单容液位控制系统设计.

目录1系统设计认识 (1)1.1前言 (1)2系统方案确定、系统建模和原理介绍 (1)2.1控制方案确定 (1)2.2控制系统建模 (1)2.2.1被控对象 (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控制系统方框图 (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检测变送环节分析 (6)4.4被控对象分析 (6)5系统仿真 (7)5.1系统结构图以及参数整定 (7)6仪器仪表选型 (10)6.1 PID调节器选择 (10)6.2执行器选择 (11)6.2.1变频器的选择 (11)6.2.2电机的选择 (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)一、系统设计认识1.1前言过程控制早已在矿业、冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。

在液位控制方面，比如:水塔供水、工矿企业排给水、锅炉汽包液位控制、精馏塔液位控制等更是发挥着重要作用。

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，极易出现操作失误引起事故，造成厂家的经济损失。

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着工厂的生产成本、经济效益以及设备的安全系数。

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。

本设计以单容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，且能满足一般的生产过程要求，在液位控制中得到了广泛的应用，所以本设计单容水箱的液位控制系统采用的就是单回路反馈控制。

它的控制任务就是使水箱液位保持在给定值所要求的高度，并且减少或消除来自系统内部和外部扰动的影响。

通过系统方案的选择，完成系统的工艺流程图设计和方框图的确定，各环节仪表仪器的选型，控制算法的选取，系统的仿真以及控制参数的整定等工作。

二、系统方案确定、系统建模和原理介绍2.1控制方案确定如前言所介绍，由于单回路反馈控制系统结构简单、投资少、操作方便，且能满足一般的生产过程要求，在液位控制中得到了广泛的应用，故采用单回路反馈控制。

液位控制的实现除模拟PID调节器外，还可以采用计算机PID算法控制。

由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D转换，变成数字信号后输入计算机中；在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号；最后，由单片机的输出模拟信号控制交流变频器，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。

2.2控制系统建模2.2.1被控对象本设计探讨的是单容水箱液位控制问题，所以有必要了解被控对象——上水箱的结构和特性。

如图2-1所示，水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。

这样，开度适当，在不溢出的情况下，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。

所以，若阀V2当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。

由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。

图2-1 有自衡单容液位对象2.2.2系统建模本设计研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱（图2-1）。

要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。

正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。

根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模：如图2-1一个简单的水箱液位被控对象，输出变量为液位H ，水箱流入量QV1由水阀来调节，水箱的流出量QV2决定于出水阀的开度。

显然，在任何时刻水位的变化均满足物料平衡关系。

根据动态物料平衡关系有dt dVQ Q V V =-21 （2-1） 式中 V ——水箱内液体的储存量（液体的体积）；t ——时间；dV/dt ——储存量的变化率。

设水箱的横截面积为A ，而A 是一个常数，则因为H A V ⨯= （2-2） 所以dtdH A dt dV ⨯= （2-3） 在静态情况时，dV/dt=0，Q V1=Q V2；当Q V1发生变化时，液位H 将随之变化，水箱出口阀V 2处的静压也随之变化，流量Q V2也必然发生变化。

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。

但当变化很小时，为简化起见，经线性化处理，则可近似认为流出量Q V2与液位H 成正关系，而与出水阀V 2的水阻R s 成反比关系，即sV R H Q =2 （2-4） 在讨论被控对象的特性时，所研究的是未受任何人为控制的被控对象，所以出水阀开度不变，阻力R s 为常数。

将式（2-4）和是（2-3）代入式（2-1），经整理可得 1V s s Q R H dtdH R A ⨯=+⨯⨯ （2-5） 令T=AR s ，K=R s ，并代入式（2-5），可得 1V Q K H dtdH T ⨯=+⨯ （2-6） 式（2-6）是用来描述单容水箱被控对象的微分方程式，它是一个一阶常系数微分方程式。

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，对上式进行拉氏变换，得： 1)(1)()(+==Ts K Q H G s s s （2-7） 令输入流量s R Q s /0)(1=，R 0为常量，则输出液位的高度为： 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 →∞时，0)(KR h =∞,因而有 0()h K R ∞==输出稳态值阶跃输入 （2-10） 所以液位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衡特性，即当输入变量发生变化破坏了被控对象的平衡而引起输出变量变化时，在没有人为干预的情况下，被控对象自身能重新恢复平衡的特性。

当t=T 时，则有100()(1)0.6320.632()h T KR e KR h -=-==∞ （2-11） 式（2-9）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2-2所示。

由式（2-11）可知该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 。

该时间常数T 也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T 。

图2-2 阶跃响应曲线三、系统构成3.1控制系统结构由上面介绍的原理和单容液位控制系统的建模过程可画出控制系统的工艺流程图3-1：图3-1 单容液位控制系统工艺流程图3.2控制系统方框图结合系统结构图3-1，可以很容易的画出系统的控制方框图。

如图3-2：图3-2 单容液位控制系统方框图四、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 控制来作为控制规律。

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 控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差 ()()()e t r t c t =- (4-1) 将偏差的比例（P ）、积分（I ）和微分（D ）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器。

它的控制规律为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；从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID 控制器各校正环节的作用如下：（1）比例环节用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。

p K 越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。

p K 取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。

（2）积分环节主要用来消除系统的稳态误差。

I T 越小，系统的静态误差消除越快，但I T 过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。

若I T 过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。

（3）微分环节能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。

但D T 过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。

4.2执行器分析经分析，在单容液位控制系统中，执行器（包括变频器、电机、泵等环节）可看作一个比例环节。

当然，在整个控制过程中执行环节有一定的滞后作用，可在控制过程中添加一个延迟滞后环节。

对于在此看作比例环节，不妨取比例放大倍数K=5。

延迟滞后环节，不妨取延迟时间τ=1。

4.3检测变送环节分析经分析，在出水阀差压变送检测环节中，当变化量较小时，可将该环节看作一个线性环节，即同样可以看作是一个比例环节。

由于检测变送滞后较小，所以不妨取比例放大系数K=1。

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

因T=AR s ，不妨取T=2。

所以有被控对象的传递函数：1205.0)(1)()(+==s Q H G s s s 经以上各环节分析，可得系统具体点结构图，如4-2图图4-2 系统具体结构图五、系统仿真5.1系统结构图以及参数整定由以上各参数确定后可得系统的仿真结构图，具体参数整定过程可参见下表5-1： 查阅相关资料知，对于液位系统，时间常数范围较大，比例度要大，一般不用微分作用，要求较高时才加入积分作用。

所以初步令T I =0，T D =0，延迟时间τ=1。

表5-1 系统结构以及参数整定表K P=1；T I=0；T D=0；τ=1 K P=5；T I=0；T D=0；τ=1 K P=10；T I=0；T D=0；τ=1 K P=15；T I=0；T D=0；τ=1K P=20；T I=0；T D=0；τ=1 K P=4；T I=0；T D=0；τ=1 K P=4；T I=1；T D=0；τ=1 K P=4；T I=3；T D=0；τ=1由上表PID各参数在不同设定值下的响应曲线结果分析可得，比较理想控制的各参数整定结果可参考：K P=4；T I=0；T D=0；τ=1。

六、仪器仪表选型6.1 PID调节器选择调节器又称控制器，是构成控制系统的核心仪表，其作用是将参数测量值和规定的参数值（给定值）相比较后，得出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作，对过程进行自动控制。