《过程控制与集散系统》课件-项目四：单水箱恒水位控制系统

恒液位系统概述OverviewofConstantLevelSystem.项目四：单水箱恒水位控制系统课程名称：《过程控制与集散系统》引言单水箱恒液位控制系统是工业过程控制中的应用场景之一化工行业水处理行业能源行业目录01典型的液位对象02液位对象的特性03单水箱恒液位控制系统组成和控制流程一、典型的液位对象化工与石化行业反应釜/搅拌釜液位监测釜内物料液位，避免液位过高导致反应不充分、溢料风险，或过低引发搅拌空转损坏设备，适配工艺配比需求。原料/成品储罐液位如原油、溶剂、化工中间体储罐，实时把控液位高度联动进料泵实现自动补料或停止充装，防止溢出泄漏。精馏塔塔釜液位稳定塔釜液位，确保精馏分离的气液平衡，避免液位波动影响产品纯度。

一、典型的液位对象水处理行业自来水厂清水池液位自来水厂沉淀池液位控制蓄水容量，适配供水负荷避免水位过低导致供水中断，或过高溢出浪费一、典型的液位对象水处理行业污水处理厂曝气池液位污水处理厂二沉池液位维持生物反应的有效容积保障污水处理效果联动污泥回流泵调节液位平衡一、典型的液位对象水处理行业加药罐液位控制根据液位信号自动补充絮凝剂、消毒剂确保加药剂量与处理水量匹配一、典型的液位对象食品与医药行业发酵罐液位控制微生物发酵的生长空间，避免液位过高导致菌体缺氧，或过低影响产物产量，适配工艺发酵曲线。配料罐/搅拌罐液位精准控制食材、药品原料的投料体积，保障配方比例一致，提升产品质量稳定性。灭菌锅液位监测灭菌锅内介质（水、蒸汽）液位，确保灭菌过程的压力与温度协同，避免干烧引发设备损坏。

一、典型的液位对象能源与电力行业电站锅炉汽包液位核心安全控制场景，实时监测汽包内水位，防止水位过高导致蒸汽带水影响发电效率，或过低引发锅炉干烧爆炸。燃油/润滑油箱液位监测发电机组、工业锅炉的燃油箱、润滑油箱液位，自动补油避免设备缺油磨损。冷却水塔/循环水池液位维持冷却系统的循环水量，保障设备散热效果，防止液位过低导致冷却中断。

一、典型的液位对象冶金行业冶炼炉熔池液位如炼钢转炉、有色金属熔炼炉，控制熔池金属液液位，避免溢出引发安全事故，同时保障冶炼反应充分。酸洗槽/电镀槽液位稳定槽内酸碱液、电镀液液位，确保工件浸泡深度均匀，提升产品加工质量。冷却水池液位适配冶金设备的冷却需求，避免液位波动导致冷却效果下降，影响生产连续性。

一、典型的液位对象市政与农业领域城市蓄水池/高位水箱液位保障居民用水、市政绿化供水的连续稳定，避免缺水或溢水浪费。农业灌溉水箱/水库液位根据灌溉需求自动补水，控制灌溉水量，实现节水与作物供水平衡。一、典型的液位对象市政与农业领域船舶压载舱液位调节船舶压载舱内水位，控制船体吃水深度，保障航行稳定性与安全性。

二、液位对象的特性特性一：响应较快，惯性相对温和液位变化本质是“液体体积/质量的累积与消耗”，响应速度远快于温度对象。例如单水箱液位，进水流量增加后，液位会快速上升，无需克服热容量等阻力。特性二：滞后以传输滞后为主，容量滞后较弱液位对象的滞后主要来自：温度对象突出的容量滞后（能量累积延迟）在液位控制中几乎可忽略，整体滞后程度远低于温度控制。

信号传输延迟物料流动延迟二、液位对象的特性

特性三：多参数耦合显著，易受流量干扰液位和流量直接耦合，进水、出水流量直接决定液位部分场景还存在跨参数耦合，反应釜液位与搅拌速率、产气速率相关特性四：自衡性普遍较强，部分需人工干预多数敞口设备如敞口水箱，液位会通过溢水口等自动稳定密闭容器因气相空间受限，自衡性较弱，需压力协同控制或人工泄压三、单水箱恒液位控制系统组成和控制流程液位检测变送器HAIGE品牌投入式液位计执行器MP-55RZ-380磁力离心泵搭配变频器，变频器为西门子G120C被控对象水箱控制器西门子S7-12001214CDC/DC/DC单水箱恒温恒液位恒流恒压力控制实训试验台三、单水箱恒液位控制系统组成和控制流程HAIGE品牌投入式液位计，属于工业过程控制中用于液位测量的核心传感设备供电电压DC10~30V信号输出方式模拟量输出：4~20mA电流信号测量量程0~1.0m体积流量范围0.06~1.2m³/h三、单水箱恒液位控制系统组成和控制流程核心参数供电电压三相380V50Hz变频器兼容性支持0~10V或4-20mA模拟量输入保护功能过热保护、过载保护流量范围10~14m³/h（水介质）扬程范围15~22m功率180W转速2800r/min（50Hz）MP-55RZ-380磁力离心泵是一款适用于中小流量、中低扬程场景的耐腐蚀泵三、单水箱恒液位控制系统组成和控制流程单水箱恒温控制系统的方框图水箱执行器LCLT水箱内液位液位设定值干扰变量—被控对象水槽被控变量水箱液位操纵变量进水流量干扰变量出水流量管道压力环境压力三、单水箱恒液位控制系统组成和控制流程控制过程控制器将测量值和温度设定值比较，得到偏差，根据偏差计算出控制信号，给到变频器。02单水箱恒液位系统控制过程当受到干扰后，水箱内液位偏离设定值，由液位检测变送器测得液位后，送到控制器中。01变频器调节离心泵的转速，来调节进水流量。03使得水箱内液位稳定在设定值范围内。04思想升华恒液位控制的精准性恒液位控制的安全性工匠精神责任担当电站锅炉汽包：液位控制

“零失误”

要求水处理行业：民生供水的安全保障锤炼精准调试、细节把控的专业能力，将“精益求精、安全至上”的理念融入专业实践，未来以过硬本领服务工业生产、守护民生福祉，在平凡岗位上践行大国工匠的使命与担当。思想升华单水箱恒液位控制系统通过“检测-控制-调节”闭环逻辑，依托液位计、控制器、执行器等设备，化解流量、压力等干扰，实现液位稳定。行业应用广泛贯穿化工、能源、民生等多个领域，保障生产安全、提升产品质量。是理解多参数耦合、自衡性等控制原理的重要载体。控制器动态特性

(一)项目四：单水箱恒液位控制系统DynamicCharacteristicsofTheController.课程名称：《过程控制与集散系统》课程回顾过程控制系统结构与组成控制对象动态特性及测定方法单水箱恒压、恒流、恒温控制系统思考一下单水箱恒液位控制系统中，是什么设备根据液位的变化精准调整进水阀门开度，让液位稳定在设定值的？控制器控制器的动态特性直接决定了控制系统的调节精度和控制特性。目录01控制器动态特性的基本概念02比例控制规律（P）03积分控制规律（I）04微分控制规律（D）一、控制器动态特性的基本概念自动控制系统由自动控制器（控制器）和被控对象构成的闭环系统。其中控制器的动态特性是指控制器的输入偏差信号与输出信号之间的因果关系（一般指负反馈控制系统）。控制规律偏差信号e(t)控制信号u(t)比例01积分02微分03二、比例控制规律（P）比例控制的阶跃响应曲线比例放大倍数e二、比例控制规律（P）特点

比例控制具有控制及时、克服偏差的特点。

要使比例控制器有输出，就必须有偏差存在。

比例控制适合于扰动小、滞后小、控制精度要求不高的场合。二、比例控制规律（P）比例度：控制器的输入相对变化量与相应输出的相对变化量之比的百分数。比例度与比例放大系数为倒数关系二、比例控制规律（P）比例度越大，余差越大比例度越小，最大偏差越小，振荡周期也越短比例度减小，系统的稳定程度降低三、积分控制规律（I）积分控制规律在积分控制规律中，控制器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比。积分控制器的积分速度积分时间常数互为倒数三、积分控制规律（I）积分控制作用是力图消除余差越大越小积分速度越大积分作用越强三、积分控制规律（I）纯积分的缺点响应滞后输出变化总要滞后于偏差的变化，不能及时有效地克服扰动的影响控制效果加剧被控变量的波动，使系统难以稳定下来。四、微分控制规律（D）微分控制规律在微分控制规律中，控制器输出信号变化量与输入偏差的变化速度成正比，对于惯性较大的被控对象，能够根据被控变量的变化趋势来采取控制措施，控制效果较好。微分时间常数四、微分控制规律（D）时刻：输入阶跃偏差信号控制器输出：无穷大，其余时间为零理想微分作用特性没有实际意义输出仅与偏差变化速度有关与偏差是否存在无关微分作用对恒定偏差无任何作用，不具备实用价值，不能单独使用。实际微分环节在实际工程中，微分环节的实现需要添加惯性环节微分增益课程小结秉持“辩证思维”，工程实践中组合应用实现最佳效果比例控制适度原则积分控制补位意识微分控制前瞻思维比例(P)积分(I)微分(D)三者各有优劣，单独使用均存在局限控制器动态特性

(二)项目四：单水箱恒液位控制系统DynamicCharacteristicsofTheController.课程名称：《过程控制与集散系统》课程回顾比例(P)积分(I)微分(D)简单系统（马桶水箱）控制要求低、精度要求不高，可采用纯比例控制。复杂系统（液位频繁变化+快速稳定）应如何设计控制器？思考一下组合控制规律有效弥补单一控制规律的缺陷。面对复杂系统与高要求时具有更优控制效果。目录01比例积分控制规律（PI）02比例微分控制规律（PD）03比例积分微分（PID）04控制规律的选取一、比例积分控制规律（PI）比例积分控制规律将比例控制反应快和积分控制能消除余差的优点结合在一起，受到广泛应用。注意并非比例与积分表达式的简单相加积分项系数与纯积分表达式不同一、比例积分控制规律（PI）积分时间在阶跃偏差输入作用下，控制器的输出达到比例输出两倍时所经历的时间。越小积分速度越快积分作用越强越大积分速度越慢积分作用越弱无穷大积分趋近于零积分作用消失一、比例积分控制规律（PI）积分时间对系统过渡过程的影响随着积分时间的减小，积分作用增强，余差消除加快，但同时系统的振荡加剧，稳定性下降。

过小，还可能导致系统的不稳定。积分作用使得比例控制系统稳定性下降，需适当增加比例度，提高系统控制品质。二、比例微分控制规律（PD）比例控制与微分控制的组合比例微分输入输出响应曲线二、比例微分控制规律（PD）实际模型实际工业应用中，5~10min可用于测量

微分作用抑制振荡，适当的微分作用有利于提高系统的稳定性，然而微分作用过强（

过大），系统振荡，不利于系统的稳定。二、比例微分控制规律（PD）曲线1：TD过小对系统品质指标影响甚微曲线2：TD适当控制系统品质指标全面改善曲线3：TD过大微分作用过强，引起系统振荡三、比例积分微分（PID）理想模型控制器参数的实际值各参数的刻度值互相干扰系数积分增益实际模型三、比例积分微分（PID）阶跃响应曲线为三种控制规律的有机组合全面优于纯比例控制下降速率低于纯微分控制上升速率高于纯积分控制PID控制器的适应性较强，研究完善，是目前使用最广泛的控制方法三、比例积分微分（PID）PID控制的优点

原理简单，使用方便，成本低廉，易于操作。

适应性强，可以广泛应用于各种工业过程控制领域。

鲁棒性强，即其控制品质受对象特性的变化不大敏感。四、控制规律的选取同一对象在相同阶跃干扰作用下，采用不同控制规律时具有同样衰减比的响应曲线曲线1比例控制曲线2积分控制曲线3比例积分控制曲线4比例微分控制曲线5比例微分积分控制四、控制规律的选取控制规律的选择要与具体对象相匹配，需要综合考虑多方因素对象动态特性负荷变化情况主要扰动类型系统控制要求方案经济成本实施便捷程度四、控制规律的选取选取原则01简单控制系统仅适用于负荷变化小的系统，复杂系统需要复杂控制系统02一般系统中，比例控制必不可少，如储罐液位，可以使用纯比例控制规律03工艺对余差要求高时可选用比例积分控制，如管道压力、流量等参数的控制04时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用四、控制规律的选取被控对象传递函数

选择比例或比例积分规律当

时

选择比例微分或比例积分微分控制规律当

时

选用复杂控制系统当

时课程小结课程回顾比例积分(PI)、比例微分(PD)、比例积分微分(PID)控制规律。技术演进单一到组合的演变，体现系统思维，发挥优势，弥补短板，综合解决复杂问题。应用价值控制技术应用于工业生产，支撑国家制造业高质量发展。单回路控制系统设计步骤项目四：单水箱恒液位控制系统DesignStepsforSingle-loopControlSystems.课程名称：《过程控制与集散系统》引言课程回顾控制器的基本连续控制规律组合连续控制规律课程重点单回路控制系统作为工业生产中应用广泛的基础控制形式，是保障生产稳定的关键。01聚焦其设计核心流程02学习从对象分析到选型优化的完整流程03解决实际设计中变量选择、器件选型等关键问题01单回路控制系统概述02单回路控制系统的设计步骤03被控变量的选择原则04操纵变量的选择策略05检测变送环节的影响与处理06执行器的影响目

录一、单回路控制系统概述单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个控制器和一个执行器所构成的闭合系统（反馈控制系统）。结构简单易于分析设计投资少便于施工满足一般生产过程的控制要求二、单回路控制系统的设计步骤了解被控对象和控制目标选择传感器和执行器建立对象模型初步设计控制器样机测试设计更优的控制器改进过程否性能模拟(仿真)是否满足要求是三、被控变量的选择原则选择原则若被控变量信号无法直接获取，可选择与之有单值函数关系的间接参数作为被控变量。02被控变量最好能够直接测量获得，且滞后较小。01被控变量，必须是独立变量。03被控变量，必须考虑工艺合理性，以及目前仪表的现状能否满足要求。04四、操纵变量的选择策略操纵变量的选择考虑工艺合理性与生产的经济性考虑被控对象特性考虑工艺合理性与生产的经济性选择不影响生产所需的介质作为操纵变量四、操纵变量的选择策略操纵变量的选择考虑工艺合理性与生产的经济性考虑被控对象特性考虑被控对象特性控制通道的放大系数较大，时间常数较小，纯滞后时间越小越好；干扰通道的放大系数尽可能小，时间常数越大越好。五、检测变送环节的影响与处理纯滞后：由于检测元件安装位置会产生纯滞后正确选择安装检测点位置五、检测变送环节的影响与处理测量滞后：由于测量元件本身特性导致的滞后尽量选用快速测量元件在测量元件后引入微分作用传递滞后：信号传输导致的滞后缩短信号传递长度改用电信号增大输出功率将电气转换器靠近执行器采用基地式仪表六、执行器的影响执行器的影响执行器可以看作是被控对象的一部分，其动态特性相当于在被控对象中增加了一个容量滞后环节，当其时间常数较大时对于系统控制很不利。01按照生产过程的特点，选用气动、电动或液动执行器。02根据被控变量的大小选择控制阀的流通能力。03生产安全的角度选取控制阀的气开或气关形式。04从被控对象的特性、负荷的变化情况等选择控制阀的流量特性。课程小结设计虽简洁，却需要综合工艺、动态特性与工程实际综合设计。掌握这些设计方法，是构建稳定可靠控制系统的基础。单回路控制系统控制器、执行器、被控对象、检测变送环节。选择原则被控变量、操纵变量的选择原则。设计步骤掌握对象分析、器件选择、建模、控制器设计、仿真优化。检测变送环节检测变送环节和执行器的选型与滞后处理方法。课程小结控制器参数整定(一)项目四：单水箱恒液位控制系统ControllerParameterTuning.课程名称：《过程控制与集散系统》课程回顾过程控制系统结构、组成控制对象动态特性及测定方法单水箱恒压、恒流、恒温控制系统思考一下已经给定的被控对象和实际设备，已经测定好的系统动态特性，实现过程控制最重要的步骤是什么？控制器参数的确定控制器参数的好坏直接决定了控制效果的好坏。目录01控制器参数的工程整定02被控对象建立03临界比例度法04仿真演示一、控制器参数的工程整定控制器参数整定目的就是按照已定的控制系统，求取使控制系统质量和动态过渡过程最好的控制器参数

δ

(或

KP

）、TI

和

TD

。连续PID控制公式

离散化公式

T：采样周期k：采样序号位置式PID公式

增量式PID公式

一、控制器参数的工程整定输出信号示例位置式PID增量式PID绝对控制量相对变化量阀门打开到

40%阀门加大5%阀门打开到

50%阀门减小2%不具备状态记忆功能、无法在上一状态基础上进行加减调节、不能直接接收输出增量信号。增量式PID适用条件一、控制器参数的工程整定理论计算整定法工程整定法根轨迹法频率响应法偏差积分准则经验试凑法临界比例度法衰减曲线法明确被控对象特性，理论计算求取控制器的最佳参数近似方法，实用，应用广泛整定方法二、被控对象建立单水箱恒液位控制系统的实物图单水箱恒液位控制系统的示意图二、被控对象建立三、临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）临界比例度法Ziegler-Nichols方法，也称为等幅振荡法，又称齐格勒-尼科尔斯第一法，是一种基于实验总结的参数整定方法。步骤1将积分时间常数TI=TD，微分时间常数TD=0，取比例度适当大的值，进行闭合回路调节。步骤2将比例度从大到小逐渐调节，观察测量信号的振荡过程。等观察到等幅振荡时，记下临界比例度δK和临界振荡周期TK。步骤3根据所记数据，采取经验公式，计算出PID控制的各个参数。三、临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）控制器类型δTITDP2δk∞0PI2.2δk0.833Tk0PID1.78δk0.50Tk0.125Tk四、临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）仿真演示步骤1：将积分时间常数Ti=∞，微分时间常数Td=0，取比例度适当大的值，进行闭合回路调节。δk

=

100P=0.01I=

0D=0步骤2：将比例度从大到小逐渐调节，观察测量信号的振荡过程。等观察到等幅振荡时，记下临界比例度

δk

和临界振荡周期

Tk

。四、临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）仿真演示δk

=10P=0.1δk

=

1P=

1δk

=

0.1P=

10步骤2：将比例度从大到小逐渐调节，观察测量信号的振荡过程。等观察到等幅振荡时，记下临界比例度

δk

和临界振荡周期

Tk

。四、临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）仿真演示δk

=0.033P=30临界比例度δk=0.025P=40临界振荡周期Tk

=13.42s四、临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）仿真演示步骤3：根据所记数据，采取经验公式，计算出PID控制的各个参数。控制器类型δTITDP2δk∞0PI2.2δk0.833Tk0PID1.78δk0.50Tk0.125Tk四、临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）仿真演示步骤4先将比例度放在一个比计算值大的数值上，然后加上积分时间Ti，再慢慢加上微分时间Td，观察响应曲线。操作时一定要按“PID顺序加参数”，即先P-次I-最后D。步骤5把比例度降到计算值上，通过观察曲线，再作适当的调整各参数。即“观看运行细调整”，直到找出最佳值。四、临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）仿真演示例：对简单控制系统中的PI控制器采用临界比例度法进行参数整定，当比例度为10%时系统恰好产生等幅振荡，这时的等幅振荡周期为30s，问该控制器的比例度和积分时间应选用表中所列何组数值整定为最好？序号比例度/%积分时间/minA1715B1736C2060D2225.5E2236比例度δ=2.2δk=2.2×10%=22%积分时间TI=0.85Tk=0.85×30=25.5(s)精益求精的态度，促使工业控制系统稳定运行，保障生产安全与效率。课程小结核心原理操作步骤操作步骤实际应用临界比例度法完整掌握一种控制器参数整定方法反复调整严谨寻找临界状态精细优化按序整定参数注重细节每一参数的微小偏差均影响系统性能控制器参数整定(二)项目四：单水箱恒液位控制系统ControllerParameterTuning.课程名称：《过程控制与集散系统》课程回顾过程控制系统结构、组成控制对象动态特性及测定方法单水箱恒压、恒流、恒温控制系统思考一下临界比例度法要求系统能够有等幅振荡的响应，如果有的系统不允许有等幅振荡，或者不能获得等幅振荡的响应，那要如何整定这种系统的控制器参数？衰减曲线法目录01衰减曲线法02衰减曲线法仿真演示一、衰减曲线法用于不允许或不能得到等幅振荡的情况。衰减曲线法衰减曲线法的整定步骤与临界比例度法类似，纯比例控制区别：比例度由大变小，直到得到4:1衰减曲线，得到比例度

δs

和振荡周期

Ts经验整定一、衰减曲线法控制规律δTITD

Pδs∞0PI1.2δs0.5Ts0PID0.8δs0.3Ts0.1Ts临界比例度法的经验公式【注意】该表格里的系数在不同的表格里会有一定的差异，属于允许的范围内。衰减法简单、可靠，整定质量高，应用广泛。二、衰减曲线法仿真演示被控对象建立二、衰减曲线法仿真演示步骤1：将积分时间常数

Ti=∞，微分时间常数

Td=0

，取比例度适当大的值，进行闭合回路调节。δs=100P=0.01I=0

D=0二、衰减曲线法仿真演示步骤2：将比例度从大到小逐渐调节，观察测量信号的振荡过程。等观察到4:1的衰减振荡时，记下比例度

δs

和振荡周期

Ts

；δs=10P=0.1δs=1P=1δs=0.1P=10二、衰减曲线法仿真演示步骤2：将比例度从大到小逐渐调节，观察测量信号的振荡过程。等观察到4:1的衰减振荡时，记下比例度

δs

和振荡周期

Ts

；δs=0.085.88:1P=12.54.27:1比例度δs=0.0667P=15振荡周期Ts=17.57s二、衰减曲线法仿真演示步骤3：根据所记数据，采取经验公式，计算出PID控制的各个参数。控制规律δTITD

Pδs∞0PI1.2δs0.5Ts0PID0.8δs0.3Ts0.1Ts二、衰减曲线法仿真演示步骤4先将比例度放在一个比计算值大的数值上，然后加上积分时间Ti，再慢慢加上微分时间Td，观察响应曲线。操作时一定要按“PID顺序加参数”，即先P-次I-最后D。步骤5把比例度降到计算值上，通过观察曲线，再作适当的调整各参数。即“观看运行细调整”，直到找出最佳值。课程小结

辩证思维临界比例度法与衰减曲线法，没有优劣之分，关键在于适用场景，体现“具体问题具体分析”的科学思想。

工匠精神理论计算结果需经实际系统反复调试，忌讳急于求成，重在耐心微调与观察，是理论与实践持续对话的过程。

专业素养耐心细致、精益求精的工作态度是工程实践要求与必备的专业素养。液位的测量MeasurementOfLiquidLevel.项目四：单水箱恒水位控制系统课程名称：《过程控制与集散系统》引言：液位的概述液位的概述液位指容器内液体介质液面的高低，是过程装备控制,一个很重要的参数。液位失控在工业锅炉汽包中，液位的准确测量与控制直接关系到锅炉的安全运行，一旦失控，就可能引发严重事故。引言：液位测量计01直读式液位计02浮力式液位计03静压式液位计04电容式液位计05光纤液位计06超声波液位计目录01静压式液位计02电容式液位计一、静压式液位计静压式液位计通过测量某点的压力或该点与另一参考点的压差来间接测量液位的仪表。ΔpAB=pA−pB=ρgH根据压力差计算公式计算公式:若图中容器为开口容器，则液体自由表面处的压力等于大气压，上式可以变为:p=pA−pB=ρgH一、静压式液位计玻璃管液位计利用连通器的原理，通过玻璃管显示液柱高