雙容液位單回路控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

目錄TOC\o"1-5"\h\z1 引言 22系統(tǒng)變量的確定 23控制方案的確定 24被控對(duì)象的特性 35調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的確定 5PID調(diào)節(jié)原理 5PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 6各個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)及各個(gè)參數(shù)的確定 6整定過(guò)程 76儀表的選型 106.1調(diào)節(jié)器的選用 10執(zhí)行器的選擇 116.3液位變送器 127總結(jié) 14一引言在一般的化工實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制中，常要進(jìn)行液位的控制。根據(jù)工藝要求需要連續(xù)控制容器內(nèi)流入和流出物料的平衡情況，使液位保持在工藝要求的范圍內(nèi)。本題目選用雙容水箱作為控制對(duì)象，控制方案采用單回路控制，單回路控制系統(tǒng)又被稱(chēng)為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，它是由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)元件及傳感器（或變送器）、一個(gè)調(diào)節(jié)器和一個(gè)執(zhí)行器所構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的控制對(duì)象圖如下：圖1.1二系統(tǒng)變量的確定在定性地確定目標(biāo)后，通常需要用工業(yè)過(guò)程的被控變量來(lái)定量的表示控制目標(biāo)，被控變量也是工業(yè)過(guò)程的輸出變量，根據(jù)被控變量的選用原則，這里選擇水箱2的液位高度H2作為被控變量。工業(yè)過(guò)程的輸入變量有兩類(lèi)：控制（或操作）變量和擾動(dòng)變量。在生產(chǎn)過(guò)程中，干擾是客觀存在的他是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的因素，而操作變量是克服干擾的影響，是控制系統(tǒng)重新穩(wěn)定運(yùn)行的因素。因此，正確選擇操作變量可是控制系統(tǒng)有效克服干擾的影響。本題中選擇水箱1的入水管流量Q1為操縱變量三控制方案的確定本題選用單回路控制，單回路控制系統(tǒng)又稱(chēng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于分析設(shè)計(jì)，并且能滿(mǎn)足一般生產(chǎn)過(guò)程的控制要求，因此在生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)方框圖如下：擾劫、繪宅— 1 —S調(diào)節(jié)器f電動(dòng)閥—?上小水箱—?下小水箱丁_ 圖3.1四被控對(duì)象的特性輸入變量q1,輸出變量q2時(shí),雙容對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性描述如下:根據(jù)物料平衡關(guān)系對(duì)水箱1：q-q=A虬,q=上兩式經(jīng)拉氏變換得1 2 1dt2R2Q(s)-Q(s)=AsH(s),Q(s)=Hi(()1 2 1 1 2 R2對(duì)水箱2:經(jīng)拉氏變換得q-q=A絲，q=匕經(jīng)拉氏變換得2 3 2dt3R3Q(s)-Q(s)=AsH(s),Q(s)=H^2 3 2 2 3 R2由(1)、(2)兩式得此雙容對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性:H2(s)=KQ1(s) (T1s+1)(T2s+1)式中：A1,A2 兩液槽的容量系數(shù)R,R 閥2,3的阻力系數(shù)T=A1R2 水箱2的時(shí)間常數(shù)T=AR 水箱3的時(shí)間常數(shù)

雙容對(duì)象的比例放大系數(shù)K=R3雙容對(duì)象的比例放大系數(shù)若雙容對(duì)象調(diào)節(jié)閥1開(kāi)度所引起的流入量還存在純延遲，則其傳遞函數(shù)可推導(dǎo)為：H2(s)二K tQ1(s) (T1s+1)(T2s+1)'如圖1所示，被控對(duì)象是由兩個(gè)水箱串聯(lián)連接，由于有兩個(gè)儲(chǔ)水的容積，故稱(chēng)其為雙容對(duì)象。被調(diào)量是下水箱的液位，當(dāng)輸入量有一階躍增量變化時(shí)，兩水箱的液位變化曲線如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，上水箱的響應(yīng)曲線為一單調(diào)的指數(shù)函數(shù)，下水箱液位的響應(yīng)曲線呈S形狀。顯然，多了一個(gè)水箱，液位響應(yīng)就更加滯后。由S型曲線的拐點(diǎn)P處做一切線，它與時(shí)間軸的交點(diǎn)為A，OA則表示了對(duì)象響應(yīng)的滯后時(shí)間，雙容對(duì)象兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)可按下述方法來(lái)確定。在圖4.1所示的階躍響應(yīng)曲線上求取：h(t)=0.4h(s)時(shí)曲線上的占B和對(duì)應(yīng)的時(shí)間L-2 1 2 1,h(t)=0.8h(s)時(shí)曲線上的占C和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t22 2 2然后，利用下面的近似公式計(jì)算式Kh(s)輸入穩(wěn)態(tài)量=R°—階躍輸入量t+t2.16TT t———一=(1.74—-0.55) 0.32<t/1<0.46(T+T)2 12 12由上述兩式中即可求出T和由上述兩式中即可求出T和T，從而最終確定雙容對(duì)象的傳遞特性。圖4.1上下水箱階躍響應(yīng)特性曲線五調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的確定本設(shè)計(jì)采用工業(yè)設(shè)計(jì)中最常用的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律即比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。5.1PID調(diào)節(jié)原理圖5.1PID控制基本原理圖PID控制器是一種線性負(fù)反饋控制器，根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際值y(t)構(gòu)成控制偏差：e(t)=r(t)-y(t)。PID控制規(guī)律為：U(t)=Kp[e(t)+—je(t)+Td^^]Ti dt0或以傳遞函數(shù)形式表示:w（s）=四里=kp（1+—+Tds）E（s） Tis式中，KP:比例系數(shù)TI:積分時(shí)間常數(shù)TD:微分時(shí)間常數(shù)PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：比例控制（P）：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系，能較快克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。但當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（2） 積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差的累積取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)越大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。但是過(guò)大的積分速度會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過(guò)程。比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。（3） 微分控制（D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，在這里采用比例積分控制，其中比例環(huán)節(jié)可以顯著改善系統(tǒng)性能，積分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)余差。特別對(duì)于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對(duì)象，比例積分控制能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。具體確定過(guò)程見(jiàn)參數(shù)整定。5.2PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定（1）各個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)及各個(gè)參數(shù)的確定雙容液位對(duì)象:水箱1的時(shí)間常數(shù)T1=5min水箱2的時(shí)間常數(shù)t2=10min雙容液位對(duì)象的比例放大系數(shù)K=0.5調(diào)節(jié)閥近似為比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)K=2

測(cè)量變送環(huán)節(jié)同樣近似為比例系數(shù)為1的比例環(huán)節(jié)(2)整定過(guò)程控制方框圖：圖5.1只考慮比例控制，令比例放大系數(shù)K=5,t=s，Td=0圖5.2

由圖中可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)曲線為衰減振蕩曲線，響應(yīng)的超調(diào)量有些大.減小比例系數(shù)放大，令比例放大系數(shù)K=1,t=s，Td=Q圖5.3由圖中可以看出系統(tǒng)響應(yīng)曲線振蕩減弱，超調(diào)量減小.但是相應(yīng)系統(tǒng)余差在增大，因此有必要引入積分控制以消除余差.令比例放大系數(shù)K=1,t=0.08,T=0

圖5.4引入積分環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)余差被消除,超調(diào)量很小。令比例放大系數(shù)K=1,t=0.08,T=1,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)如下:

圖5.55.3綜上所述，系統(tǒng)控制規(guī)律采用比例積分控制可以得到較為優(yōu)良的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。增加微分環(huán)節(jié)后系統(tǒng)特性改善不明顯，微分時(shí)間選擇不當(dāng)還會(huì)造成系統(tǒng)的振蕩。因此調(diào)節(jié)規(guī)律采用比例積分控制。六儀表的選型6.1調(diào)節(jié)器的選用調(diào)節(jié)器選擇SZD-B型單沖量液位調(diào)節(jié)儀，這種液位調(diào)節(jié)儀為P1連續(xù)給水調(diào)節(jié)裝置，主要適用于1?35Th/,壓力＜2.5Mpa的各種鍋爐鍋筒水位自動(dòng)調(diào)節(jié)。圖6.1主要技術(shù)參數(shù)1、 適用介質(zhì)：非腐蝕性液體比重＞0.82、 工作壓力：傳感器＜2.5Mpa3、 使用溫度：傳感器＜250^儀表0?50°C4、 電源電壓：AC220V±10%,50Hz±2%5、 液位顯示范圍：-50?+50mm或±50mm（可調(diào)）6、 蒸汽流量輸入信號(hào)：0?10mA或4?20mA7、 閥位反饋信號(hào)：0?10mA或4?20mA（DKZ310或DKJ310）電位器（ZAZ執(zhí)行器）8、 液位輸出信號(hào)：0?10mA（對(duì)應(yīng)液位-50?+50mm或0?100mm）負(fù)載＜1.5KQ（對(duì)應(yīng)信號(hào)0?10mA）9、 報(bào)警觸點(diǎn)輸出：?220V,5A開(kāi)關(guān)閥觸點(diǎn)輸出：?220V,5A10、 傳感器法蘭中心距：300±2,350±2,400±2,440±2mm（選用規(guī)格）11、 調(diào)節(jié)閥通徑：Dg16,Dg20,Dg32,Dg40（選用規(guī)格）6.2執(zhí)行器的選擇本題目系統(tǒng)中執(zhí)行器為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，在這里選用FNZDLP智能型電子式精小型調(diào)節(jié)閥，他接受來(lái)自調(diào)節(jié)儀表及計(jì)算機(jī)等單元的電信號(hào)或操作單元的手動(dòng)信號(hào)，并根據(jù)此信號(hào)的大小來(lái)自動(dòng)控制閥的開(kāi)度，從而達(dá)到對(duì)溫度、壓力、液位、流量等參數(shù)的調(diào)節(jié)。智能型電子式精小型調(diào)節(jié)閥由3810L系列智能型電子式電動(dòng)執(zhí)行器通過(guò)支架與單座、套筒調(diào)節(jié)閥連接在一起組成。當(dāng)輸入端無(wú)信號(hào)時(shí)，執(zhí)行器穩(wěn)定在預(yù)選的零位，調(diào)節(jié)閥處于全開(kāi)或全閉的位置，執(zhí)行器的輸出軸通過(guò)開(kāi)和螺母與調(diào)節(jié)閥的閥桿相連，當(dāng)輸入端有信號(hào)時(shí)輸出軸即通過(guò)輸入信號(hào)按一定比例處在一定的位置，調(diào)節(jié)閥即處于所需開(kāi)度，從而達(dá)到了調(diào)節(jié)和控制的目的。智能型電子式精小型調(diào)節(jié)閥分為電開(kāi)式和電閉式兩種，通過(guò)選擇電子式電動(dòng)執(zhí)行器的正、反作用開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)電開(kāi)式和電閉式調(diào)節(jié)。表6.1I、FNZOIpLh智能些回.子式電動(dòng)精小型調(diào)七調(diào)的規(guī)格和主要技術(shù)參數(shù)I見(jiàn)表I)表I公稱(chēng)通徑仍 20 25 40 50 65 ㈱ 100150 200直技1S2.54,46S11 17.527.5 44 59HO176額定流2753W544等百呈系數(shù) 162.5 4 63 10 18 254a53IQQ160分比2503W434額定行程rim IB 25 4060公稱(chēng)壓力PH 16、4口、64同有流童恃惜 直踐、等百分比固有可婿比 50f1詢(xún)?nèi)胄盘?hào)mA DC4-20mA或DC1-5V相對(duì)濕度 95制以'下電源壓力 AC220V50He州詩(shī)環(huán)境溫度T -10-+60介質(zhì)溫度匚 -20-+200.-40-+250.-40-+^50.-60—-M502FN2DLP 智睡電子式回動(dòng)精小型調(diào)節(jié)閥的主要性在參數(shù)(見(jiàn)表”表？基本誤差 ±2.5%TOC\o"1-5"\h\z回 羞 10',死 區(qū) 3.0'單座閥，1UF閥的額定容量'俯* 套筒閥：1?。レ舻念~定容最額定行程偏差 實(shí)調(diào)行程孑顛定行程^定流量系救偏差 ±10好固有流景特性 斜率士跚％6.3液位變送器變送器選擇1151/3051LT法蘭式液位變送器，該產(chǎn)品具有設(shè)計(jì)原理先進(jìn)、品種規(guī)格齊全、安裝使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。由于該機(jī)型外觀上完全融合了目前國(guó)內(nèi)最為流行，并被廣泛使用的兩種變送器（羅斯蒙特3051與橫河EJA）的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，讓使用者有耳目一新的感覺(jué)，同時(shí)與傳統(tǒng)的系列產(chǎn)品在安裝上可直接替換，有很強(qiáng)的通用性和替代能力。為適合國(guó)內(nèi)自動(dòng)化水平的不斷提高和發(fā)展，該系列產(chǎn)品除設(shè)計(jì)小巧精致外，更推出具有HART現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的智能化功能。1151/3051LT型法蘭式液位變送器，可對(duì)各種容器進(jìn)行精確的液位和密度測(cè)量，有平法蘭和插入式法蘭供選擇，法蘭有3英寸或4英寸，規(guī)格有1501b和3001b的法蘭，也可根據(jù)用戶(hù)定制法蘭，法蘭膜片材料可選。圖6.2智能型特點(diǎn)：?超級(jí)的測(cè)量性能，用于壓力、差壓、液位、流量測(cè)量?數(shù)字精度：+（-）0.05%?模擬精度:+（-）0.75%+（-）0.1%F.S?全性能：+（-）0.25F.S?穩(wěn)定性：0.25%60個(gè)月?量程比：100：1?測(cè)量速率：0.2S?小型化（2.4kg）全不銹鋼法蘭，易于安裝?過(guò)程連接與其它產(chǎn)品兼容，實(shí)現(xiàn)最佳測(cè)量?世界上唯一采用H合金護(hù)套的傳感器（專(zhuān)利技術(shù)），實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的冷、熱穩(wěn)定性?采用16位計(jì)算機(jī)的智能變送器?標(biāo)準(zhǔn)4-20mA，帶有基于HART協(xié)議的數(shù)字信號(hào)，遠(yuǎn)程操控?支持向現(xiàn)場(chǎng)總線與基于現(xiàn)場(chǎng)控制的技術(shù)的升級(jí)。測(cè)量范圍差壓：0~1.3-1MPa選型方式：表6.21151/3051LT法蘭式液位變送器代碼量程范圍30-1.3?7.5KPa40-4-40KPa50-40?200KPa60-0.16KPa?1MPa7總結(jié)為期兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，這次的課程設(shè)計(jì)讓我收獲很多。我對(duì)《過(guò)程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用》這門(mén)課程知識(shí)零散的理解，通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)這門(mén)課程的認(rèn)識(shí)有了質(zhì)的變化，以前感覺(jué)只是對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)單獨(dú)的學(xué)習(xí)，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我把整本書(shū)上下內(nèi)容聯(lián)系了起來(lái)。這次課程設(shè)計(jì)對(duì)我們的能力要求有了進(jìn)一步的提高，老師