单容液位控制

1、自动化仪表与过程控制课程设计任务书课程设计题目单容敞口槽液位控制系统设计及仿真研究学院专业年级已知参数和设计要求：某生产过程中有一圆柱形敞口储液槽，截面直径为13m,高为28m，生产运行过程中额定出口流量为36m3/min。由恒压母管供给液料，采用调节阀控制供给液料的流量。设计液位控制系统，要求如下：1、液位稳定在储液槽高的90%数值上；2、在出口流量变化幅度为额定值的20%时，液位波动不超过稳定值的5%；3、生产过程中液料不能溢出，液位不能低于储液槽高的20%。学生应完成的工作：1、查阅相关文献资料，对工艺过程进行详细描述，画出控制工艺流程图，建立控制对象的数学模型；2、通过分析比较，选择设

2、计控制系统方案，确定被控制量和控制量，对系统扰动进行分析,提出解决办法，画出控制系统结构框图；3、选择变送器，调节器，调节阀等检测控制仪表的型号，编写控制设备清单；4、根据对象特性和控制要求设计控制算法；5、对控制系统进行仿真研究，验证设计的正确性，通过仿真对设计参数进行调整，以满足指标要求6、对设计过程进行总结，写出详细的设计说明书。目前资料收集情况（含指定参考资料）：1、过程控制系统设计资料2、过程控制系统工程设计黄正慧等3、过程控制工程手册周春辉等4、自动化仪表手册自动化仪表手册编写组5、石油化工自动控制设计手册石油化工自动控制设计手册编写组课程设计的工作计划：TOC o 1-5 h z

3、1、下达任务，安排分组0.5天2、查阅资料，熟悉过程控制系统设计过程3天3、熟悉控制对象工艺要求，建立动态模型1天4、控制系统方案选型论证，绘制系统结构图3天5、过程控制仪表选型，列出设备表2天6、设计控制系统控制参数2天7、控制系统仿真研究，对控制参数进行修正2天8、编写设计说明书1.5天完成日期年月任务下达日期年月日日指导教师（签名）学生（签名） 目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第一节过程控制仪表课程设计的简述和目的3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 过程控制

4、的简述3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 课程设计的目的3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第二章单容水箱液位控制系统建模4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 液位控制的实现4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 被控对象4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 水箱建模4 HYPERLINK l bookmark18 o Current Docume

5、nt 第三章相关参数要求和检测仪表型号的选择7 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 参数要求7 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 仪表型号的选择7 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 第四章液位控制系统中PID算法控制8PID原理8 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 第五章总体设计方案10 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 设计思想及说明10 HYPE

6、RLINK l bookmark32 o Current Document 总体设计流程图10 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 第六章软件设计12 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 软件设计流程图及其说明12 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第七章总结和体会14 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 参考文献15第一节过程控制仪表课程设计的简述和目的1.1过程控制的简述过程控制是自动技术的重要应用

7、领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。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性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。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到工厂的生产成本

8、、经济效益甚至设备的安全系数。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。在本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点，建立了基于VisualBasic语言的PID液位控制模拟界面和算法程序。虽然PID控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。但是，要想取得良好的控制效果，必须合理的整定PID的控制参数，使之具有合理的数值1.2课程设计目的本课程设计是为过程控制仪表课程而开设的综合实践教学环节，是对现代检测技术、自动控制理论、过程控制仪表、计算机控制技术等前期课

9、堂学习内容的综合应用。其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。课程设计的主要任务是设计工业生产过程经常遇到的液位（压力、流量或温度）控制系统，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。本次课程设计，我个人选题为水箱液位控制系统。通过课程设计，可以使我们针对典型的工业控制对象，实现水箱液位的串级控制。从而使我们了解水箱液位串级控制系统组成原理，加深对串级控制这一复杂控制方法的理解，初步掌握工业控制系统的设计和实现方法，掌握水箱液位串级控制系统调节器参数

10、的整定与投运方法，掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。第二节单容水箱液位控制系统建模2.1液位控制的实现除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。首先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，被输入计算机中；最后，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被控对象本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参数

11、，有必要知道被控对象一上水箱的结构和特性。由图2-1所示可以知道，单容水箱的流量特性：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v开度适当，在不溢出的情况下,2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。禺1Q.图2-1单容水箱结构图2.3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

12、水箱的进水量为Q,出水量为Q,水箱的液面高度为h，出水阀V122固定于某一开度值。若Q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Q之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有Q-Q=Cdh（2-1）12dt将式(2-1)表示为增量形式AQ-AQ=C凹(2-2)12dt式中，AQ、AQ、Ah分别为偏离某一平衡状态Q、Q、h的增量；C1210200水箱底面积。在静态时，Q=Q；dhdt=0；当Q发生变化时，液位h随之变化，阀V处的静压1212也随之变化，Q也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流2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

13、为AQ与Ah成正比,而与阀V的阻力R成反比，即22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。AhAAhAQ二或2R2R川2AQ22-3)式中，R式中，R为阀V的阻力，称为液阻。22将式(2-3)代入式(2-2)可得RCdAh+Ah=RAQ2dt21在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：2-4)G(s)二二R二oQ(s)RCsG(s)二二R二oQ(s)RCs+1Ts+112式中，T=

14、RC为水箱的时间常数(注意：阀V的开度大小会影响到水箱的时间常数),22K=R为过程的放大倍数。令输入流量Q(s)=R/s,2102-5)R为常量，0则输出液位的高度为：KRKRKRH(s)=o=oos(Ts+1)ss+1/T(2-6)h(t)二KR(1-e-1)0当tTs时，h(a)二KR因而有02-7)当t=T时，则有h(s)输出稳态值K=R0阶跃输入2-8)h(T)二KR(1-e-1)二0.632KR二0.632h(Q002-9)图2-2阶跃响应曲线通过matlab仿真得到阶跃响应的仿真图如下:第三章相关参数要求和检测控制仪表型号的选择3.1参数要求根据老师的要求，我们小组的数据如下：圆

15、柱形敞口储液槽的截面直径为13m,高为28m，生产过程中额定出口流量为36m3/min。根据动态物料平衡关系有Q1Q2=C罟将式（2-1）表示为增量形式2-1)2-2)式中，AQ、1水箱底面积。AQ、Ah分别为偏离某一平衡状态Q、Q、h的增量；C210200AQ二2R2R上2AQ22-3)式中，R为阀V的阻力，称为液阻。223.2仪表型号的选择通过相关书籍和上网查询资料，我们选择检测控制仪表的型号，如下图所示型、变送器调节器调节阀YSZC-5STB-4201T40H图3-1仪表型号表第四章液位控制系统中PID算法控制数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位控制系统

16、中也有着极其重要的控制作用。本章主要介绍PID控制的基本原理，液位控制系统中用到的数字PID控制算法及其具体应用。4.1PID控制原理一般，在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图3-1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。e(e(t)=r(t)-c(t)(3-1)将偏差的比例（P）、积分（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(tu(t)=KP1tTde(t)e(t)+Je(t)dt+dT0dtI(3-2)写成传递函数形式为G(S)二黑二KP(1+ATDS)(3-3)式中K比例系数；PT

17、积分时间常数；IT微分时间常数；D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。K越大，系统的响应速度越快，P系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。K取值过小，则会P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。T越小，系统的静态误差消除越快，但T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T过大，I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

18、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T过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而D且会降低系统的抗干扰性能。第五章总体设计方案5.1设计思想及说明由工艺流程的分析，其系统方框图如图4.1。图5-1单容水箱方框图系统运行原理说明：运行的过程中，水箱的进水量为Q1，通过差送变送器的检测将此时的液位高度给定值进行比较，得到的误差再通过调节器和调节阀的控制，对被控制的对象的水箱进行调节。最后将液位的高度输出，即出水量Q2。系统就此循环的进行。5.2总体设计流程图总体的设计思想包括了软件和硬件的设计思想。图4.2用一个整体的流程图，包括所有的设计要求。图5-2总体设计方案图由图可以看出，完整的系统不仅包括控制过程的实现，还要将系统的可扩展性、人性化设计考虑进去。整体的设计流程图如下：图5-3总体设计流程图第六章软件设计6.1软件设计流程图及其说明对于系统的主要执行程序，包括了A/D采样、PID运算、结果输出和D/A转换。整个程序设计流程图如图6.1所示。开始N结束?Y结束对副回路进行P运算读取A/D转换结果对主回路进行PID开始N结束?Y结束对副回路进行P运算读取A/D转换结果对主回路进行PID运算运算结果输出D/