双容液位单回路控制系统课程设计

目录TOC\o"1-5"\h\z1 引言 22系统变量的确定 23控制方案的确定 24被控对象的特性 35调节器控制规律的确定 5PID调节原理 5PID调节器的参数整定 6各个环节传递函数及各个参数的确定 6整定过程 76仪表的选型 106.1调节器的选用 10执行器的选择 116.3液位变送器 127总结 14一引言在一般的化工实验和生产过程的自动控制中，常要进行液位的控制。根据工艺要求需要连续控制容器内流入和流出物料的平衡情况，使液位保持在工艺要求的范围内。本题目选用双容水箱作为控制对象，控制方案采用单回路控制，单回路控制系统又被称为简单控制系统，它是由一个被控对象、一个检测元件及传感器（或变送器）、一个调节器和一个执行器所构成的闭环控制系统双容水箱液位控制系统的控制对象图如下：图1.1二系统变量的确定在定性地确定目标后，通常需要用工业过程的被控变量来定量的表示控制目标，被控变量也是工业过程的输出变量，根据被控变量的选用原则，这里选择水箱2的液位高度H2作为被控变量。工业过程的输入变量有两类：控制（或操作）变量和扰动变量。在生产过程中，干扰是客观存在的他是影响系统平稳操作的因素，而操作变量是克服干扰的影响，是控制系统重新稳定运行的因素。因此，正确选择操作变量可是控制系统有效克服干扰的影响。本题中选择水箱1的入水管流量Q1为操纵变量三控制方案的确定本题选用单回路控制，单回路控制系统又称简单控制系统，它的结构简单，易于分析设计，并且能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产过程中得到了广泛的应用。系统方框图如下：扰劫、绘宅— 1 —S调节器f电动阀—►上小水箱—►下小水箱丁_ 图3.1四被控对象的特性输入变量q1,输出变量q2时,双容对象的动态特性描述如下:根据物料平衡关系对水箱1：q-q=A虬,q=上两式经拉氏变换得1 2 1dt2R2Q(s)-Q(s)=AsH(s),Q(s)=Hi(()1 2 1 1 2 R2对水箱2:经拉氏变换得q-q=A丝，q=匕经拉氏变换得2 3 2dt3R3Q(s)-Q(s)=AsH(s),Q(s)=H^2 3 2 2 3 R2由(1)、(2)两式得此双容对象的动态特性:H2(s)=KQ1(s) (T1s+1)(T2s+1)式中：A1,A2 两液槽的容量系数R,R 阀2,3的阻力系数T=A1R2 水箱2的时间常数T=AR 水箱3的时间常数

双容对象的比例放大系数K=R3双容对象的比例放大系数若双容对象调节阀1开度所引起的流入量还存在纯延迟，则其传递函数可推导为：H2(s)二K tQ1(s) (T1s+1)(T2s+1)'如图1所示，被控对象是由两个水箱串联连接，由于有两个储水的容积，故称其为双容对象。被调量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2所示。由图2可见，上水箱的响应曲线为一单调的指数函数，下水箱液位的响应曲线呈S形状。显然，多了一个水箱，液位响应就更加滞后。由S型曲线的拐点P处做一切线，它与时间轴的交点为A，OA则表示了对象响应的滞后时间，双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。在图4.1所示的阶跃响应曲线上求取：h(t)=0.4h(s)时曲线上的占B和对应的时间L-2 1 2 1,h(t)=0.8h(s)时曲线上的占C和对应的时间t22 2 2然后，利用下面的近似公式计算式Kh(s)输入稳态量=R°—阶跃输入量t+t2.16TT t———一=(1.74—-0.55) 0.32<t/1<0.46(T+T)2 12 12由上述两式中即可求出T和由上述两式中即可求出T和T，从而最终确定双容对象的传递特性。图4.1上下水箱阶跃响应特性曲线五调节器控制规律的确定本设计采用工业设计中最常用的调节器控制规律即比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。5.1PID调节原理图5.1PID控制基本原理图PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏差：e(t)=r(t)-y(t)。PID控制规律为：U(t)=Kp[e(t)+—je(t)+Td^^]Ti dt0或以传递函数形式表示:w（s）=四里=kp（1+—+Tds）E（s） Tis式中，KP:比例系数TI:积分时间常数TD:微分时间常数PID控制器各控制规律的作用如下：比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（2） 积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3） 微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，在这里采用比例积分控制，其中比例环节可以显著改善系统性能，积分环节可以消除系统余差。特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性。具体确定过程见参数整定。5.2PID调节器的参数整定（1）各个环节传递函数及各个参数的确定双容液位对象:水箱1的时间常数T1=5min水箱2的时间常数t2=10min双容液位对象的比例放大系数K=0.5调节阀近似为比例环节，比例系数K=2

测量变送环节同样近似为比例系数为1的比例环节(2)整定过程控制方框图：图5.1只考虑比例控制，令比例放大系数K=5,t=s，Td=0图5.2

由图中可以看出，系统响应曲线为衰减振荡曲线，响应的超调量有些大.减小比例系数放大，令比例放大系数K=1,t=s，Td=Q图5.3由图中可以看出系统响应曲线振荡减弱，超调量减小.但是相应系统余差在增大，因此有必要引入积分控制以消除余差.令比例放大系数K=1,t=0.08,T=0

图5.4引入积分环节后，系统余差被消除,超调量很小。令比例放大系数K=1,t=0.08,T=1,系统动态响应如下:

图5.55.3综上所述，系统控制规律采用比例积分控制可以得到较为优良的系统动态响应特性。增加微分环节后系统特性改善不明显，微分时间选择不当还会造成系统的振荡。因此调节规律采用比例积分控制。六仪表的选型6.1调节器的选用调节器选择SZD-B型单冲量液位调节仪，这种液位调节仪为P1连续给水调节装置，主要适用于1〜35Th/,压力＜2.5Mpa的各种锅炉锅筒水位自动调节。图6.1主要技术参数1、 适用介质：非腐蚀性液体比重＞0.82、 工作压力：传感器＜2.5Mpa3、 使用温度：传感器＜250^仪表0〜50°C4、 电源电压：AC220V±10%,50Hz±2%5、 液位显示范围：-50〜+50mm或±50mm（可调）6、 蒸汽流量输入信号：0〜10mA或4〜20mA7、 阀位反馈信号：0〜10mA或4〜20mA（DKZ310或DKJ310）电位器（ZAZ执行器）8、 液位输出信号：0〜10mA（对应液位-50〜+50mm或0〜100mm）负载＜1.5KQ（对应信号0〜10mA）9、 报警触点输出：〜220V,5A开关阀触点输出：〜220V,5A10、 传感器法兰中心距：300±2,350±2,400±2,440±2mm（选用规格）11、 调节阀通径：Dg16,Dg20,Dg32,Dg40（选用规格）6.2执行器的选择本题目系统中执行器为电动调节阀，在这里选用FNZDLP智能型电子式精小型调节阀，他接受来自调节仪表及计算机等单元的电信号或操作单元的手动信号，并根据此信号的大小来自动控制阀的开度，从而达到对温度、压力、液位、流量等参数的调节。智能型电子式精小型调节阀由3810L系列智能型电子式电动执行器通过支架与单座、套筒调节阀连接在一起组成。当输入端无信号时，执行器稳定在预选的零位，调节阀处于全开或全闭的位置，执行器的输出轴通过开和螺母与调节阀的阀杆相连，当输入端有信号时输出轴即通过输入信号按一定比例处在一定的位置，调节阀即处于所需开度，从而达到了调节和控制的目的。智能型电子式精小型调节阀分为电开式和电闭式两种，通过选择电子式电动执行器的正、反作用开关来实现电开式和电闭式调节。表6.1I、FNZOIpLh智能些回.子式电动精小型调七调的规格和主要技术参数I见表I)表I公称通径仍 20 25 40 50 65 ㈱ 100150 200直技1S2.54,46S11 17.527.5 44 59HO176额定流2753W544等百呈系数 162.5 4 63 10 18 254a53IQQ160分比2503W434额定行程rim IB 25 4060公称压力PH 16、4口、64同有流童恃惜 直践、等百分比固有可婿比 50f1询入信号mA DC4-20mA或DC1-5V相对湿度 95制以'下电源压力 AC220V50He州诗环境温度T -10-+60介质温度匚 -20-+200.-40-+250.-40-+^50.-60—-M502FN2DLP 智睡电子式回动精小型调节阀的主要性在参数(见表”表？基本误差 ±2.5%TOC\o"1-5"\h\z回 羞 10',死 区 3.0'单座阀，1UF阀的额定容量'俯* 套筒阀：1丁％祠的额定容最额定行程偏差 实调行程孑颠定行程^定流量系救偏差 ±10好固有流景特性 斜率士跚％6.3液位变送器变送器选择1151/3051LT法兰式液位变送器，该产品具有设计原理先进、品种规格齐全、安装使用简便等特点。由于该机型外观上完全融合了目前国内最为流行，并被广泛使用的两种变送器（罗斯蒙特3051与横河EJA）的结构优点，让使用者有耳目一新的感觉，同时与传统的系列产品在安装上可直接替换，有很强的通用性和替代能力。为适合国内自动化水平的不断提高和发展，该系列产品除设计小巧精致外，更推出具有HART现场总线协议的智能化功能。1151/3051LT型法兰式液位变送器，可对各种容器进行精确的液位和密度测量，有平法兰和插入式法兰供选择，法兰有3英寸或4英寸，规格有1501b和3001b的法兰，也可根据用户定制法兰，法兰膜片材料可选。图6.2智能型特点：•超级的测量性能，用于压力、差压、液位、流量测量•数字精度：+（-）0.05%•模拟精度:+（-）0.75%+（-）0.1%F.S•全性能：+（-）0.25F.S•稳定性：0.25%60个月•量程比：100：1•测量速率：0.2S•小型化（2.4kg）全不锈钢法兰，易于安装•过程连接与其它产品兼容，实现最佳测量•世界上唯一采用H合金护套的传感器（专利技术），实现了优良的冷、热稳定性•采用16位计算机的智能变送器•标准4-20mA，带有基于HART协议的数字信号，远程操控•支持向现场总线与基于现场控制的技术的升级。测量范围差压：0~1.3-1MPa选型方式：表6.21151/3051LT法兰式液位变送器代码量程范围30-1.3〜7.5KPa40-4-40KPa50-40〜200KPa60-0.16KPa〜1MPa7总结为期两周的课程设计结束了，这次的课程设计让我收获很多。我对《过程装备控制技术及应用》这门课程知识零散的理解，通过这次的课程设计，我对这门课程的认识有了质的变化，以前感觉只是对每个知识点单独的学习，通过这次课程设计，我把整本书上下内容联系了起来。这次课程设计对我们的能力要求有了进一步的提高，老师