过程控制课程设计之液位流量串级控制系统

目录第一章概述 (4)1.1本课程设计的研究意义 (4)1.2本课程设计的目的和内容 (4)第二章系统结构的控制方案 (5)2.1控制系统在世界应用中的重要意义 (5)2.2系统结构设计 (5)2.3控制系统的总体方框图及工作过程 (6)2.3.1被控对象的分析 (6)第三章PID参数整定 (7)3.1控制规律的比较与选择 (8)3.1.1常见控制规律的类型及优缺点的比较 (8)第四章设备的选型 (11)4.1液位传感器 (11)4.2电磁流量传感器 (11)4.3电动调节阀 (11)4.5变频器 (12)4.6模块选择 (12)4.7适合本系统的检测转换元件 (12)4.8液位检测转换元件 (13)4.9执行元件的选择性能参数 (13)第五章系统仿真和结果分析 (14)第六章实际控制系统的运行与调试 (15)6.1实际控制系统的组成的动态运行图 (15)6.2实际控制系统的运行调试方法 (15)6.3实际控制系统的调试步骤 (17)6.4运行调试中的问题及解决方法 (18)第一章概述1.1 本课程设计课题研究的意义随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。

在这种情况下，简单的单回路控制已经难以满足一些复杂的控制要求。

在单回路控制方案基础上提出的串级控制方案，则对提高过程控制的品质有极为明显的效果。

串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。

因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好，而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现，所以，串级控制是一种易于实现且效果又较好的控制方法。

本课程设计课题讨论了一个简单的液位流量串级控制系统的设计方法及步骤。

液位和流量是工业生产过程中最常用的两个测控参数，因此本课程设计课题具有较大的现实意义。

1.2 本论文的目的和内容1.2.1 目的通过课程设计，加深对所学传感器技术、转换技术、电子技术、自动控制原理以及过程控制的基本原理、基本知识的理解和应用，掌握串级控制系统的设计步骤和方法，掌握工程整定参数方法，培养创新意识，增强动手能力，为今后工作打下一定的理论和实践基础。

1.2.2 内容一、题目：液位流量串级控制系统二、设计指标：液位在0～500mm内给定一个值， ＜5%，稳定时间＜300s,稳态误差≤∣±2mm∣。

三、主要任务：以严谨的态度对待课程设计，认真复习有关基础理论和技术知识，认真查阅参考资料，仔细分析被控对象的工作原理、特性以及控制要求。

能在指导老师的帮助下解决设计中的各种问题，按计划完成课程设计各阶段的任务，使设计的系统的各项指标达到要求。

重视理论与实际结合，并以积极、认真的态度参加课程设计答辩。

第二章系统的控制方案2.1控制系统在实际应用中的重要意义单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。

在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求。

但有些调节对象的动态特性虽然并不复杂，但控制的任务却比较特殊，则单回路控制系统就无能为力了。

另外，随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。

为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，而串级控制系统就是其中一种改善和提高控制品质的极为有效的控制系统。

液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。

液位的时间常数T一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。

而串级控制系统可以用一般常规仪表来实现，成本增加也不大，却可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。

一般情况下，流量是影响液位的主要因素，其时间常数较小，将它纳入副回路进行控制，不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰，而且使系统工作频率提高，能够对液位实行较快的控制。

2.2 系统结构设计整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。

在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID控制规律，调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。

结构组成如下图2.2所示。

当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。

若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。

其过程控制系统图如图2.1所示。

图2.1 控制系统框图过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。

本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图2.2图2.2 液位单回路控制系统框图2.3控制系统的总体方框图及工作过程2.3.1 被控对象的分析一、被控对象的构成图被控对象为图2.3中所示液位对象。

图2.3二、被控对象的工作原理、传递函数及理论推导如下：单容水箱如图2.1所示，Qi 为入口流量，由调节阀开度μ加以控制，出口流量则由电磁阀控制产生干扰。

被调量为水箱中的水位H,它反映水的流入与流出量之间的平衡关系。

现在分析水位在电磁阀开度扰动下的动态特性。

显然，在任何时刻水位的变化均满足下述物料平衡方程：()1i o dH Q Q dt F=- （2.1） 其中 i Q k μμ= （2.2）o Q = （2.3）F 为水箱的横截面积；k μ是决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；k是与电磁阀开度有关的系数，在固定不变的开度下，k 可视为常数。

液位对象的传递函数: ()()i H s Q s =第三章 PID 参数整定3.1 控制规律的比较与选择3.1.1 常见控制规律的类型及优缺点比较PID 控制的各种常见的控制规律如下：一、比例调节（P 调节）在P 调节中，调节器的输出信号()u t 与偏差信号()e t 成比例，即()()C u t K e t = （3.1）式中Kc 称为比例增益（视情况可设置为正或负）, ()u t 为调节器的输出，是对调节器起始值()0u 的增量，()0u 的大小可以通过调整调节器的工作点加以改变。

在过程控制中习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系：()()1u t e t δ=（3.2）其中δ称为比例带。

比例调节的显著特点就是有差调节。

比例调节的余差随着比例带的加大而加大。

从这一方面考虑，人们希望尽量减小比例带。

然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。

稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。

此时，如果余差过大，则需通过其它的途径解决。

δ很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳,甚至可以没有超调，但余差很大，调节时间也很长。

减小δ就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，余差相应减小。

δ具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小δ系统就不稳定了。

二、积分调节（I 调节）的特点在I 调节中，调节器的输出信号的变化速度du (t)/d t 与偏差信号e 成正比，即：()()I du t K e t dt= （3.3） 或 ()()0tI u t K e t dt =⎰ （3.4） 式中K I 称为积分速度，可视情况取正值或负值。

上式表明，调节器的输出与偏差信号的积分成正比。

I 调节的特点是无差调节，与P 调节的有差调节形成鲜明对比。

式（3.3）表明，只有当被调量偏差e 为零时，I 调节器的输出才会保持不变。

然而与此同时，调节器的输出却可以停在任何数值。

这意味着被控对象在负荷扰动的调节过程结束后，被调量没有余差，而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。

I 调节的另一特点是它的稳定作用比P 调节差。

例如，根据奈氏稳定判据可知，对于非自衡的被控对象采用P 调节时，只要加大比例带总可以使系统稳定（除非被控对象含有一个以上的积分环节）；如果采用I 调节则不可能得到稳定的系统。

对于同一个被控对象，采用I 调节时其调节过程的进行总比采用P 调节时缓慢，表现在振荡频率较低。

把它们各自在稳定边界上的振荡频率加以比较就可以知道，在稳定边界上若采用P 调节则被控对象须提供180°相角滞后。

若采用I 调节则被控对象只须提供90°相角滞后。

这就说明用I 调节取代P 调节就会降低系统的振荡频率。

采用I 调节时，控制系统的开环增益与积分速度K I 成正比。

因此，增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。

因为K I 愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡。

但与此同时，振荡频率将愈来愈高，而最大动态偏差则愈来愈小。

被调量最后都没有余差，这是I 调节的特点。

三、比例积分调节（PI 调节）PI 调节就是综合P 、I 两种调节的优点，利用P 调节快速抵消干扰的影响，同时利用I 调节消除余差。

它的调节规律为：()()()0tc I u t K e t K e t dt =+⎰ (3.5) 或 ()()()011tI u t e t e t dt T δ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭⎰ (3.6) 式中δ为比例带，可视情况取正值或负值；I T 为积分时间。

δ和I T 是PI 调节器的两个重要参数。

图3.1是PI 调节器的阶跃响应，它是由比例动作和积分动作两部分组成的。

在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为Δe/δ的阶跃，然后以固定速度Δe/δTI 变化。

当t=T I 时，调节器的总输出为2Δe/δ。

这样，就可以根据图3.1确定δ和T I 的数值。

还可以注意到，当t=T I 时，输出的积分部分正好等于比例部分。

由此可见，T I 可以衡量积分部分在总输出中所占的比重：T I 愈小，积分部分所占的比重愈大。

PI 调节器引入积分动作带来消除余差之好处的同时，却降低了原有系统的稳定性。

为保持控制系统原来的衰减率，PI 调节器比例带必须适当加大，这样会使调节时间ts 增大，最大偏差也会增大。

四、微分调节的特点比例调节和积分调节都是根据当时偏差的方向和大小进行调节的，而不管那时被控对象中流入量与流出量之间有多大的不平衡，而这个不平衡正决定着此后被调量将如何变化的趋势。

由于被调量的变化速度（包括其大小和方向）可以反映当时或稍前一些时间流入、流出量之间的不平衡情况，因此，如果调节器能够根据被调量的变化速度来移动调节阀，而不要等到被调量已经出现较大偏差后才开始动作，那么调节的效果将会更好，等于赋予调节器以某种程度的预见性，这种调节动作称为微分调节。