液位升降过程控制系统设计

《过程控制与集散系统》

课程设计

题目：液位升降过程控制系统设计

学院信息科学与工程学院

班级

学号

学生姓名

指导教师周红军

一、设计题目、任务及要求

1.设计题目：

液位升降过程控制系统设计

2.设计任务：

图1所示为某工业生产中的液位控制设备，设计任务是通过控制系统向水箱注入工业用水，经过液位调节后，使其满足下道工序要求。水箱注水工艺过程为：工业用水由水泵驱动，经送水管道注入水箱内；水箱具有出水口，向下道工序送水；由于工艺对水箱内水压有要求，水箱内液位高度必须达到一定的液位高度；水箱底板具有液位传感器，输水管道上具有流量传感器；输水管道上装有一个调节阀，用以控制向水箱注水的流量，已达到控制水箱液位的目的。

水泵

工业水箱

给定值

输出值

变频器

流量

输出值

去下一

工序

传感器调节

器传感

器调节器水源

电动调节阀

图1 工业水箱液位控制系统

由于水箱时间常数大，且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对水箱液位的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用输水管流量副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。 3.设计要求

(1) 绘制水箱液位单回路反馈控制系统结构框图。

(2) 以水箱液位为主变量，选择滞后较小的管道流量作为副变量，构成水箱液位串级控制系统，要求绘制该串级控制系统结构图。

(3) 假设主对象的传递函数为01()(1)(2)

G s s s =

++学号后两位

，副对象的传递函数为

02()(1)

G s s =

+学号后两位

，主、副控制器的传递函数分别为s K s G c c 21)(11+=，

22)(c c K s G =，1)()(21==s G s G m m ，请确定主、副控制器的参数（要求写出详细的参数估算过程）。

(4) 利用simulink 实现单回路系统仿真和串级系统仿真，分别给出系统输出响应曲线。

二、设计任务分析

（一）系统采用单回路反馈控制系统结构框图

（二）串级控制系统

在送水管道中有一个电动调节阀，根据反馈情况用来控制调节水流量，但由于水流量干扰较多，如水流量不稳定，管道不通畅等众多干扰，因此单回路反馈控制系统不能满足对水箱液位的控制要求。为提高控制质量，采用串级反馈控制系统，以水箱液位为主变量，选择滞后较小的管道流量作为副变量，构成水箱液位串级控制系统，提高控制质量，满足工艺要求。

串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。

三、详细设计

（一）主被控参数的选择

应选择被控过程中能直接反映生产过程中的产品产量和质量，又易于测量的参数。在水箱液位单回路反馈控制系统中水箱液位为系统的主被控参数，因为水箱液位是整个控制作用的关键，要求水箱液位高度维持在某给定值上下。如果其调节欠妥当，会造成整个系统控制设计的失败。

(二) 副被控制参数的选择

从整个系统来看，滞后较小的管道流量虽然不是我们要控制的直接目标，但是滞后的管道流量会很大程度上影响水箱进水速度及液位高度，因此我们选择滞后的管道流量为副被控参数。

(三) 控制器的选择

主控制器的选择：主被控变量是工艺操作的主要指标（液位高度），允许波动的范围很小，一般要求无余差，主控制器应选PI控制规律。

副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量，提高系统的反应速度，提高控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副控制器要选P控制规律。副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量，提高系统的反应速度，提高控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副控制器只要选P控制规律就可以了。

在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：逐步逼近法；两步整定法；一步整定法。逐步逼近法费时费力，在实际中很少使用。两步整定法虽然比逐步逼近法简化了调试过程，但还是要做两次4：1衰减曲线法的实测。对两步整定法进行简化，在总结实践经验的基础上提出了一步整定法。为了简便起见，本设计采用一步整定法。

所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为：

（1）在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/δ2＝0.5这一关

系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。

（2）按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。

（3）改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1 和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质最佳。

（4）如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数TI，即可得到改善。

对于该液位串级控制系统，在一定范围内，主、副控制器的增益可以相互匹配。根据表1，可以大致确定副控制器的增益Kc2及比例带。

表1. 副控制器参数经验设置值

副变量类型副控制器比例度δ2（%）副控制器比例放大倍数KT2 温度20~60 1.7~5

压力30~70 1.4~3

流量40~80 1.25~2.5

液位20~80 1.25~5

根据本设计，适当选取Kc2=2.5（整定时可以根据具体情况再做适当调整）。然后在副回路已经闭合的情况下按单回路控制器参数整定方法整定主控制器，本方案采用衰减曲线法整定，考虑到4：1衰减太慢，因此采用10：1衰减曲线法整定主控制器参数。

一般地取Kv=1,将学号最后两位83带入可计算出主对象的传递函数。

衰减曲线法是在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至10：1衰减过程为止。这时的比例度称为10：1衰减比例度，用δS表示之。相邻两波峰间的距离称为10：1衰减周期TS。根据δS和TS，运用表2所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。

表2. 衰减曲线法整定计算公式

衰减比

整定参数

调节规律

δ/(%)Ti/min Td/min

4:1

P

PI

PID

δs

1.2δs

0.8δs

0.5Ts

0.3Ts 0.1Ts