单容液位控制系统设计说明

目录

1 系统设计理解 (1)

1.1 前言 (1)

2 系统方案确定、系统建模及原理介绍 (1)

2.1 控制方案的确定 (1)

2.2 控制系统建模 (1)

2.2.1 被告...................................................... ....................... .............................. (1)

2.2.2 系统建模 (2)

3 系统构成 (4)

3.1 控制系统结构 (4)

3.2 控制系统框图 (4)

4 系统各环节分析 (5)

4.1 调节器PID控制 (5)

4.2 执行器分

析 ................................................... ......................... ............................ . (6)

4.3 检测与传输链路分析 (6)

4.4 被控对象分析 (6)

5 系统仿真 (7)

5.1 系统结构图及参数设置 (7)

6 仪器选择 (10)

6.1 PID调节器选择 (10)

6.2 执行器选型 (11)

6.2.1 变频器选

型 (11)

6.2.2 电机选型 (11)

6.2.3 泵的选择 (12)

6.3 差压变送器的选择 (12)

7 课程设计结束语 (14)

参考文献 (15)

1.对系统设计的理解

1.1 前言

过程控制已广泛应用于矿山、冶金、机械、化工、电力等领域。在液位控制方面，如：水塔供水、工矿企业排水、锅炉汽包液位控制、精馏塔液位控制等，发挥着重要作用。在这些生产领域中，操作基本上是劳动密集型或危险的。很容易因为操作失误而引发事故，给制造商造成经济损失。可以看出，在实际生产中，液位控制的准确性和控制效果直接影响工厂的生产成本、经济效益和安全系数。因此，为了保证安全条件和方便操作，有必要研究和开发先进的液位控制方法和策略。

本设计以单容量水箱的液位控制系统为研究对象。由于单回路反馈控制系统结构简单，投资少，操作方便，能满足一般生产工艺要求，已广泛应用于液位控制。回路反馈控制。其控制任务是使罐体液位保持在给定值所要求的高度，减少或消除来自系统和外界干扰的影响。通过系统方案的选择、工艺流程图的设计和系统框图的确定、各环节仪器的选择、控制算法的选择、系统的仿真和设置控制参数完成。

2、系统方案确定、系统建模及原理介绍

2.1 控制方案的确定

介绍中提到，单回路反馈控制系统因其结构简单、投资少、操作方便、能满足一般生产工艺要求而被广泛应用于液位控制。

除了模拟PID调节器外，还可以通过计算机PID算法实现液位控制。水箱水位由差压传感器检测；水位实际值通过单片机进行A/D转换，再转换成数字信号输入计算机；在计算机中，根据水位给定值与实际输出值的差值，采用PID程序算法得到输出值，然后传送给单片机，单片机将数字转换为信号转换成模拟信号；最后由单片机输出的模拟信号控制交流逆变器，进而控制电机转速，从而形成闭环系统，实现水位的计算机化。自动控制。

2.2 控制系统建模

2.2.1 被控对象

本设计讨论的是单容量水箱的液位控制问题，因此有必要了解被控对象——上水箱的结构和特点。如图2-1所示，水箱的出水量与水压有关，水压几乎与水位成正比。这样，当水箱的

适当，在不溢流的情况下，当水水位上升时，它的出水量也在增加。因此，如果阀门V

2的开度

箱进水量恒定时，水位的上升速度会逐渐减慢，最终达到平衡。可见，单容量水箱系统是一个自平衡系统。

图 2-1 具有自平衡功能的单体积液位对象

2.2.2 系统建模

本设计研究中只有一个受控对象，即单容量水箱（图2-1）。为了更好地对对象进行计算机控制，需要建立被控对象的数学模型。如前所述，单容积罐是一种自平衡系统。根据它的这一特点，我们可以用阶跃响应测试方法对其进行建模：

如图2-1所示，一个简单的水箱液位控制对象，输出变量为液位H ，水箱进水量QV1由水阀调节，水箱出水量QV2由水箱的开度决定出水阀。显然，任何时候的水位变化都满足物质平衡关系。

根据动态物质平衡关系，有

dt dV

Q Q V V =-21(2-1)

式中，V ——水箱中液体的储存容量（液体的体积）；

t ——时间；

dV/dt ——存储量的变化率。

设罐的横截面积为 A ，A 为常数，因为

H A V ⨯=(2-2)

所以

dt

dH A dt dV ⨯=(2-3) 静态时，dV/dt=0，Q V1 =Q V2 ；当Q V1变化时，液位H 也随之变化，水箱出口阀V 2处的静压也随之变化，流量Q V2也随之变化。改变必然会发生。由流体力学可知，在湍流的情况下，

液位H 与流速之间存在非线性关系。但是，当变化很小时，为简单起见，经过线性化后，可以近似认为流出量Q V2与液位H 呈正相关，与水的水阻R s 成反比出口阀 V 2 ，即

s

V R H Q =2(2-4) 在讨论被控对象的特性时，研究的是不受任何人为控制的被控对象，因此出口阀的开度保持不变，阻力Rs 不变。

将式（2-4）和Yes （2-3）代入式（2-1），可得

1V s s Q R H dt

dH R A ⨯=+⨯⨯(2-5) 令T=AR s ，K=R s ，代入式(2-5)，可得

1V Q K H dt

dH T ⨯=+⨯(2-6) 式(2-6)是用于描述单容量水箱控制对象的微分方程，是一阶常系数微分方程。式中的T 称为时间常数，K 称为被控对象的放大系数，它们反映了被控对象的特性。

在零初始条件下，对上式进行拉普拉斯变换，得到：

1

)(1)

()(+==Ts K Q H G s s s (2-7) 设输入流量s R Q s /0)(1=，R 0为常数，则输出液位高度为：

T

s KR s KR Ts s KR H s /1)1(000)(+-=+=(2-8) 即10()(1)t T h t KR e -=-（2-9）

当 t →∞, 0)(KR h =∞, 所以我们有

0()h K R ∞==输出稳态值阶跃输入(2-10)

所以液面会稳定在一个新的平衡状态，此时Q V1 =Q V2 。这就是被控对象的自平衡特性，即当

输入变量的变化破坏了被控对象的平衡并导致输出变量发生变化时，被控对象本身可以恢复平衡而无需人为干预。

当 t=T 时，有

100()(1)0.6320.632()h T KR e KR h -=-==∞(2-11)

式（2-9）表明一阶惯性连杆的响应曲线是一个单调上升的指数函数，如图2-2所示。由公式（2-11）可知，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 。时间常数T 也可以通过坐标原点与响应曲线相切，该切线与稳态值的交点对应的时间就是时间常数T 。