来。显然液体流经这段距离所需时间0完全是传输滞后造成的。纯滞后一阶过程的微风方程为：( ( (0-=+t x K t y dtt y d T 具有纯滞后的一阶过程的特性与放大系数K 、时间常数T 和纯滞后时间0有关综上所述，水箱液位控制系统是一个一阶自衡过程，其特性可用放大系数K 、

17、时间常数T 和纯滞后时间0 这三个特性参数来全面表征。3 水箱液位控制系统的组成本设计研究的水箱液位控制系统是简单控制系统，是使用的族普遍的、结构最简单的一种过程控制系统。所谓的简单控制系统，通常是指一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、一个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统。31 被控制变量的选择被控变量的选择是控制系统的核心问题，被控变量选择的正确与否是决定控制系统有无价值的关键。对于任何一个控制系统，总是希望其能够在稳定生产操作、增加产品产量、保证生产安全及改善劳动条件等方面发挥作用，如果被控变量学则不当，配备再好的自动化仪表，使用在复杂、先进的控制规

18、律也无用的，都不能达到预期的控制效果。对于水箱液位控制系统，其被控变量是显而易见的，液位就是其被控变量，是直接参数控制。32 执行器的选择执行器在控制系统中起着极其重要的作用。控制系统的控制性能指标与执行器的性能和正确选用有着十分密切的关系。执行器接受控制其输出的控制信号，实现对操纵变量的改变，从而使被控变量向设定值靠拢。执行器位于控制回路的最总端，因此又称为最终元件。本设计所使用的执行器为控制阀，也称调节阀。控制阀发装现场，通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易渗透、易结晶、易燃易爆、剧毒等场合下工作。如果选择不当或维修不妥，就会使整个系统无法正常运作。经验表明，控制系统不能正常运行的原因，多

19、数发生在控制阀上。对于系统控制阀的选择很重要。控制阀接受控制器输出的控制信号，通过改变阀的开度来达到控制流量的目的。控制阀有执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是根据可能稚气的控制信号产生推力或位移的装置，调节机构是根据执行机构的输出信号去改变能量或物料输送量的装置。控制阀按其能源形式可分为气动、电动、液动三大类。液动控制阀推力最大，但比较笨重，目前已经极少使用。电动控制阀的能源取用方便，信号传递迅速，但结构复杂、防爆性能差。气动控制阀采用压缩空气作为能源，其特点是简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防爆而且价格较低，因此得到广泛应用。气动控制阀可以方便的与电动仪表配套使用，即

20、使是采用电动仪表或计算机控制时，只要经过电气转换阀门定位器将电信号转换为20100kPa 的标准气压信号仍可采用气动控制阀。调节阀基型产品即普通产品按基型结构特征分为几大类产品，它们是：直通单座阀、直通双座阀、套筒阀、角形阀、三通阀、隔膜阀、蝶阀、球阀、偏心旋转阀，其中前6种为直行程调节阀，后3种为角行程调节阀，选择购买控制阀时，必须首先弄清楚基型产品的特点、使用注意事项、各类变型产品、改进产品。（1）直通单座调节阀该阀具有泄漏小、许用压差小、流路复杂、结构简单的特点，适用于泄漏要求严、工作压差小的干净介质场合，但小规格的阀（如DN15、20、25）亦可用于压差较大的场合，是应用最广泛的阀之一

21、。（2）直通双座调节阀与单座阀相反，具有泄漏大、许用压差大的特点，适用于泄漏要求不严、工作压差大的干净介质场合，是应用最为广泛的阀之一。（3）套筒阀套筒阀具有单密封、双密封两种结构，前者相当于单座阀，后者相当于双座阀，适用于双座阀场合，除此之外，套筒阀还具有稳定性好、装卸方便的特点，但价格比单双座阀贵50%200%，还需要专门的缠绕密封垫。是仅次于单、双座阀应用较为广泛的阀。（4）角形阀节流型式相当于单座阀，但阀体流路简单，适用于泄漏要求小、压差不大的不干净介质场合以及要求直角配管的场合。（5）三通阀具有3个通道，可代替两个直通单座阀用于分流和合流及两相流温度差成150的场合，当DN<8

22、0mm，仪表工程应用的设计工作。（6）隔膜阀隔膜阀流路简单，隔膜具有一定的耐蚀性能，适用于不干净介质和弱腐蚀性介质的两位切断场合。（7）蝶阀相当于取一段直管来做阀体，且阀体又相当于阀座，自洁性能好、体积小、重量轻，适用于不干净介质和大口径、大流量、低压差的场合。当DN>300mm时，通常采用蝶阀。（8）球阀“O"形球阀全开时为无阻调节，自洁性能最佳，适用于特别不干净、含纤维介质的两位切断场合。“V"形球阀具有近似等百分比的调节特性，适用于不干净、含纤维介质可调比较大的调节场合。球阀价格较贵。（9）偏心旋转阀该阀介于蝶阀和球阀之间，自洁性能好，调节性能好，亦可切断，适用

23、于不干净介质和泄漏要求小的调节场合，但该阀价格较贵。选型注意事项阀体材料选择阀体耐压等级、使用温度和耐腐蚀性能等方面不低于工艺连接管道的要求，并应优先选用制造厂定型产品，遇有水蒸汽或含水较差的湿气体和易燃易爆介质，或当坏境温度低于-30时，不宜选用铸铁阀。选型注意事项阀内件材质选择（1）非腐蚀性介质一般选用1Cr18Ni9Ti 或其它不锈钢。（2）在汽蚀、冲蚀较为严重的情况下，以及在介质温度与压差构成的直角坐标中。温度为300，压差为1.5MPa 的两点连线以外的区域，应选用耐磨材料，如钻基合金或表面堆焊史泰莱合金。（3）要求泄漏很小时，应选用软密封，如四氟、橡胶。耐蚀材料选择（1）对腐蚀性介

24、质，应根据介质的种类、浓度、温度、压力的不同，选择合适的耐腐蚀材料，同时，还要考虑阀的经济性。（2）选择衬里材料（橡胶、塑料）时，工作介质的温度、压力、浓度都必须满足该材料的使用范围，并考虑阀动作时对它的物理和机械破坏。（3）真空阀不宜选用阀体内衬橡胶、塑料结构。（4）水处理系统的两位切断阀不宜选用衬橡胶材料，如衬胶蝶阀、隔膜阀。 高低温材料选择（1）-200-60时，选用铜或1Cr18Ni9Ti ；（2）-450+600，选用含钛钼不锈钢。其它注意事项在满足使用的必要功能前提下，所选阀应尽量简单、可靠价廉、寿命长、维修方便，备件有来源。需考虑的主要因素如下：（1）最基本的条件是应该满足工艺的

25、压力、流量、温度的要求。（2）阀的密封性、可靠性、经济性。（3）阀的工作压差小于阀的许用压差。（4）对通过阀内不洁介质，易结垢介质，强腐蚀介质的考虑。（5）对阀动作速度，阀流量特性，作用方式，流向的考虑。（6）对执行机构形式、输出力、刚度及弹簧范围的考虑。（7）对附件及其成套性及特殊阀之特殊性能及要求的考虑。安装注意事项（1）宜垂直、正立安装在水平管道上，公称通径DN>50mm的调节阀，其阀前后管道上最好有永久性支架。（2）调节阀配管应组合紧凑，上、下部分应留有足够的空间，必要时应设置平台，便于操作、维修和排液，配管通径尽量与阀通径一致。连接形式应符合制造厂产品说明书的规定。（3）调节阀

26、用于高粘度、易结晶、易汽化以及低温流体时，应采取保温和防冻措施。使用环境温度一般不高于60，不低于-30，未安装阀门定位器的调节阀，当阀安装在有振动场合时，应考虑防振措施。（4）未安装阀门定位器的调节阀，膜头上最好安装指示控制信号的小型压力表。（5）安装前应先对阀检查校验，并在管道吹扫后安装。用于悬浮物、高粘度介质时，应配冲洗管线。（6）入口管段长度应尽量长，对于小通径阀门，应大于10倍管道通径，调节阀出口直管段应有35倍管道通径。调节阀进出口取压点位置，阀前为2倍管道通径处，阀后为3倍管道通径处。（7）对小流量调节阀前应安装过滤装置。（8）务必按流动方向箭头安装，安装时应避免过大的应力。环境

27、尘埃较多时，应采取保护阀杆的措施，避免磨损或卡死。调节阀的使用效果反映在装置上，好坏不只是产品自身出现的质量问题，它与设计院、用户、生产厂家3方面有关. 水箱液位控制系统选择何种型号的控制阀要根据系统在实际生活中的应用。3。3 PID 控制器的选择控制器是控制系统的核心部件，它将安装在生产现场的测量变送装置送来的测量信号与设定值进行比较产生偏差，并按预先设置好的控制规律对该偏差进行预算，产生输出型号去操纵执行器，从而实现对被控制变量的控制。常见的PID 控制器形式主要有三中：（1）硬件型，通用PID 温控气；（2）软件型，使用离散形式的PID 控制算法在可编程序控制器上做PID 控制器；（3）

28、使用变频器内置PID 控制功能，相对两种来说，这种叫内置型。这三种控制器形式各具特点。（1） PID 温控器现在PID 温控器多为数字型控制器，具有位空方式、数字PID 控制方式以及模糊控制方式，有的还具有自整定功能，如富士PWX 系列温控器、欧陆800系列温控器就属此类型。此类温控器的输入输出类型都可通过设置参数来改变，考虑到抗干扰性，一般将输入输出类型都设定位420mA 电流类型。这种PID 形式的主要优点有：操作简单、功能强大、动态调节性能号，适用于选用能过的变频器性能不是很高的应用场合，同时控制器还具有传感器断线和故障自动检测功能。缺点是：PID 调节过于频繁，稳态性能稍差，布线工作量

29、多。调试注意要点：P 参数值不应太大，一般为0.51；参数和D 参数的比值大约位4：1参数的值一般位6s 16s ；由于PID 温控器的响应快，为了防止调整过程中压力波动过大，变频器的上升和下降时间应调大些，推荐30s 80s ；设定PID 温控器的显示标尺斜率，校正压力显示值；设定适当的数字滤波时间，抑制干扰的输入。（3）软件型PID这种类型可以使用PLC 指令编程编写PID 算法程序，可以充分利用PLC 的功能。优点是控制性能号，柔性好，在调节结束后，压力十分稳定，信号干扰小，调试简单，接线工作量少，可靠性高。缺点是编程工作量增加，需增加硬件成本。调试时要尽量设置短的变频器的上升时间和下降

30、时间。在编程设计中必须防止计算结果值溢出，造成控制失控，而且还要编写校正传感器零点和判断是否正常的功能程序。（3）变频器内置PID现在的大多数变频器，无论是专用型，还是通用型都内置了PID 控制功能，这对节省系统的成本很有利使用变频器的内置PID 功能，首先必须设定PID 功能有效，然后确定PID 控制器的信号输入类型，如采用有反馈信号输入，则要求有设定值信号，设定值可以是外部信号，也可以是面板设定值；如采用偏差输入信号，则无须输入设定值信号。内置型PID 优点是成本低，控制性能号，设置的参数少，接线工作量较少，抗干扰性最好。缺点是这种PID 也属软件型PID ，响应较慢，易出现超调现象；压力

31、的设置和显示不直观。调试应尽量设置短的变频器的上升时间和下降时间，使用面板设定设置值是，设定的是设置值与传感器量程的相对值，设置正确的PID 动作方向。当然。PID 控制器在实际应用中有很多类型，就水箱液位控制系统可选用的也有很多，具体选用何种型号，要看具体情况而定。34 液位变送器的选择测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用420mADC 、15VDC 、010mADC 的电流（电压）信号，或20100kPa 的气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是数字信号。下面是生产过程中常用的液位变送器：（1） 浮球式液位变送器浮球式液

32、位变送器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿测量导管上下移动。导管内装有测量元件，它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并将电子单元转换成420mA 或其它标准信号输出。该变送器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过28mA ，因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。（2） 浮简式液位变送器浮筒式液位变送器是将磁性浮球改为浮筒，它是根据阿基米德浮力原理设计的。浮筒式液位变送器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液体的液位、

33、界位或密度的。它在工作时可以通过现场按键来进行常规的设定操作。（3）静压或液位变送器该变送器利用液体静压力的测量原理工作。它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路放大和补偿电路补偿，最后以420mA 或010mA 电流方式输出。（4）电容式物位变送器电容式物位变送器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。电容式液位变送器由电容式传感器与电子模块电路组成，它以两线制420mA 恒定电流输出为基型，经过转换，可以用三线或四线方式输出，输出信号形成为15V 、05V 、010mA 等标准信

34、号。电容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。当料位上升时，因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数，所以电容量随着物料高度的变化而变化。变送器的模块电路由基准源、脉宽调制、转换、恒流放大、反馈和限流等单元组成。采用脉宽调特原理进行测量的优点是频率较低，对周围元射频干扰、稳定性好、线性好、无明显温度漂移等。（5）超声波变送器超声波变送器分为一般超声波变送器（无表头）和一体化超声波变送器两类，一体化超声波变送器较为常用。一体化超声波变更新器由表头（如LCD 显示器）和探头两部分组成，这种直接输出420mA 信号的变送器是将小型化的敏感元件（探头）和电子电路组装在一起，从而使体积

35、更小、重量更轻、价格更便宜。超声波变送器可用于液位。物位的测量和开渠、明渠等流量测量，并可用于测量距离。4 PID 控制规律41 比例控制比例控制规律是指：控制器的输出信号(指变化量 与输出信号（指偏差、当设定值）变时，偏差就是被控量测量值的变化量）之间成比例关系，即： ( (t e t u c = 比例增益c k ：某值在一定范围内可调, 在相同偏差输入 (t e 下，c k 越大，输出 (t u 也越大，比例控制作用越强，因此c k 是衡量比例作用弱的一个重要参数。 比例控制器传递函数：c C k s E s U s G =( ( ( 在阶跃偏差作用下，比例控制器响应曲线： 比例控制是最基

36、本的控制规律，其特点是控制作用简单，调整方便，且负荷变化时，克服扰动能力强，控制作用及时，过渡过程时间短，但因控制器的输出信号与偏差信号之间在任何时刻都存在之比例关系，所以过程终了时存在偏差，且负荷变化越大，余差也越大。比例控制对系统控制质量的影响比例控制的控制作用效果如何，关键问题在于选择合适的比例度，比例度时指控制器输入的变化相对值与输出的相对变化值之比的百分数，即：%100 (m in m ax m in m ax =-u u ux x e e ： 控制器的输入信号的变化量，即偏差信号。u ：控制器的输出信号的变化量，即控制命令。(min max x x -：控制器的输入信号的变化范围，

37、即量程。(min max u u -：控制器输出信号的变化范围。将比例控制器切入系统，闭环运行时其比例度对系统过渡过程的影响如图： （1） 余差：在扰动（如负荷）及设定值变化时，控制系统有余差存在。在相同的负荷变化量的扰动下，比例度越小，余差越小；在比例度相同的情况下负荷变化量越大，则余差越大。（2） 对系统稳定性的影响：有图可看出，比例度越大，过渡过程的曲线越平稳; 随着比例度的减少，系统将发散振荡程度增加，衰减比减少，稳定性变差，当减少到某一数值时，系统将发散振荡，十分危险，有时甚至造成重大事故。（3） 对系统过渡过程的影响：由图可见，随比例度的减少，振荡加剧，振荡频率提高，将被控量拉回到

38、设定值所需时间就短。一般而言，在广义对象的放大系数较小，时间常数较大，时滞较小的情况下，比例度选的小些，以提高系统灵敏度；反之，当广义对象的放大系数较大，时间常数较小，而时滞较大的情况下，必须适当增大比例度以增加系统的稳定性。（4） 对最大偏差的影响：最大偏差在两类外作用下不一样，在扰动作用下越小，最大偏差越小；在设定作用下是系统处于衰减振荡时，越小，最大偏差越大。有上述可知，只有当比例度的取值适当是，才可能取得系统呈衰减振荡、最大偏差和余差都不太大，过程稳定快，回复时间短的控制效果，在工业生产中近长期实践经验，液位控制系统大致取值范围为：%20%80、在控制器的控制规律中，比例作用是最基本、

39、最主要也是应用最普遍的控制规律，它能较为迅速地克服扰动的影响，使系统很快的确定下来，通常使用干扰幅度较小，负荷变化不大，过程时滞较小，控制要求不高，允许有余差存在的场合。在液位控制系统中，往往只要求液位稳定在一定范围内，并没有严格要求即可采用比例控制。42积分控制（I ）积分控制规律是指输出变化量 (t u 与输入变化量 (t e 积分成正比，即:dt t e k t u tI ( (0= I k :积分速度 积分控制特点：积分控制主要用于消除余差，但作用缓慢，总滞后与偏差的存在不能及时有效的克服扰动的影响，致使被控变量的动态偏差增大，控制过程拖长，甚至使系统难以稳定，因此积分控制规律在工业生

40、产上很少单独使用，都是与比例作用组合来使用的。43微分控制（D ）微分控制规律是指其输出信号的变化量 (t u 与偏差信号的变化速度成正比，即：dtt de T t u D ( (= D T ：微分时间 微分控制规律特点：微分控制作用是按偏差的变化速度进行控制的，因此它具有“超前控制”作用，其控制的结果不能消除偏差，所以控制规律不能单独使用。它常与比例或比例积分组合构成比例微分或比例积分微分控制规律，而从实际使用情况来看，比例微分控制规律使用的较少，在生产上微分往往与比例积分结合在一起使用，组成PID 控制。44比例积分控制（PI ） 比例积分控制规律是比例作用与积分作用的叠加，其数学表达式为

41、：+=t C c dt t e T t e K t u 0 (1 ( ( (t e K C ：比例项 t I C dt t e K 0 ( (: 是积分项 I T :积分时间 I I C K K = (比例积分控制是在比例控制作用的基础上引入积分作用来消除余差，故比例积分控制是使用最多、应用最广的控制规律，在反馈控制系统中，约有75%是采用PI 作用的。但是，加入积分作用后，会使系统稳定性降低；要保持系统原有的稳定性，必须加大比例度（即削弱比例作用），这又会使2质量有所下降，如最大偏差和振荡周期相应增大、过渡时间加长。对于控制通道滞后较小、负荷变化不太大、工艺、参数不允许有余差的场合（如流量或

42、压力控制），采用比例积分控制规律可获得较好的控制质量。45比例积分微分控制（PID ）理想比例积分微分控制规律PID 的表达式：+=dt t de T dt t e T t e K t u D t C ( (1 ( (01 虽然微分作用对于克服容量滞后有显著的效果，但对克服纯滞后是无能为力的。在比例作用的基础上加上微分作用能提高系统的稳定性，再加入积分作用可以消除余差。所以适当调整、I T 、D T 三个参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。由于，PID 控制规律集中了三种控制作用的优点，既能快速进行控制，有能消除偏差，还可以根据被控制变量的变化趋势超前动作，具有较好的控制性能，所以在实际应用中得到广泛应用。5 简单实例水箱液位控制系统应用很广，浮子式液位控制是其中比较简单的一种应用，浮子常用来测量液位，但是在日常生活中它却常常发挥着其他用途，用它常常可以构成简单的比例调节器，最常见的厕所水箱里面装浮子并不是用来测水位，而是用来控制水位的；在汽车的“化油器”中，用来控制油位的高低。51 液位控制在厕所中的应用为了节省水，冲厕所必须用足够多的水以足够的冲力一次冲净。为了有足够的冲力，蓄水用的水箱中的水必须有足够的水位，而控制这个水位的任务就交给了水箱中的浮子。其具体原理是：水箱里的浮子通过长柄带动进水阀门，水位低时阀门开大，当水位到达