过程控制课程设计报告贮槽液位控制系统设计

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过程控制课程设计

设计题目：贮槽液位控制系统设计

学院：电气工程学院专业：自动化

班级：091班

2023年6月4日

小组成员：

序号学号16090210013817090210014018090210014119090210014220090210014721090210014822090210014923090210020224090210020325090210020426090210020627090210020828090210020929090210021330

0902100216

姓名

姚航程韦寿德张印邓世杰

杨奉志钟昌帅李晓明张凯强农志兴袁剑波李季黄灵浩谭雷吴高阳潘敏

设计分工

总方案的确定及原理、控制参数的整定、simulink仿真测量变送器的选型、控制参数的整定、查阅资料测量变送器的选型、控制参数的整定调理阀的选型、水箱的建模

总方案的确定及原理、控制参数的整定、simulink仿真simulink仿真、调理阀的选型

控制器的选型、控制参数的整定、设计总结、整理报告

simulink仿真、水箱的建模、查阅资料调理阀的选型、水箱的建模控制器的选型、查阅资料调理阀的选型、控制器的选型

测量变送器的选型、水箱的建模、查阅资料调理阀的选型、水箱的建模

控制参数的整定、水箱的建模、查阅资料调理阀的选型、测量变送器的选型

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目录

一、设计目的·············································4二、设计任务及要求·······································4三、工艺过程及要求·······································5四、系统总体方案的选择及说明·····························6五、系统结构框图与工作原理·······························71.系统结构框图···········································72.工作原理···············································83.水箱建模···············································8六、各单元软硬件·········································101.控制对象···············································102.控制器·················································103.调理阀·················································114.差压变送器·············································12七、参数的整定及仿真结果·································131.经验法（现场试验整定法）································132.常见被控量的PID参数选择范围···························133.控制器各校正环节的作用·································134.仿真结果···············································14八、分析总结·············································16设备清单·················································17四、系统总体方案的选择及说明

随着工业生产的迅速发展，工艺条件越来越繁杂。对过程控制的要求越来越高。过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。由于工业过程的繁杂、多变，因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等。为了满足上述特点与工艺要求，过程控制中的控制方法是十分丰富的。寻常有单变量控制系统，也有多变量控制系统，有繁杂控制系统，也有满足特定要求控制系统。

在工业生产过程中，液体贮槽设备如进料罐、成品罐、中间缓冲容器、水箱等应用十分普遍，为保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡，因此工艺要求贮槽内的液位需维持在某个给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出，要求设计一个液位控制系统。

对分析设计的要求，生产工艺比较简单要求并不高，所以采用单回路控制系统进行设计。单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控系统、一个检测元件及变送器、一个调理器和一个执行器所构成的闭合系统。单回路控制系统是最简单、最基本、最成熟的一种控制方式。单回路控制系统根据被控量的系统、液位单回路控制系统等。

单回路控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少，操作维护也比较便利，因此在化工自动化中使用很普遍，这类系统占控制回路的绝大多数。单回路控制系统虽然简单，但它的分析、设计方法是其它各种繁杂过程控制系统分析、设计的基础。对单回路控制系统进行分析，设计，调试处理的方法，理解单回路控制系统对各个环节的影响，就可以分析处理好更繁杂的设计问题。这里选择的是液位单回路控制系统。单回路控制系统方框图的一般形式如下：X(S)

Z(S)_F(S)Y(S)WC(S)WV(S)WO(S)Wm(S)WC(S)——控制器的传递函数WV(S)——调理阀的传递函数

WO(S)——被控过程的传递函数Wm(S)——测量变送器的传递函数

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五、系统结构框图与工作原理

1.系统结构框图：

f(t)设定值e液位控制器u执行阀q1液位过程实际液位检测变送器

执行阀设定值液位检测变送器液位控制器

过程控制系统，简单的说，就是采用计算机来实现的过程工业控制（含管理）系统。从控制系统引入计算机，可以充分利用计算机的运算、规律判断和记忆等功能完成多种控制任务实现繁杂东芝规律。由于计算机只能处理数字信号，因此给定值和反馈要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。但计算机接受了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进行运算（如PID运算），计算结果（数字信号）在经过D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。

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2.工作原理

单回路过程控制系统亦称单回路调理系统，一般是指正对一个被控过程

（调理对象），采用一个检测变松器检测被测过程，采用一个控制（调理器）来保持参数恒定（或在很小范围变化），其输出也只控制一个执行机构（调理阀）。从系统的款图看，只有一个闭环回路。单回路过程控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，特别适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。

单回路过程控制系统虽然简单，但它的分析、设计方法是其它各种繁杂过程控制系统分析、设计的基础。因此，学习和把握单回路系统的工程设计方法是十分重要的。

3.水箱建模

这里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，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有

Q1?Q2?C将式（2-1）表示为增量形式

?Q1??Q2?Cd?h（2-2）dtdh（2-1）dt式中，?Q1、?Q2、?h——分别为偏离某一平衡状态Q10、Q20、h0的增量；C——水箱底面积。

在静态时，Q1=Q2；dhdt=0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，阀V2处的静压也随之变化，Q2也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流状况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为

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?Q1与?h成正比，而与阀V2的阻力R2成反比，即

?Q2??h?h或R2?（2-3）R2?Q2式中，R2为阀V2的阻力，称为液阻。将式（2-3）代入式（2-2）可得

R2Cd?h??h?R2?Q1（2-4）dt在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

G0(s)?R2H(s)K（2-5）??Q1(s)R2Cs?1Ts?1式中，T=R2C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数。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??(2-6)

s(Ts?1)ss?1/T1?tT即h(t)?KR0(1?e)（2-7）

当t??时，h(?)?KR0因而有K?当t=T时，则有

h(T)?KR0(1?e?1)?0.632KR0?0.632h(?)（2-9）

式（2-7）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（2-9）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。

h(?)输出稳态值（2-8）?R0阶跃输入9

h2(t)h2()000.63h2()000

Tt图2-2阶跃响应曲线

六、各单元软硬件

1.控制对象

控制对象为一个水箱，水箱液位高度决定于入水量、出水量、水箱形状等因素。试验选用PI算法将水箱液位控制在指定位置。水箱装有液位传感器，并选用水箱中的液位高度为控制变量。管路任一个手动阀都可以作为干扰源，用以产生干扰信号，整个被控对象组成了一个控制系统。

2.控制器

模拟式控制器DDZ-Ⅲ型

DDZ-Ⅲ型电动单元控制器是一种常用的模拟式控制器，以来自变送器的标准1-5V直流信号作输入，与1-5V直流设定值比较得到偏差，进行PID运算后输出1-5V或4-20mA信号。其特点如下：

①采用高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高了仪表的精度、稳定性和可靠性，降低了功耗。

②整套仪表可以构成安全火花防爆系统，且增加了安全单元－安全栅，实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离。

③有软、硬两种手动操作方式，软手动和自动之间相互切换具有双向无平衡无扰动特性，提高了控制器的操作性能。由于在自动与软手动之间有保持状态，此时控制器输出可保持长期不变，即使有偏差存在，也能实现无扰切换。

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④采用国际标准信号制，现场传输信号为4～20mA直流电流，控制室联络信号为1～5V直流电压，信号电流和电压的转换电阻为250Ω。由于电气零点不是从零开始，因此简单识别断电、断线等故障。信号传输采用电流传送-电压接受的并联方式，即进出控制室的传输信号为直流电流信号（4～20mA），将此电流信号转换成直流电压信号后，以并联形式传输给控制室各仪表。DDZ-Ⅲ型控制器传递函数为：

U(s)1G(s)??KP(1??TDs)

E(s)TIs3.调理阀

气动调理阀：结构简单，可靠，维护便利，防火防爆。薄膜式：由于不需要大口径、高压降，一般状况选用薄膜式。直通单座阀：由于这是小口径、低压差的场合。

气开式：无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式，由于考虑到控制信号中断后，为防止水满溢出水箱，所以选择气开式。

选用ZJHP系列ZHB-22型气动气开式薄膜直通单座调理阀

此调理阀是上海好施阀门有限公司生产的，由多弹簧气动薄膜执行机构和顶导向式直通低流阻单座阀组成。具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、流体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性确切，配用电-气阀门定位或气动阀门定位器，可实现对工艺管路流体介质的自动调理控制，广泛应用于确切控气体、液体、蒸汽等介质的工艺参数如压力、流量、温度、液位等参数保持在给定值。是符合IEC标准的新一代通用调理阀产品。结构特点:

1．ZJHP型气动单座调理阀是自动化控制系统中仪表的执行单元，采用电-气阀门定位器，以电信号和压缩空气为动力，接受控制系统输入的0-10mADC或4-20mADC电流信号，由调理器将压缩空气，转换成气源压力信号输入输出，可实现分程控制（段幅信号），从而改变阀门开度位移，达到对流体介质的工艺参数确切调理控制

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2.直通低流阻单座为无底盖顶导向结构，它只有一个阀座和一个柱塞形阀芯具有密闭性能好、泄漏量小、动作灵敏、流体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性确切、可调比大，阀芯导向部分的导向面积大，具有抗振性能强等特点，适用于对介质泄漏量及调理精度有严格要求的场合，但由于阀结构上的原因，阀杆上的不平衡力较大，特别在公称通径大的工况下更为明显，因而该阀只适合于工作压差较小的场合。

3．通过改变阀芯形状的设计，不同的阀芯形状会得到不同流量特性：等百分比（对数）性、直线性、快开特性。

传递函数：调理阀：Wc

(s)?Kc4.差压变送器

选用罗斯蒙特3051C差压变送器，其主要参数如下:总体性能：±0.15%精度：±0.075%

差压：校验量程从0.5inH2O至2000psi表压：校验量程从2.5inH2O至2000psi绝对压力：校验量程从0.167psia至4000psia

过程隔离膜片：不锈钢，哈氏合金C，蒙乃尔，钽（仅限CD，CG）及镀金蒙乃尔设计小巧、稳固而质轻，易于安装

特点：罗斯蒙特3051压力变送器具有无可比较的操作性能、灵活的CoPlanarTM平台，而且可以升级。新型罗斯蒙特3051C压力变送器的性能指标保证了在不同工况下的精度和稳定性。

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七、参数的整定及仿真结果

1.经验法（现场试验整定法）

依照先比例、后积分、再微分的顺序进行整定

①TI=∞，TD=0，δ由大到小调理，使过渡过程达到4:1，且静差较小，若能满足要求，则用比例控制。

②若静差不能满足要求，则需要加积分环节。比例度δ增加10-20%，由大到小调理积分时间TI，在保持动态特性的基础上，减小或者消除误差。③若动态特性不能满足要求，由大到小调理TD，同时适当调理TI、δ。（满足要求的参数不是唯一的，某个参数的减小可以用其它参数的增大来补偿）

2.常见被控量的PID参数选择范围：

系统温度流量压力液位参数δ(%)20～6040～10030～7020～80TI(min)3～100.1～10.4～3TD(min)0.5～3

3.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，提高系统的调理精度。KP越大，系统的响应速度越快，系统的调理精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。

KP取值过小，则会降低调理精度，使响应速度缓慢，从而延长调理时间，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。系统的静态误差消除越快，TI越小，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，影响系统的调理精度。

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

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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