液位闭环反馈控制系统设计

课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能设计一个液位闭环反馈控制系统 。在工业生产中经常要对储罐、反应器等密闭容器的液位进行控制，为了能够精确控制液位高度，保证正常生产，要求设计液位闭环反馈控制系统，能抑制流量波动，且系统无余差。设计任务及要求1、确定控制方案并绘制工艺P&ID图、系统框图； 2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；4、若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。测量范围：20～100cm；控制精度：±0.5cm；控制液位：80cm；最大偏差：1cm；1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天，分散完成）2、确定系统的控制方案，绘制P&ID图、系统框图。（1天，实验室完成）3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。（2天，分散完成）4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（实验室1天）5、仿真分析或实验测试、答辩。（3天，实验室完成）6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成）平时：论文质量：答辩：指导教师签字：总成绩：年月日摘要单纯采用流量控制的负反馈回路对于汽包液位波动较大的情况液位会产生很大的波动不符合控制参数要求；双冲量采用前馈反馈的控制模式，在对给水系统中的水压等干扰因素造成的波动不能及时抑制。三冲量控制系统能及时克服负荷(蒸汽量)和给水流量的干扰作用，调节精度较高，适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。

目录TOC\o"1-3"\h\u第1章绪论 4第2章课程设计的方案及论证 52.1提出方案 52.2总体方案论述 7第3章系统设计及器件组成 83.1三冲量控制系统原理 83.2硬件设计 93.2.1液位变送器的选择 93.2.2压力传感器与变送器选择 103.2.3执行器的选择 103.2.4控制器的选择 113.2.5控制器的作用方式 113.2.6阀的开闭选择形式 113.3软件设计 113.3.1PID对控制的影响 113.3.2PID控制器的参数调整 123.4给水调节对象的动态特性 13第4章系统仿真及设计 14第5章课程设计总结 18参考文献 19

第1章绪论典型的工业过程可分为三种：连续控制（continuousprocess）、离散过程（discreteprocess）和批量过程（batchprocess）。然而，锅炉汽包水位控制系统设计采集的是实时的液位和流量值，所以属于连续控制。锅炉是工业生产中重要的供暖设备，而汽包水位又是锅炉安全运行的重要参数。同时，它还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志。因此，锅炉汽包水位一直受到重视。保持锅炉汽包水位在一定的范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。水位过高造成饱和蒸汽带水过多，汽水分离差，使后续的过热器关闭结垢，传热效率下降，过热温度下降，而汽包内水的全部汽化导致水冷壁的损坏，严重时会发生锅炉爆炸。液位的控制技术是通过控制进水或出水阀门的开度，改变水流量来实现的，而水温的控制是通过调节加热的功率来实现的。锅炉液位的控制是锅炉控制系统较为重要和比较难于控制的一项。第2章课程设计的方案及论证2.1提出方案方案一：单冲量水位控制系统额直接用水位信号与给定值信号相比较，控制器根据该偏差的正负与大小，输出开关给水调节阀门的信号，这种系统称为单冲量水位控制系统。直接用水位信号与给定值信号相比较，控制器根据该偏差的正负与大小，输出开关给水调节阀门的信号，在蒸汽流量忽然增加时，给水流量小于蒸发量，水位应当下降。但由于炉筒内的贮汽减少，内部压力忽降，从而使水面下的炉筒容积扩大，并加速汽化，由于水面下容积扩大，使水位迅速上升，产生“虚假水位”现象。而控制器根据偏差信号改变给水流量与需求相反，必然会加剧水位的大幅度波动，所以在负荷变化频繁情况下，不能采用单冲量水位控制系统。单冲量水位控制系统原理图如图2.1所示：汽包汽包LC省煤器过热器图2.1单冲量水位控制系统原理图方案二：双冲量水位控制系统将蒸汽负荷的作为前馈信号，与汽包水位组成前馈-反馈控制系统。在水位上升与蒸汽流量增加时，控制阀门动作反向，因此可节省仪表。但由于水位控制器的测量信号是水位信号与蒸汽流量信号之差，因此采用前馈时，不能保证水位无余差。双冲量水位控制系统考虑了蒸汽流量扰动对汽包水位存在影响，但对给水量扰动为加考虑，因此，适用与给水流量波动较小的场合。双冲量水位控制系统原理图如图2.2所示：汽包汽包LC省煤器蒸汽过热器LYFTFY图2.2双冲量水位控制系统原理图图2.2双冲量水位控制系统原理图方案三：三冲量水位控制系统，考虑到给水流量的扰动影响及由于被空对象的非线性等因素，将给水流量引入到双冲连不过控制系统中，组成三冲量水位控制系统。三冲量水位控制系统中，除了汽包水位和蒸汽流量外，引入的第三个冲量是给水流量。三冲量水位控制系统是将汽包水位作为主被空变量，给水量作为副被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号的前馈串级反馈控制系统。三冲量水位控制系统以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为控制器的反馈信号来控制给水流量，它以物料平衡关系为依据，能适应负荷的快速变化，它不仅能克服“虚假水位”的影响，也能克服由于给水压力变化等因素引起给水流量变化的影响，从而使系统有更好的动态响应和静态特征。单级三冲量控制系统具有如下优点：相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求，能有效地避免“虚假水位”现象。三冲量水位控制系统原理图如图2.3所示：汽包汽包LT省煤器蒸汽过热器LYFTFYFC图2.3三冲量水位控制系统原理图2.2总体方案论述通过比较看到三种控制方案中，第一个方案由于单纯采用流量控制的负反馈回路对于汽包液位波动较大的情况液位会产生很大的波动不符合控制参数要求。第二种方案采用前馈反馈的控制模式，在对给水系统中的水压等干扰因素造成的波动不能及时抑制。第三种方案控制效果最好，三冲量控制系统能及时克服负荷(蒸汽量)和给水流量的干扰作用，调节精度较高，适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。目前已得到了应用，实践证明效果良好。综上所述，本系统应选用水位串级控制。主回路用于直接控制水位，主调节器一般都采用比例积分动作，维持水位不变。副回路是流量系统，副调节器可以用比例或比例积分动作。

第3章系统设计及器件组成3.1三冲量控制系统原理三冲量控制系统从结构上来说，是一个带有前馈信号的串级控制系统。液位控制器LC与流量控制器FC构成串级控制系统。汽包液位是主变量、给水量是副变量。副变量的引入使系统对给水压力的波动有较强的克服能力。蒸汽流量的波动时引起汽包液位变化因素，是干扰作用，蒸汽波动时，通过引入FC，使给水流量做相应的变化，所以这是按干扰进行的控制，是把蒸汽流量信号作为前馈信号引入控制的。D控制过程：根据串级控制系统选择主、副控制器的正反作用的原则，水位控制器LC反作用选反作用，流量控制器FC为正作用，控制器为气关阀。当水位由于扰动而升高时，因LC反作用，它的输出下降，进入加法器后，使FC给定值减小而输出增加，调节阀的开度减小，给水量减小，水位下降，保持在设定值上；当蒸汽流量增加时，FC给定值增加而输出减小，调节阀的开度增加，给水量增加，保持水蒸气平衡，使水位不变；副回路克服给水自身的扰动，要进一步稳定了水位的自动控制；给水量增加，FC输出增加，调节阀的开度减小，给水量减小，从而保持水蒸气平衡。D图3.1三冲量水位控制结构框图图3.1三冲量水位控制结构框图我们知道，水位控制的主要干扰是蒸汽流量的波动，而单冲量调节系统出现这一干扰时，给水量的变化与负荷变化的方向相反，加剧了进出物料的不平衡，使水位偏差变大。双冲量调节能消除蒸汽流量变化对水位的影响，但是系统对水位时一个开环系统，当负荷与给水量之间有一个偏差时，水位的偏差会越来越大。三冲量汽包水位控制系统能及时克服给水系统的干扰，改善了控制品质。但是调节过程中还需要解决一个输入信号系统的静态匹配问题，且动态整定过程也比较复杂，因此采用前馈串级控制方案。利用前馈使给水量及时跟踪输出量，利用内环实现对给水量的调节，利用外环实现对水位的调节。串级控制系统由两个回路构成；主回路和副回路。副回路起粗调作用，主回路起细调作用。把副回路之外的扰动叫做一次扰动。副回路的频率比主回路的频率高的多，副调节器能很快的克服二次扰动。带前馈的串级水位控制系统框图如图3.1所示。由Gc2、Gv2、Gp2、Gm2组成副回路，其中Gc2为副控制器，Kv就是副回路的控制对象。由Gc1、Gp1、Gm1及副回路一起构成副回路，Gc1为主控制器。因为所有变动器的时间常数都较小，因此忽略不计。主回路用于直接控制水位，主控制器一般都采用比例积分控制，维持水位不变。副回路是流量系统，副回路调节器可以采用比例或者比例积分控制。与一般串级系统不同的这里引入了蒸汽流量作为静态前馈信号，所以这是一个静态前馈的串级控制系统。由于水位变化对负荷（蒸汽量）扰动D的响应速度要比对基本扰动的影响速度快得多，因此，在外部扰动下被调量的变化速度加以限制。由图3.1可知，带静态前馈的水位初级控制系统中蒸汽流量到给水量之间是一个随动系统，使给水量跟随蒸汽流量的变化而变化。水位串级控制系统中的水位扰动属于内部扰动，内环能很快控制稳定，而蒸汽流量扰动属于外部扰动，必须依赖于回路的控制器进行控制。3.2硬件设计3.2.1液位变送器的选择选择TK3051L液位变送器：(1)工作原理：工作时高低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传给灌充液，接着灌充液将压力传递到传感器中心的传感膜片上。传感膜片是一个张紧的弹性元件，其位移随所受压而变化（对于GP表压变送器，大气压如同施加在传感膜片上的低压侧一样）。AP绝压变送器，低压侧始终保持一个参考压力。传感膜片的最大位移量为0.004英寸（0.1毫米），且位移量与压力成正比。两侧的电容板极检测传感膜片的位置。传感膜片和电容极板之间电容的差值被转换为相应的电流，电压或数字HART（高速可寻址远程发送器数据公路）输出信号。(2)特点：完整的变送系列；测量范围：20684（kPa）；精度等级：0.1；输出信号：4-20（mA）；防爆等级：1；防护等级：1；电源电压：6-12（V）；接口尺寸：M20*1.5（mm）结构小巧、坚固、抗震；模块化结构；阻尼可调；多种选项，量应用灵活；智能，模拟或低耗电路。3.2.2压力传感器与变送器选择PTH501/502/503/504压力传感器/变送器采用全不锈钢封焊结构，具有良的防潮能力及优异的介质兼容性。广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。特点：量程:-0.1~0～1～150(MPa)；综合精度:0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS；输出信号:4～20mA(二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制)；供电电压:24DCV(9～36DCV)；介质温度:-20～85～150℃；环境温度:常温(-20～85℃)；负载电阻:电流输出型：最大800Ω；电压输出型：大于50KΩ；长期稳定性能:0.1%FS/年；振动影响:在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS；电气接口(信号接口):四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母机械连接(螺纹接口):1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺纹可依据客户要求设计。

3.2.3执行器的选择RZXP型新系列气动调节阀采用顶导向结构，配用多弹簧执行机构。具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、充体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、拆装方便等优点。广泛应用于精确控制气体、液体等介质，气动调节阀的工艺参数如压力、流量、温度、液位保持在给定值。特别适用于允许泄漏量小阀前后压差不大的工作场合。

本系列产品的标准型、调节切断型、波纹管密封型、夹套保温型等多种品种。产品公称压力等级有PN10、16、40、64；阀体口径范围DN20~200。适用流体温由-200℃~560℃范围内多种档次。泄漏量标准有IV级或VI级。流量特性为线性或等百分比。控制器的选择采用上海万讯仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，其中SA-12智能调节仪控制挂件为AI-818，SA-13智能位式调节仪为AI-708型。AI-818型仪表为PID控制型，输出为4~20mADC信号。AI-708型仪表为位式控制型，输出为继电器触点型开关信号。AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。3.2.5控制器的作用方式当设定值不变时，随着测量值的增加，调节器的输出也增加，则称为“正作用”方式；当测量值不变时，设定值减小时，调节器输出也增加，称为“正作用”方式；如果测量值增加或设定值减小时，调节器输出减小，则称为“反作用”方式。经分析此系统为正作用方式。阀的开闭选择形式关于给水调节阀的气开气关的选择，一般都是从安全角度考虑的，人员安全、生产安全、系统设备安全的需要为首要依据。由于工业生产过程的调节阀绝大部分为气动调节阀，所以要选择调节阀的气开气关方式。锅炉给水调节阀一般采用气关式，一旦事故发生，系统失控，供水调节阀处于全开位置，是锅炉不致因给水中断烧坏，避免爆炸等事故的发生。3.3软件设计3.3.1PID对控制的影响（1）比例P调节在P调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例，即比例调节是有差调节，比例调节的残差随着比例带的加大而加大称为比例带，其中KP为比例系数。人们希望尽量减小比例带，然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。比例带具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小比例带系统就不稳定了。（2）积分I调节在I调节中，调节的输出信号的变化速度与偏差信号e成正比，即称为积分速度，其中TI为积分时间常数。增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。I调节是无差调节，只有当被调量偏差为零时，I调节的输出才保持不变。I调节的稳定作用比P调节差,如果只采用I调节不可能得到稳定的系统，且振荡频率较低。（3）微分D调节D调节中的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即。TD为微分时间。微分的作用在于改善系统的动态特性。单纯的微分调节器是不能工作的。因此微分调节只能起辅助的调节作用，与P结合PD或与PI构成PID调节。总之，PID控制器中，比例环节主要减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分调节能加快系统的动作速度，减少调节时间。PID控制器的参数调整控制器的参数整定对系统的控制质量起到了决定性的作用。确定控制器最佳过渡过程中的比例带δ，积分时间TI和微分时间TD的数值称为控制器参数整定。控制器参数整定的方法，在工程上常用的有以下几种工程整定法。（1）经验法：其整定参数的顺序是，先整定比例带δ，待过渡过程稳定后再加入积分作用以消除余差，最后加入微分，以加快过渡过程，进一步提高控制质量。PID控制器的经验法整定：先将TD置为0，置TI为∞，先整定比例带使之达到4：1衰减过程，然后将比例带放大（10%-20%），而积分时间TI由大到小逐步加入，直至达到4：1的衰减过程，然后将比例带减小到比原值小（10%-20%）的位置，而积分时间也适当减小，再把TD由小到大加入，观察曲线，直到满意的过程为止。（2）稳定边界法：这是一种闭环的整定方法。具体步骤如下：置控制器积分时间逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，即临界振荡过程如图4.1。录此时的临界比例带δK及两个波峰的时间TK利用δK和TK值，按稳定边界法计算表给出的相应公式求出控制器的稳定参数δ、TI、TD。（3）衰减曲线法：它是在经验法和稳定边界潜藏顾虑，针对它们的不足，反复实验而得出的一种参数整方法。具体步骤如下：将控制器积分时间TI为最大值，微分时间为0，在纯比例作用下，系统试运行。待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统响应如图4.1。若系统响应衰减太快，则减小比例带，反之，则增大比例带。直到系统出现4：1的衰减振荡过程，记下此时的比例带和TS的数值。利用4：1衰减整定参数表求得控制器的PID数值。将比例带放到比计算值大一些的数值上，然后把积分时间按计算值加入，再把微分时间加入，最后把比例带减小到计算值，观察过渡过程曲线，调整到满意的结果。tttTkTstttTkTsrrr0r000tyy00t041

图3.23.4给水调节对象的动态特性锅炉的给水系统，汽包液位的动态特性似乎与单容水槽一样，但是实际情况却要复杂的多。其中最突出的一点就是水循环系统中充满了夹带着大量的蒸汽气泡的水，而蒸汽气泡的总体积是随着气泡压力和炉膛热负荷的变化而改变的。如果有某种原因使蒸汽泡的总体积改变了，即使水循环系统中的总水量没有变化，汽包水位也会随之发生改变。汽包液位过高会造成蒸汽带水，影响汽水分离效果；水位过低容易使水全部被汽化烧坏锅炉。影响汽包液位的因素，除了加热汽化外，还有蒸汽负荷和给水流量的波动，当负荷突然增大、汽包压力突然降低时，水就会被急剧汽化，出现大量气泡，形成“虚假液位”。

第4章系统仿真及设计根据仿真所采用的模型划分，可将仿真分为数学仿真和物理仿真两大类。物理仿真亦称为实物仿真，它是在系统生产出样机后，将系统实物全部或部分的引入回路，由于物理仿真能将系统的实际参数、数学仿真中难以考虑到的非线性因素和干扰因素引入仿真回路，因此物理仿真更接近系统的实际情况，通过仿真可以检验实物系统工作的可靠性，可以准确地调整系统元部件的参数。数学仿真就是将数学模型编排成模拟计算机的排题图或数值计算机的程序。这一过程是将原始数学模型转换成仿真模型，通过对计算机模型的运行达到对原始系统研究的目的，数学仿真在系统设计阶段和分析阶段是十分重要的，通过数学仿真可以检验理论设计的正确性。1.通过对参数进行比较分析,选出各器件的最佳参数:主控制器（Gc1）：1/（6s+1）副控制器（Gc2）：1/（8s+1）执行器（Gv2）:3主检测变送器（Gm1）：0.5/（0.1s+1）副检测变送器（Gm2）：1/（0.1s+1）前馈检测变送器（Gm）：0.2扰动通道传函（Gf）：2/（3s+1）前馈通道的传函（Gff）：0.2根据上述叙述，得到仿真图如下：图4.1三冲量控制系统的仿真图图4.图4.2MATLAB系统仿真图调整系统参数对系统的影响：改变执行器（Gv2）为40，图4.3MATLAB系统仿真图由上图可知，系统改变执行器放大倍数之后，系统出现了等幅振荡的情况，说明了改变了执行器的增益使得系统的偏差信号增强，控制器的控制不能在其控制的范围内，系统此时不能够恢复稳定的状态，系统处于临界稳定的状态。调整系统参数对系统的影响：改变主检测变送器（Gm1）为0.5/（4s+1）得到图:图4.4MATLAB系统仿真图由上图可知，增加主控制回路检测变送环节的时间常数后，由系统的输出曲线可知，系统出现了振荡的现象，说明检测变送环节的时间常数过大，系统会出现振荡，不利于系统的稳定。调整系统参数对系统的影响：改变副检测变送器（Gm2）：1/（8s+1）得到图：

图4.5MATLAB系统仿真图由上图可知，增加副控制回路检测变送环节的时间常数后，由系统的输出曲线可知，系统出现了振荡的现象，而且在曲线的起始位置有一小段的时滞，说明检测变送环节的时间常数过大，系统会出现振荡，而且会使系统发生滞后。不利于系统的稳定。综上所述，各器件的最佳参数为：主控制器（Gc1）：1/（6s+1）；副控制器（Gc2）：1/（8s+1）；执行器（Gv2）:3；主检测变送器（G