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V2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 dVQ 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dtdH 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sV 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 dtdH R A ⨯=+⨯⨯(2-5) 令T=AR s ，K=R s ，代入式(2-5)，可得1V Q K H dtdH 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：Ts 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 。

图 2-2 阶跃响应曲线三、系统组成3.1 控制系统结构由上述原理和单容积液位控制系统的建模过程，可以得出控制系统的工艺流程图3-1：图 3-1 单容积液位控制系统工艺流程图3.2 控制系统框图结合系统结构图3-1，可以很容易地画出系统的控制框图。

如图 3-2 所示：图 3-2 单容积液位控制系统框图4、系统各环节分析4.1 调节器PID 控制在液位控制系统中，常采用PID 控制作为控制规律。

常规PID 控制系统原理框图如图4-1所示：图4-1 PID 控制系统原理框图PID 控制器为线性控制器，根据给定值r(t)和实际输出值c(t)形成控制偏差()()()e t r t c t =-(4-1)偏差的比例（P ）、积分（I ）和微分（D ）可以组合起来形成一个控制量来控制被控对象，所以称为PID 控制器。

其控制律为0()1()()()t D P I T de t u t K e t e t dt T dt ⎡⎤=++⎢⎥⎣⎦⎰(4-2)写成传递函数的形式为()1()(1)()P D I U s G s K T s E s T s ==++(4-3)式中p K ——比例系数；I T - 积分时间常数；D T - 微分时间常数；综合考虑系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度，PID 控制器各校正环节的作用如下：(1) 比例链接用于加快系统的响应速度，提高系统的调整精度。

p K 该值越大，系统响应速度越快，系统调整精度越高，但容易产生超调，甚至导致系统不稳定。

p K 该值过小会降低调节精度，响应速度变慢，延长调节时间，恶化系统的静、动态特性。

(2) 积分链接主要用于消除系统的稳态误差。

I T 该值越小，系统的静态误差消除越快，但如果I T 太小，则会在响应过程的早期出现积分饱和现象，从而导致响应过程中出现较大的超调。

如果I T 过大，将难以消除系统的静态误差，影响系统的调整精度。

(3) 差分链接它可以改善系统的动态特性，其主要作用是抑制响应过程中任何方向的偏差变化，并提前预测偏差变化。

但如果D T 过大，则会提前制动响应过程，从而延长调整时间，降低系统的抗干扰性能。

4.2 执行器分析经分析，在单容积液位控制系统中，执行器（包括变频器、电机、泵等环节）可视为比例环节。

当然，执行环节在整个控制过程中有一定的滞后性，可以在控制过程中加入延迟滞后环节。

对于这里的比例链接，建议取比例放大K=5。

延迟滞后环节，不妨取延迟时间τ=1。

4.3 检测传输链路分析经分析，在出口阀的差压传递检测环节，当变化较小时，该环节可以看成是线性环节，即也可以看成比例环节。

由于检测和传输滞后较小，宜取比例放大系数K=1。

4.4 被控对象分析通过查阅相关资料和网页，得出水阀的水阻力，R s =0.05，即K = 0.05。

因为 T=AR s ，我们不妨取 T=2。

所以受控对象有一个传递函数：1205.0)(1)()(+==s Q H G s s s 经过以上环节的分析，可以得到系统的具体点结构图，如图4-2所示图4-2 系统的具体结构5. 系统仿真5.1 系统结构图及参数设置上述参数确定后，即可得到系统的仿真结构图。

具体参数设置过程见下表5-1：根据有关资料，对于液位系统，时间常数大，比例大。

一般不需要微分作用，只有在要求高时才加积分作用。

所以初始设定TI =0，TD=0，延迟时间τ=1。

表 5-1 系统结构及参数设置表KP =1； TI=0； TD=0；τ=1KP = 5 ； TI= 0 ； TD= 0 ；τ = 1KP = 10 ； TI= 0 ； TD= 0 ；τ = 1KP = 15 ； TI= 0 ； TD= 0 ；τ = 1KP = 20 ； TI= 0 ； TD= 0 ；τ = 1KP = 4 ； TI= 0 ； TD= 0 ；τ = 1KP=4； TI=1； TD=0；τ = 1KP=4； TI=3； TD=0；τ = 1可通过分析上表中PID参数在不同设定值下的响应曲线结果得出，理想控制各参数的设定结果可参考：KP =4； TI=0； TD=0；τ=1。