自动控制课程设计--三容水箱液位控制系统设计

自动控制课程设计——三容水箱液位控制系统设计指导老师李斌专业电气工程与自动化姓名周欢学号6312240603322014年12月目录TOC\o"1-4"\h\z\u1问题描述 12建立模型 22.1被控量的选择 22.2操控量的选择 22.3模型的选择 32.3.1单容水箱数学模型 32.3.2双容水箱的数学模型 52.3.3三容水箱的数学模型 63算法描述 73.1算法选择 73.2控制器设计 73.2.1PID调节器 7PID调节器参数初值 9PI调节器 9PID调节器 133.2.2串级反馈调节 134参考文献 19 三容水箱液位控制系统的设计1PAGE1PAGE191问题描述本次设计以软饮料中的植物蛋白饮料的生产为背景进行设计。植物蛋白饮料的生产工艺流程图如图1所示。生产过程大致为：原料选取浸泡磨浆过滤调配一次均质二次均质封装杀菌成品。其中过滤、调配、均质均可以在物料罐中进行。其中过滤，调配，均质等均可在物料罐中进行。在过滤环节将植物如大豆浸泡去皮后加入适量水研磨成浆体，经离心过滤机过滤分离，除去残余的豆渣和杂质等。调配环节将过滤后的浆体先加水稀释，然后按比例加配料。均质环节将调配后的浆体经均质机均质，使浆体进一步破碎，更加细腻。在生产过程中，可以将这三个环节看为一个三容水箱模型来进行相应的控制。图1植物蛋白饮料生产流程图现代生产过程中将检测技术，自动控制理论，通信技术和计算机技术结合在一起组成一套完整的过程控制系统，三容水箱模型简化图如图2所示。图2三容水箱模型图1、物料从上级进料口进入过滤罐；2、三个物料罐从上至下分别为过滤罐，调配罐和均质罐，三个罐大小相同，底面积均为5，高均为6；3、罐的出口均在罐体侧面底部且出料口直径均为；4、进料口的压强为定值，即只要控制V1的开度即可控制流进三容箱系统的物料量，有如下关系：；其中为进料口流入的物料量，为比例系数，u为阀门的开度。现要设计控制系统控制物料罐F3内液位高度保持与设定值一致，对物料灌F1和物料灌F2中的液位高度无特殊要求，可将泵保持为全开状态。控制系统参数如下：三个水箱的截面积：；三个水箱的最大深度：；三个水箱的初始液位：；三个水箱从高到低依次安置，上一级出水口在下一级进水口上方所有管道直径：，管道长度对控制的延时影响忽略不计；液位变送器采用BTY-G系列光纤液位变送器，测量范围：，输出：，环境温度：；调节阀采用ZRQM系列智能型电动调节阀，输入信号：，输出行程：，环境温度：,=0.012，线性阀阻R=0.01229。2建立模型2.1被控量的选择被控量的选择是控制系统的方案设计中必须首先解决的重要内容，他的选择对稳定生产，提高产品的产量和质量，节料节能，改善劳动条件，以及保护环境都有决定性的意义。而被控量的选择要求设计人员必须根据工艺操作的要求，找出那些对产品的产量和质量、安全生产、经济运行、环境保护等具有决定性作用，能很好地反映工艺生产状态变化的参数。在植物蛋白饮料的生产过程中，控制要求就是使产品达到一定的浓度，充分发挥产品的营养作用。因而在物料罐内均质后的物料浓度最能反映生产过程的要求，把它作为被控量最好。但是由于，目前对于成分的检测还存在不少问题，例如，介质本身的物理、化学性质及使用条件的限制，使准确检测还有困难，取样周期也长，这样往往满足不了自动控制的要求，故本次设计采用物料罐内物料的液位这个间接参数作为被控量。2.2操控量的选择由于本次设计选用物料罐内物料液位作为被控量，故在整个液位控制系统中最适合作为操纵量的便是物料的流速。它可以直接对均质物料罐内物料的液位进行控制，同时由于两两相连的物料罐之间的管道长度有限，对生产的延时影响忽略不计。故本次设计选用物料的流量作为操纵量。2.3模型的选择2.3.1单容水箱数学模型图4所示的就是单容水箱的结构图，图中不断有液体流入水箱，同时也有液体不断由水箱流出。被控参数为水箱水位h1，流入量Qin由改变阀V1的开度u加以控制流出量Q1则由用户根据需要改变阀2开度来改变。图4单容水箱结构图先分析控制阀开度u与液位h1的数学关系。设初始时刻t=0时，单容水箱系统处于平衡状态，即有：Q01=Q0inh1=h0t=0时刻控制阀开度阶跃增大，流入量Qin阶跃增大即∆Qin=ku∆u这就使Q0in>Q01，液位h1开始上升。随着h1上升，阀V2两侧差压变大，流出量Q1也增大，这样在不断的调节下，当Q在dt时间内，液体体积变化量为ddv=Qin-Q1d化简为：A1dhdt=再改写为增量形式：A1∆h=∆Qin液位h1变化时，设流出单容水箱的液体的质量为m，流出单容水箱的液体流速为v，则有mgh=12mv可得流出单容水箱的液体流速为：v=2gh（2则流出口的液体流速为：Q1=A1v=A其中 k=A12g这是一个非线性关系，在小偏差条件下可线性化为：∆Q1=1R其中R1=2将∆Qin=k可得A1∆h=k∆u-1R取拉普拉斯变换得到单容水箱控制通道的传递函数，即W0s=H(s)u(s)其中T0=A图5单容水箱液位控制框图2.3.2双容水箱的数学模型双容水箱机构图如图6所示，两只串联工作的水箱的流入量Qin由控制阀V1的开度u加以控制，流出量Q2由用户根据需求改变控制阀3的开度而决定。图6双容水箱结构图参考单容水箱的数学模型，根据守恒定律可列出下列方程：∆Qin∆Q1=1RA1∆h1A2∆h2∆Q2=1R2其中，A1，A2为两个水箱的截面积,、为流阻，∆u，∆Q1，∆Q2，W1s=H2(s)其中T1=R1A1A2s1R1A1sKu11Ku--11Q3(s)图7双容水箱液位控制框图2.3.3三容水箱的数学模型三容水箱的结构图如图3所示，h3为第三个水箱的液位高度。在双容水箱的控制方框图的基础上可以推导出三容水箱的控制方框图，如图8所示。H31R1A1s1R2A2H3111Kuu(s)+++Ku----11图8三容水箱液位控制框图与单容水箱液位控制框图对比可以清晰地看出第二级水箱加入到控制系统中，只是在第一级水箱的液位输出端加入液位与流出流量的传递函数，然后串接第二级的液位控制的传递函数即可。得到模型后，利用上述参数计算，可得到如图9的三容水箱控制系统的具体过程传递函数的框图图9三容水箱过程传递函数的框图以上就是三容水箱数学模型的建立。3算法描述3.1算法选择在过程控制中，液位控制一般采用P调节足够。但是，在本次设计中，三个水箱（三个一阶惯性环节）依次串联，构成三阶系统，如果仅使用P调节，存在动态响应速度慢、有稳态误差，因而不满足题设中对进行精确控制的要求。为消除稳态误差，要采用PI调节，兼顾响应时间，因此算法选择PID。另外，还有一个必须注意的地方：在对进行控制的同时，、也要得到有效的调节。尤其是容器都有高度限制，因此，、的动态响应不能有过大的超调量，否则，液体会溢出容器，严重影响实际生产过程，更达不到对调节效果。为了对、进行有效控制，本次设计将尝试采用多回路串级调节。其中，内环调节的目的是控制、响应更快，超调量更小，从而使提高对的控制效果。因此，我们的控制方案是串级控制：对于控制精度要求不高的内环，采用P调节或超前校正以提高响应速度；对于品质要求高的外环，采用PID或者PI调节，消除静差，减小调节时间。3.2控制器设计利用MATLAB的Simulink对三容水箱的模型进行仿真，如图9分析阶跃响应特性。单位阶跃输入作用下，三个水箱液位变化如下图：图10阶跃响应曲线图11阶跃响应曲线图12阶跃响应曲线从图中可以看出，、、的响应时间依次增加，分别为2000s、3000s、3500s左右。但是、、稳态误差基本相等，对于单位阶跃而言，ess≈0.02。可见三容水箱具有由于三个惯性环节串联，响应速度慢，有稳态误差但无超调。并不符合实际生产的要求。3.2.1PID调节器PID调节器参数初值用Ziegler-Nichols法设计PID调节器参数初值，利用matlab仿真平台编写程序如下，绘制根轨迹图：G1=tf([0.012],[5*81.351]);G2=tf([1],[5*81.351]);G3=tf([81.35],[5*81.351]);G=G1*G2*G3;rlocus(G)holdon图17三容水箱模型根轨迹图根据三容水箱模型的根轨迹图可知临界增益，临界频率.所以。PI调节器在过程控制中，通常只需要在设定液位的某个范围内保持液位恒定就可以了。流速并不是一个值得很关心的因素。在过程中，它自身就有一个积分行为。而且，如果流动速率被当做操控变量，那么控制器的设定必须要限制流动速率以避免突然的溢出。因此简单的P调节控制器通常就适用了。但是由于本次设计中，对于的控制要求精确，故采用PI调节来达到实际生产目的。根据Ziegler-Nicholsultimatemethod可知(3-1)(3-2)故控制器的传递函数为：(3-3)其仿真框图如图18所示：图18PI调节的仿真框图图19PI调节的响应曲线图20PI调节的响应曲线图21PI调节的响应曲线从图19、20、21中可以得到，响应时间太长，完全不符合实际生产的要求，、超调也很大，分别为70%和30%。效果不如不加控制器的好。PID调节器本次设计采用无超调量这种情况，即(3-4)(3-5)(3-6)在实际生产过程中(3-8)其中为系数，取值范围为，本次设计中，取，则(3-9)其仿真框图如图22所示：图22PID调节的仿真框图得到其阶跃响应曲线如下所示：图23PID调节H1的响应曲线图24PID调节H2的响应曲线图25PID调节H3的响应曲线从图中看到，虽然实现了无静差控制，但响应时间比较长，、、的响应时间分别为3000s、2750s、2900s。超调量分别为15%、18%、5%。相对于单回路控制而言，明显提高了动态响应过程，使得系统性能有了较大的改善，控制效果相对理想。3.2.2串级反馈调节为提高的响应速度，采用串级控制方法，由于对、的调节品质没有很高要求，因此，使用具有“粗调”作用的副控制器调节、，具有“细调”作用的主控制器调节要求较高的。利用内环调节、，使得、调节时间更短，从而间接提高的响应品质。串级调节器的设计方法使用两步法：先整定内环，在整定外环。1、加一级水箱的液位的负反馈由于对、的调节品质没有很高要求，允许有余差，故内环调节可以使用P调节，而液位是生产过程中的重要指标，要求很高，故在外环调节仍使用PID调节，但由于在单回路中PID调节的动态调节不满意，故在串级调节中适当增加，即，则。在本次设计中，内环比例调节的增加比例系数。图27串级控制的仿真框图图28串级控制的H1响应曲线图29串级控制的H2响应曲线图30串级控制的H3响应曲线由仿真结果可知，、、的响应时间得到明显的改善，分别为1000s、1500s、1750s。虽然的动态响应过程不理想，超调过大，但是在实际生产过程中并不会溢出物料罐，同时的超调减少了，而响应时间有了很大的改善。说明串级控制作用很理想。2、加二级水箱的液位的负反馈进行进一步的调节，加入二级水箱的液位负反馈。内环使用p调节，比例度增加K=0.6；外环使用PI调节，，则PI传递函数为。图31串级控制加入二级水箱液位的负反馈仿真框图单位阶跃响应如下图：图32二级负反馈的H1响应曲线图33二级负反馈的H2响应曲线图34二级负反馈的H3响应曲线从图中可以得知虽然、、的超调量有明显的改善，但是响应时间并没有很大的改变。由于实际生产过程中对相应时间的要求比较高，故这种控制方法效果并不理想。2、加三级水箱的液位的负反馈加上三级负反馈，其中外环使用PI调节；第一层内环使用超前校正；第二层内环使用P调节，比例度0.1338。仿真框图如图35所示。图35串级控制加入三级负反馈仿真框图阶跃响应曲线如图36、37、38：图36三级负反馈的H1响应曲线图37三级负反馈的H2响应曲线图38三级负反馈的H3响应曲线从上图可以得知、、的超调量分别为5%、40%、15%，响应时间没有很大的改善，分别为2000s、2000s、2750s。但是对于实际生产过程也已经可以满足要求了。综上所述，根据各种控制方法的仿真结果可以得知，加一级水箱的液位的负反馈的串级控制效果最为显著，控制最为理想。由于实际生产过程中对、的要求并不高，所以本次设计最终价采用这种方法进行三容水箱的控制。4参考文献【1】PaoC.Chau.ProcessControl.[M].Cambridge【2】林德杰.过程控制仪表及控制系统.[M].北京.机械工业出版社.2004【3】姜捷，郑莹等.控制系统分析、设计和应用.[M].北京.化学工业出版社.2004【4】何离庆，朱文嘉等.过程控制系统和装置.[M].重庆.重庆大学出版社.2003基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计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