《过程控制技术》课程设计-单容水箱液位定值控制系统设计与仿真

1、设 计 任 务 书过程控制技术课程设计设 计 题 目： 单容水箱液位定值控制系统 设计与仿真 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级：电气工程及其自动化 2014级学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系2017年 7月 1日过程控制技术课程设计任务书全套设计加扣 30122505821、 设计题目单容水箱液位定值控制系统设计与仿真2、 主要内容1、以THJ-3高级过程控制实验对象系统的下水箱(或者中水箱)作为为研究对象，设计出合理的控制方案。利用MATLAB的曲线拟合的方法分别得出系统系统中的下水箱(或者中水箱)的传递函数。2、利用MATLAB的Simulink搭建单

2、容水箱PID控制系统。3、整定控制器的PID参数，并给出整定后的阶跃响应曲线并进行分析，得出结论。三、设计要求1、分析控制系统各个环节的动态特性，建立被控对象的数学模型。2、根据其数学模型，选择控制方案3、在Matlab上进行模型的搭建与仿真，整定调节器参数。4、根据整定的参数，得出控制效果曲线，并对结果进行比较分析，得出结论。四、设计步骤1、查找资料，了解和分析题目所要求具体工程项目控制的过程。2、设计实验方案，给出实验接线图。得出对象的数学模型。3、在Matlab上进行模型的搭建与仿真，分析仿真曲线，得出结论4、编写设计说明书。五、设计说明书要求1、完整的设计任务书。2、查找文献资料，阐述

3、设计的目的和意义。3、被控对象简介，控制方案的选择（被控参数选择、控制参数选择、测量变送器的选择，执行器的选择、控制器的选择、控制规律的选择等），给出实验线路。5、被控对象数学模型的建立。6、在Matlab上进行模型的搭建与仿真。7、结论。8、设计体会。9、参考文献。 2017年 7月 1日至 2017 年 7月 7日（1周）指导教师 设 计 说 明 书过程控制技术课程设计设 计 题 目： 单容水箱液位定值控制系统 设计与仿真 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级：电气工程及其自动化 2014级学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系2017 年 7月7日目 录1、设

4、计任务分析11.1背景11.2设计内容及目的22、控制系统总体方案设计32.1 单容液位控制系统对象简介32.2 控制系统的方案选择52.2.1被控参数及控制参数的选择52.2.2测量变送器的选择52.2.3执行器的选择52.2.4控制器的选择63、被控对象数学模型的建立73.1 被控对象数学模型的建立的方法简介73.2 单容液位控制系统对象数学模型的建立74、在Matlab上进行模型的搭建与仿真104.1 在Matlab上进行模型的搭建104.2 控制器的参数整定104.3 整定后的阶跃响应曲线115、结论126、设计体会13参考文献141、设计任务分析1.1背景过程控制是自动技术的重要应用

5、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、

6、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。液位控制工业最大的特点就是连续性，随着科学技术的迅猛发展，以液位控制为代表的连续工业逐步向大型化、连续化、自动化和集成化方向发展。为了提高竞争能力，液位控制工业在不断地通过提高自动化水平来提高产品质量、节省能源、降低成本以获取更加显著的经济效益。从控制工程的观点看，液位控制有如下一些特点：液体工业生产往往伴随有物化反应、生化反应等，因此过程机理比较复杂；被控对象往往是大惯性、高维、大时滞、严重不确定性与非线性等，控制起来非常困难；液位控制工业经常在高温、高压、易燃、易爆等环境下运行，生产的安全

7、性是至关重要的。根据液位控制的特点及其在生产中的工艺要求，可以知道，实现液位过程控制的目的和要求可归纳为：抑制外界扰动的影响；确保液位控制过程的稳定性；使工厂生产状况更加优化。传统的液位控制多采用包含手动控制方式的单回路控制，同时采用传统的指针式机械仪表来显示液位的当前值，如浮子式、磁电式、接近开关式、电容式、声波式等。传统的液位控制在生产中一直占有主导地位，但随着科学技术的发展、生产线的更新，不仅要求更直观、准确、稳定的液位控制系统，同时还要求在降低生产设备的成本、提高设备安全条件等方面有所突破，这就要求我们开发新型既实用又廉价的液位控制系统。液位控制的发展从七十年代到九十年代经历了几个阶段

8、，控制理论由经典控制理论到现代控制理论，再到多学科交叉；控制上具由常规仪表到DCS，再到计算机网络控制；控制要求与控制水平也由原来的简单、安全、平稳到先进、优质、低耗、高产甚至市场预测、柔性生产。可以说，在很短的时间内，液位控制技术得到了飞跃性的发展。近年来，在控制工具方面，更是出现了如预测控制、单片机控制、自适应控制、非线性控制、鲁棒控制、以及智能控制等控制策略。同时，也有了一种新的控制系统，称之为现场总线系统。现场总线技术是计算机技术、通信技术、控制技术的综合与集成。它的特点是全数字化、全分散化、全开放、可互操作和开放式互连网络。它对液位自动控制系统的体系结构、设计方法、安装调试方法和产品

9、结构方面产生了深远的影响。尽管先进液位过程控制能提高控制质量并产生较好的经济效益，但它们仍然是 知识相互孤立的控制系统。于是就出现了综合自动化系统，它是将控制、优化、调度、管理等集于一体的新的控制模式，并将信号处理技术、数据库技术、通信技术以及计算机网络技术进行有机结合而发展起来的高级自动化系统，也被称为计算机集成过程系统（CIPS）。这便是液位过程控制系统的又一崭新的发展阶段。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

10、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设计内容及目的 本次课程设计的主要内容有：1、以THJ-2高级过程控制实验对象系统的下水箱(或者中水箱)作为为研究对象，设计出合理的控制方案。利用MATLAB的曲线拟合的方法分别得出系统系统中的下水箱(或者中水箱)的传递函数。2、利用MATLAB的Simulink搭建单容水箱PID控制系统。3、整定控制器的PID参数，并给出整定后的阶跃响应曲线并进行分析，得出结论。本次课设旨在掌握单容水箱的阶跃响应测试方法并能够根据得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递

11、函数；以及掌握利用MATLAB建立控制系统的模型以及使用PID进行整定实现单容水箱液位定值系统控制过程。2、控制系统总体方案设计2.1 单容液位控制系统对象简介“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。它是本企业根据工业自动化及其他相关专业的教学特点，并吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证而推出的一套全新的综合性实验装置。本装置结合了当今工业现场过程控制的实际，是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，

12、可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。本装置还可根据用户的需要设计构成AI智能仪表，DDC远程数据采集，DCS分布式控制，PLC可编程控制，FCS现场总线控制等多种控制系统，它既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为教师、研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供一个物理模拟对象和实验平台。 图2-1 双容液位控制系统的组成图本实验装置对象主要由水箱和盘管两大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动

13、泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。1、被控对象由不锈钢储水箱、（中、下）两个串接有机玻璃水箱、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。1）水箱：包括中水箱、下水箱和储水箱。中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于直接观察液位的变化和记录结果。中水箱尺寸为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的

14、压力和液位进行检测和变送。中、下水箱可以组合成一阶、二阶单回路液位控制系统和双闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长宽高=68cm5243，完全能满足中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。2）盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。3）管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成

15、，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。2、检测装置1）压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对中、下两个水箱的液位进行检测，其量程为05KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：420mADC。2）流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量

16、精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：01.2m3/h；精度：1.0%；输出：420mADC。3、执行机构1）电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。2）水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，

17、以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。3）电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580；工作电压：24VDC。2.2 控制系统的方案选择2.2.1被控参数及控制参数的选择被控参数是被控制量和系统输出，在单容水箱液位定值控制系统中，液位参数能够被轻易准确地检测，且可以体现控制目标，因此选择液位参数为被控参数。控制量即控制介质，在本次课程设计中选取输入量为控制量。同时选择液面高度作为输出变量。2.2.2

18、测量变送器的选择在工业生产中，对物位进行检测主要目的是监控生产的正常与安全运行，并保证其物料之间的动态平衡。在本次课程设计中，应选取压差式液位计。2.2.3执行器的选择执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。在过程控制系统中，他接受调节器输出的控制信号，并转接成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出的被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。在本次课程设计中，选取以下执行器：1）电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构

19、一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。2）水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。3）电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580；工作电压：24VDC。2.2.4控制器的选择单

20、容水箱液位定值控制系统的通道时间常数较小、负荷变化不大，最好选择无静差以维持液面恒定，故应选择PI调节。3、被控对象数学模型的建立3.1 被控对象数学模型的建立的方法简介建立被控过程数学模型的方法主要有三种：一是机理演绎法；二是试验辨识法；三是机理演绎法与试验辨识法相结合的混合法。机理演绎法又称解析法。它是根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或者动态平衡关系，如物料平衡关系、能量平衡关系。动量平衡关系、相-相平衡关系以及某些物性方程、设备特性方程。物理化学定律等，用数学解析的方法求取被控过程的数学模型。试验辨识法又称系统辨识与参数估计法。该方法的主要思路是：先给被控过程人为地施加一个输入作用

21、，然后记录过程的输出变化量，得到一系列的实验数据或曲线，最后再根据输入-输出实验数据确定其模型的结构与模型的参数。混合法是将机理演绎法和试验辨识法相互交替使用的一种方法。通常采用两种形式：一是对被控过程中已经比较了解且经过实践检验相对成熟的部分先采用机理演绎法推导其数学模型，而对于那些不十分清楚或不确定的部分再采用试验辨识法求其数学模型。另一种方法是先通过机理演绎法分析确定模型的结构形式，再根据试验数据确定模型中的各个参数。3.2 单容液位控制系统对象数学模型的建立所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程

22、。图3-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有 （3-1）图3-1 单容自衡水箱结构图及方框图将式(3-1)表示为增量形式 （3-2）式中：Q1，Q2，h分别为偏离某一平衡状态的增量； A水箱截面积。 在平衡时，Q1=Q2，；当Q1发生变化时，

23、液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀F1-11的阻力R成反比，即 或 (3-3) 式中：R阀F1-11的阻力，称为液阻。将式(3-2)、式(3-3)经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得到单容水箱的数学模型为 (3-4) 式中T为水箱的时间常数，TRC；K为放大系数，KR；C为水箱的容量系数。若令Q1（s）作阶跃扰动，即，x0=常数，则式(3-4)可改写为对上式取拉氏反变换得 (3-5) 当t时，h（）-h（0）=Kx0，因而有 (3-6)

24、当t=T时，则有 (3-7) 式（3-5）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3-2（a）所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。图3-2 单容水箱的阶跃响应曲线如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图3-2（b），在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为： (3-8) 4、在Matlab上进行模型的搭建与仿真4.1 在Matlab上进行模型的搭建图4-1 MATLAB单容液位控制系统模型4.2 控制器的参数整定将积分环节与微分环节置0，当出现等幅振荡时Kc=126，比例度k=0.00793，Tk=7。其输出波形如下图：图4-2 MATLAB单容液位控制系统整定波形根据临界比例度公式可得：表4-1 临界比例度法整定PI调节器参数控制器类型TiP2k=0.01586/PI2.2k