單容液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目錄1系統(tǒng)設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)1 1.1前言12系統(tǒng)方案確定、系統(tǒng)建模和原理介紹1 2.1控制方案確定1 2.2控制系統(tǒng)建模1 2.2.1被控對(duì)象1 2.2.2系統(tǒng)建模23系統(tǒng)構(gòu)成4 3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4 3.2控制系統(tǒng)方框圖44系統(tǒng)各環(huán)節(jié)分析5 4.1調(diào)節(jié)器PID控制5 4.2執(zhí)行器分析6 4.3檢測變送環(huán)節(jié)分析6 4.4被控對(duì)象分析65系統(tǒng)仿真7 5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖以及參數(shù)整定76儀器儀表選型10 6.1 PID調(diào)節(jié)器選擇10 6.2執(zhí)行器選擇11 6.2.1變頻器的選擇11 6.2.2電機(jī)的選擇11 6.2.3泵的選擇12 6.3差壓變送器的選擇127課程設(shè)計(jì)結(jié)束語14參考文

2、獻(xiàn)15一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)1.1前言 過程控制早已在礦業(yè)、冶金、機(jī)械、化工、電力等方面得到了廣泛應(yīng)用。在液位控制方面，比如:水塔供水、工礦企業(yè)排給水、鍋爐汽包液位控制、精餾塔液位控制等更是發(fā)揮著重要作用。在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，基本上都是勞動(dòng)強(qiáng)度大或者操作有一定危險(xiǎn)性的工作，極易出現(xiàn)操作失誤引起事故，造成廠家的經(jīng)濟(jì)損失?？梢?，在實(shí)際生產(chǎn)中，液位控制的準(zhǔn)確程度和控制效果直接影響著工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)效益以及設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全條件、方便操作，就必須研究開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。 本設(shè)計(jì)以單容水箱的液位控制系統(tǒng)為研究對(duì)象。由于單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、投資少、操作方便，且能滿足一般的生產(chǎn)

3、過程要求，在液位控制中得到了廣泛的應(yīng)用，所以本設(shè)計(jì)單容水箱的液位控制系統(tǒng)采用的就是單回路反饋控制。它的控制任務(wù)就是使水箱液位保持在給定值所要求的高度，并且減少或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部擾動(dòng)的影響。通過系統(tǒng)方案的選擇，完成系統(tǒng)的工藝流程圖設(shè)計(jì)和方框圖的確定，各環(huán)節(jié)儀表儀器的選型，控制算法的選取，系統(tǒng)的仿真以及控制參數(shù)的整定等工作。二、系統(tǒng)方案確定、系統(tǒng)建模和原理介紹2.1控制方案確定 如前言所介紹，由于單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、投資少、操作方便，且能滿足一般的生產(chǎn)過程要求，在液位控制中得到了廣泛的應(yīng)用，故采用單回路反饋控制。 液位控制的實(shí)現(xiàn)除模擬PID調(diào)節(jié)器外，還可以采用計(jì)算機(jī)PID算法控制。由

4、差壓傳感器檢測出水箱水位；水位實(shí)際值通過單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)中；在計(jì)算機(jī)中，根據(jù)水位給定值與實(shí)際輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到單片機(jī)中，由單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；最后，由單片機(jī)的輸出模擬信號(hào)控制交流變頻器，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。2.2控制系統(tǒng)建模2.2.1被控對(duì)象 本設(shè)計(jì)探討的是單容水箱液位控制問題，所以有必要了解被控對(duì)象上水箱的結(jié)構(gòu)和特性。如圖2-1所示，水箱的出水量與水壓有關(guān)，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當(dāng)水箱水位升高時(shí)，其出水量也在不斷增大。所以，若閥V2開度適當(dāng)，在不溢出的

5、情況下，當(dāng)水箱的進(jìn)水量恒定不變時(shí)，水位的上升速度將逐漸變慢，最終達(dá)到平衡。由此可見，單容水箱系統(tǒng)是一個(gè)自衡系統(tǒng)。 圖2-1 有自衡單容液位對(duì)象2.2.2系統(tǒng)建模 本設(shè)計(jì)研究的被控對(duì)象只有一個(gè)，那就是單容水箱（圖2-1）。要對(duì)該對(duì)象進(jìn)行較好的計(jì)算機(jī)控制，有必要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。正如前面提到的，單容水箱是一個(gè)自衡系統(tǒng)。根據(jù)它的這一特性，我們可以用階躍響應(yīng)測試法進(jìn)行建模： 如圖2-1一個(gè)簡單的水箱液位被控對(duì)象，輸出變量為液位H，水箱流入量QV1由水閥來調(diào)節(jié)，水箱的流出量QV2決定于出水閥的開度。顯然，在任何時(shí)刻水位的變化均滿足物料平衡關(guān)系。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有 （2-1）式中 V水箱內(nèi)液體的

6、儲(chǔ)存量（液體的體積）； t時(shí)間；dV/dt儲(chǔ)存量的變化率。設(shè)水箱的橫截面積為A，而A是一個(gè)常數(shù)，則因?yàn)?（2-2）所以 （2-3）在靜態(tài)情況時(shí)，dV/dt=0，QV1=QV2；當(dāng)QV1發(fā)生變化時(shí)，液位H將隨之變化，水箱出口閥V2處的靜壓也隨之變化，流量QV2也必然發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位H與流量之間為非線性關(guān)系。但當(dāng)變化很小時(shí)，為簡化起見，經(jīng)線性化處理，則可近似認(rèn)為流出量QV2與液位H成正關(guān)系，而與出水閥V2的水阻Rs成反比關(guān)系，即 （2-4） 在討論被控對(duì)象的特性時(shí)，所研究的是未受任何人為控制的被控對(duì)象，所以出水閥開度不變，阻力Rs為常數(shù)。將式（2-4）和是（2-3）

7、代入式（2-1），經(jīng)整理可得 （2-5）令T=ARs，K=Rs，并代入式（2-5），可得 （2-6） 式（2-6）是用來描述單容水箱被控對(duì)象的微分方程式，它是一個(gè)一階常系數(shù)微分方程式。式中的T稱為時(shí)間常數(shù)，K稱為被控對(duì)象的放大系數(shù)，它們反映了被控對(duì)象的特性。在零初始條件下，對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換，得： （2-7）令輸入流量，R0為常量，則輸出液位的高度為： (2-8)即 （2-9）當(dāng)t時(shí)，,因而有 （2-10）所以液位會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)新的平衡狀態(tài)，此時(shí)，QV1=QV2。這就是被控對(duì)象的自衡特性，即當(dāng)輸入變量發(fā)生變化破壞了被控對(duì)象的平衡而引起輸出變量變化時(shí)，在沒有人為干預(yù)的情況下，被控對(duì)象自身能重新恢復(fù)

8、平衡的特性。當(dāng)t=T時(shí)，則有 （2-11）式（2-9）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2所示。由式（2-11）可知該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，就是水箱的時(shí)間常數(shù)T。該時(shí)間常數(shù)T也可以通過坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T。圖2-2 階躍響應(yīng)曲線三、系統(tǒng)構(gòu)成3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 由上面介紹的原理和單容液位控制系統(tǒng)的建模過程可畫出控制系統(tǒng)的工藝流程圖3-1： 圖3-1 單容液位控制系統(tǒng)工藝流程圖3.2控制系統(tǒng)方框圖 結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3-1，可以很容易的畫出系統(tǒng)的控制方框圖。如圖3-2：圖3-2 單容液位控制系統(tǒng)方框圖四、系

9、統(tǒng)各環(huán)節(jié)分析4.1 調(diào)節(jié)器PID控制 在液位控制系統(tǒng)中，常采用PID控制來作為控制規(guī)律。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示：圖4-1 PID控制系統(tǒng)原理框圖 PID控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差 (4-1) 將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。它的控制規(guī)律為 (4-2)寫成傳遞函數(shù)形式為 (4-3)式中 比例系數(shù)； 積分時(shí)間常數(shù)； 微分時(shí)間常數(shù)； 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié) 用于加快系統(tǒng)的響

10、應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。（2）積分環(huán)節(jié) 主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過小，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。（3）微分環(huán)節(jié) 能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但過大，會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。4.2執(zhí)行器分

11、析 經(jīng)分析，在單容液位控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器（包括變頻器、電機(jī)、泵等環(huán)節(jié)）可看作一個(gè)比例環(huán)節(jié)。當(dāng)然，在整個(gè)控制過程中執(zhí)行環(huán)節(jié)有一定的滯后作用，可在控制過程中添加一個(gè)延遲滯后環(huán)節(jié)。對(duì)于在此看作比例環(huán)節(jié)，不妨取比例放大倍數(shù)K=5。延遲滯后環(huán)節(jié)，不妨取延遲時(shí)間=1。4.3檢測變送環(huán)節(jié)分析 經(jīng)分析，在出水閥差壓變送檢測環(huán)節(jié)中，當(dāng)變化量較小時(shí)，可將該環(huán)節(jié)看作一個(gè)線性環(huán)節(jié)，即同樣可以看作是一個(gè)比例環(huán)節(jié)。由于檢測變送滯后較小，所以不妨取比例放大系數(shù)K=1。4.4被控對(duì)象分析 通過查閱相關(guān)資料和網(wǎng)頁資料，取出水閥的水阻Rs=0.05，即K=0.05。因T=ARs，不妨取T=2。所以有被控對(duì)象的傳遞函數(shù)： 經(jīng)以上各

12、環(huán)節(jié)分析，可得系統(tǒng)具體點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖，如4-2圖圖4-2 系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)圖五、系統(tǒng)仿真5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖以及參數(shù)整定 由以上各參數(shù)確定后可得系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖，具體參數(shù)整定過程可參見下表5-1：查閱相關(guān)資料知，對(duì)于液位系統(tǒng)，時(shí)間常數(shù)范圍較大，比例度要大，一般不用微分作用，要求較高時(shí)才加入積分作用。所以初步令TI=0，TD=0，延遲時(shí)間=1。表5-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及參數(shù)整定表KP=1；TI=0；TD=0；=1KP=5；TI=0；TD=0；=1KP=10；TI=0；TD=0；=1KP=15；TI=0；TD=0；=1KP=20；TI=0；TD=0；=1KP=4；TI=0；TD=0；=1KP=4；TI=1；TD=0

13、；=1KP=4；TI=3；TD=0；=1由上表PID各參數(shù)在不同設(shè)定值下的響應(yīng)曲線結(jié)果分析可得，比較理想控制的各參數(shù)整定結(jié)果可參考：KP=4；TI=0；TD=0；=1。六、儀器儀表選型6.1 PID調(diào)節(jié)器選擇 調(diào)節(jié)器又稱控制器，是構(gòu)成控制系統(tǒng)的核心儀表，其作用是將參數(shù)測量值和規(guī)定的參數(shù)值（給定值）相比較后，得出被調(diào)量的偏差，再根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)，從而推動(dòng)執(zhí)行器工作，對(duì)過程進(jìn)行自動(dòng)控制。PID調(diào)節(jié)器實(shí)際是一個(gè)運(yùn)算裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的比例、積分、微分等各種運(yùn)算功能。圖6-1為PID調(diào)節(jié)器的組成框圖。圖6-1 PID調(diào)節(jié)器組成框圖 通過查閱相關(guān)網(wǎng)頁資料可以選擇如下液位調(diào)節(jié)儀作為調(diào)節(jié)器。

14、如圖6-2：圖6-2 SZD-S-2 液位調(diào)節(jié)儀編號(hào)：YH 型號(hào)：SZD-S-2技術(shù)參數(shù)：1、適用介質(zhì)：非腐蝕性液體，比重0.8 2、工作壓力：傳感器2.5Mpa 3、工作溫度：傳感器250 儀表50 4、工作電壓：220VAC15%50HZ 5、環(huán)境溫度：儀表工作溫度：050 6、相對(duì)濕度：85 7、功耗：10VA 8、液位顯示范圍：50mm 9、閥位反饋信號(hào)： DC 010mA (DKZ-310) 電感或電位器（ZAZ執(zhí)行器） 10、液位輸入：電感信號(hào)、010m、420mA（內(nèi)部跳線） 11、報(bào)警觸點(diǎn)輸出：220V、10A 12、開關(guān)閥觸點(diǎn)輸出：220V、10A6.2 執(zhí)行器選擇 執(zhí)行器的

15、作用是接受調(diào)節(jié)器送來的控制信號(hào)，自動(dòng)地改變操作量，達(dá)到對(duì)被調(diào)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。執(zhí)行器的好壞直接影響到調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常工作。6.2.1變頻器的選擇 正確選用變頻器的類型，首先要按照生產(chǎn)機(jī)械的類型、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，然后決定選用那種控制方式的變頻器最合適。查閱相關(guān)網(wǎng)頁資料可選變頻器，如圖6-3。圖6-3 IC5變頻器 SV022iC5變頻器技術(shù)參數(shù)：1.額定電機(jī)功率：2.2KW2.額定輸出容量：4.5KVA3.額定輸出電壓：三相 220-230V4.額定輸出頻率：0-400Hz5.額定輸入電壓：單相 200-230V6.額定輸入頻率：50-60Hz6.2.2 電機(jī)的選擇圖6-

16、4 YTPS、YVP系列變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)圖6-5 YTPS、YVP系列變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)6.2.3 泵的選擇 泵是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的能量，用來增壓輸送液體的機(jī)械。查閱相關(guān)網(wǎng)頁資料可選如下圖6-6臥式水泵。圖6-6 ISW型臥式管道離心泵 IS、 IR單級(jí)離心泵圖6-7 ISW型臥式管道離心泵 IS、 IR單級(jí)離心泵技術(shù)參數(shù)6.3 差壓變送器的選擇 差壓變送器是用來把差壓、流量、液位等被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并將此統(tǒng)一信號(hào)輸送給指示、記錄儀表或調(diào)節(jié)器等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)上述參數(shù)的顯示、記錄或調(diào)節(jié)。通過查閱相關(guān)網(wǎng)頁資料，圖6-8 3351/3051電容式差壓變送器技術(shù)性能： 1、

17、使用對(duì)象：液體、氣體或蒸汽 2、測量范圍：見選型規(guī)格表 3、輸出信號(hào)：420mAdc輸出，疊加HART協(xié)議數(shù)字信號(hào)(兩線制)4、電 源：外部供電24V dc，電源范圍12V45V5、遷移特性： 在最小量程時(shí)，最大正遷移零點(diǎn)是3940倍的量程上限值，最大負(fù)遷移 零點(diǎn)可以是量程下限值，絕對(duì)壓力變送器無負(fù)遷移。(不管輸出形式如何，正負(fù)遷移后，其量程上、下限均不得超過量程的極限)6、負(fù)載特性： 7、溫度范圍： 電子線路板工作在 一4085； 敏感元件工作在 一40104； 儲(chǔ)存溫度 一4085； 帶數(shù)字顯示 一2570(正常運(yùn)行)； 一4085(無損壞)； 8、相對(duì)濕度：O95 9、超壓極限：DP型，

18、加O(絕對(duì)壓力)13MPa壓力變送器不損壞；正常工作壓力在 3.4kPa(絕對(duì)壓力)至量程上限。 10、容積變化量：小于016cm311、阻 尼：時(shí)間常數(shù)在02320s之間可調(diào)。 12、啟動(dòng)時(shí)間：3s，不需預(yù)熱。 性能指標(biāo) (在無遷移、316不銹鋼隔離膜片及其他標(biāo)準(zhǔn)測試條件下。)1、精度：O.1，0.2 2、穩(wěn)定性：最大量程范圍的0256個(gè)月 3、溫度影響：零點(diǎn)溫度誤差為最大量程的0.555 ；包括零點(diǎn)和量程的總溫度誤差為最大量程的1055.（注意：對(duì)于量程3溫度影響誤差加倍。） 4、靜壓影響：(DP型在線性輸出時(shí))零點(diǎn)誤差：加靜壓140kgfcm2后，量程4、5的零點(diǎn)誤差為最大量程范圍的02

19、5，量程3、6、7、8的零點(diǎn)誤差為最大量程范圍的05。這是系統(tǒng)誤差，安裝前可按實(shí)際靜壓調(diào)校變送器零點(diǎn)，消防這個(gè)誤差。(HP型在線性輸出時(shí))零點(diǎn)誤差：加靜壓31.2MPa后，零點(diǎn)誤差小于最大量程的2.0。這是系統(tǒng)誤差，安裝前可按實(shí)際靜壓調(diào)校變送器零點(diǎn)，消除這個(gè)誤差。 5、電源影響：小于輸出量程的0.005V。 6、振動(dòng)影響：在任意軸向上，頻率為200Hz，誤差為最大量程范圍的0.05g.7、負(fù)載影響：只要輸出變送器的電壓高于12V，在負(fù)載工作區(qū)內(nèi)無負(fù)載影響。 8、安裝位置影響：最大可生產(chǎn)不大于13.25kPa的零位誤差，可通過校正消除這個(gè) 9、誤差，對(duì)量程無影響；測量本體相對(duì)法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)無影響。七、課程設(shè)計(jì)結(jié)束語近兩個(gè)星期的單容液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以說是對(duì)自己綜合知識(shí)、能力的挑戰(zhàn)。從剛開始設(shè)計(jì)時(shí)的蒙頭蒼蠅到如今的靈活運(yùn)用。在設(shè)計(jì)期間我鍛煉了很多，也收獲了很多！首先，通過對(duì)單容水箱控制對(duì)象特性的分析，我逐步對(duì)系統(tǒng)有了了解，對(duì)各環(huán)節(jié)工作過程有了進(jìn)一步掌握。其次，通過大量相關(guān)資料和網(wǎng)頁的參考，我對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過程有了較為完善的構(gòu)思。著手開始設(shè)計(jì)的那段時(shí)間確實(shí)比較痛苦，感覺無從下手。正所謂萬事開頭難，通過與同學(xué)們的討論合作，我們找到了一種絕處逢生的感覺，有了頭緒和思路之后設(shè)計(jì)就顯得水到渠成了。