水箱液位控制设计

基于水箱液位控制设计年级:11电气（3）班学号:11027112姓名:程东碧专业:电气自动化指导老师:摘要在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题,例如居民生活用水的供应,饮料、食品加工,溶液过滤,化工生产等多种行业的生产加工过程,通常需要使用蓄液池,蓄液池中的液位需要维持合适的高度,既不能太满溢出造成浪费,也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，调节阀为电动调节阀。选用合适的器件设备、控制方案和算法，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。关键词PID控制过程控制液位控制Abstract:Inpeople'slifeandinthefieldsofindustrialproductionlevelandflowcontrolproblem,forexample,thelivingwatersupply,beverage,foodprocessing,filtersolution,theproductionofavarietyofindustriessuchaschemicalproductionprocess,oftenneedtousetheliquidstoragepool,liquidstoragepoollevelneedtomaintaintheappropriateheight,neithertoooverflowcausewaste,alsocannottoolittleandcan'tmeetthedemand.Sotheliquidlevelheightisanimportantparameterintheprocessofindustrialcontrol,especiallyindynamicstate,thesuitablemethodsofliquidleveldetection,control,cangetverygoodeffect.PID(proportion,integralanddifferentialcontrol)iscurrentlythemostcontrolmethods.Thispaperisthedesignprocessofawatertankliquidlevelcontrolsystem,involvesthedynamicliquidlevelcontrol,thecontrolsystemmodeling,thePIDalgorithm,sensorandtheregulatorandaseriesofknowledge.Assingleletwatertankliquidlevelcontrolsystem,themodeloffirst-orderinertiafunction,controlmodeadoptedPIDalgorithm,theregulatorforelectricregulator.Choosetherightcomponents,equipment,controlschemeandalgorithminordertomaximizesatisfysystemsuchascontrolprecisionandadjustthevolumeoftimeandovershootcontrolqualityrequirements.Keywords：PIDcontrolprocesscontrollevelcontrol1绪论1．1过程控制的定义生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序进行的生产过程的自动控制。1．2过程控制的目的生产过程中，对各个工艺过程的物理量有着一定的控制要求。有些工艺变量是决定安全生产的因素。例如，锅炉汽包的水位、受压容器的压力等，不允许超出规定的限定否则将威胁生产安全。因此，减小工业生产对环境的影响也已纳入过程控制的目标范围。1．3过程控制的特点生产过程的自动控制一般要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化。显然，过程参数的变化，不但受外界条件的影响，它们之间往往也相互影响，这就增加了某些参数自动控制的复杂性和难度，过程控制有如下特点：1.被控对象的多样性；2.对象存在滞后；3.对象特性的非线性；4.控制系统较复杂。2水箱液位控制系统的原理2．1人工控制与自动控制下图所示为一个自衡单容液位被控过程，这是个水箱。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，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀2V开度适当，在不溢出的情况下，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。2．2水箱液位控制系统的原理框图本论文对水箱液位控制系统的设计是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、以个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图表示：由这个简单控制系统通用的框图设计出水箱液位控制系统的原理框图如下：这是单回路水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。根液位变送器+PID控制器电动控制阀电动控制阀阀器阀电动控制阀阀器阀器液位_水箱被控变量扰动——偏差操纵变量控制器执行器被控对象测量变送器扰动通道扰动据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。2．3水箱液位控制系统的数学模型该系统主要是自衡的非振荡过程，即在外部阶跃输入信号作用下，过程原有的平衡状态被破坏，并在外部信号作用下自动的非震荡地稳定到一个新的稳态，这一大类是在工业生产过程中最常见的过程。（1）确定过程的输入变量和输出变量如下图所示，流入水箱的流量1F是由进料阀1来控制的；流出水箱的流量2F取决于水箱液位L和出料阀2的开度，而出料阀的开库是随用户的需要而改变的。这里，液位L是被控变量（即输出变量），进料阀1为控制系统中的控制阀，它所控制的进料流量1F是过程的控制输入（即操纵量），出料流量2F是外部扰动。本设计以进料流量1F作为输入变量。（2）根据过程内在机理，列写原始方程根据物料平衡关系，当过程处于原有稳定状态是，水箱液位保持不变，其静态方程为：10F-20F=0（1—6），10F、20F分别为原稳定状态下水箱的进料流量和出料流量，当进料流量1F突然增大是，水箱原来的平衡状态被破坏，此时进料量大于出料量，多余的液体在水箱内储存起来，使其液位升高。设水箱液体的储存量为V，则单位时间内出料流量与进料流量之差等于水箱液体储存量的净增量。其动态方程为：1F-2F=dtdv（1—7）1F=110FF、1202FFF，1F、2F分别为1F和2F的增量。设水箱截面积为A，则有V=AL，其增量形式为dV=AdL，即：dtdLAdtdV（12L1F2F1tL()L(t)L(0)水箱液位过程及其阶跃响应曲线—8）。将1F=110FF、1202FFF和式（1—8）代入式（1—7），得dtLdAFFFF220110（1—9）。将式（1—9）减去式（1—6）可得用新增量形式表示的动态方程式，为：dtLdAFF21（1—10）（3）消去中间变量，简化，求的微分方程式中间变量式原始方程式中出现的一些既不是输入变量也不是输出变量的工艺变量。式（1—10）中，2F为中间变量。2F与输出变量L的关系可表示为：2F=Lkk：比例系数（1—11）当只考虑液位与流量均在有限小的范围内变化式，就可以认为出料流量与液位变化呈线性关系。将式（1—11）改写成增量形式：LLkF022令RLk12，则有：RLF2（1—12）将式（1—12）代入式（1—10）中，即得1FRLdtldRA（1—13）式（1—13）即为水箱液位过程的数学模型。由此可见，这是一个一阶微风方程，液位过程为一阶过程。将该式写成的一阶过程的微风方程的标准形式：)()()(txKtydttydRC（1—14）或)()()(txKtydttydT（1—15）T为一阶过程的时间常数，RCT,具有时间量纲；K为一阶过程的放大系数，具有放大倍数的量纲；)(ty为一阶过程的输出变量；)(tx为一阶过程的输入变量；R为阻力系数，R=液位的变化量/出料流量的变化量；C为容量系数，C=储存的物料变化量/液位的变化量。当被控变量的检测地点与产生扰动的地点之间由一段物料传输距离时，就会出现滞后。在控制过程中，若进料阀安装在与水箱进料口有一段距离，则当进料阀开度变化而引起进料流量变化后，液体需要经过一段传输时间0才能流入水箱，使液位发生变化并被检测出来。显然液体流经这段距离所需时间0完全是传输滞后造成的。纯滞后一阶过程的微风方程为：)()()(0txKtydttydT具有纯滞后的一阶过程的特性与放大系数K、时间常数T和纯滞后时间0有关（4）为求单容过程中的数学模型，通过拉氏变换的单容液位过程的传递函数：综上所述，水箱液位控制系统是一个一阶自衡过程，其特性可用放大系数K、时间常数T和纯滞后时间0这三个特性参数来全面表征。3水箱液位控制系统的组成本设计研究的水箱液位控制系统是简单控制系统，是使用的族普遍的、结构最简单的一种过程控制系统。所谓的简单控制系统，通常是指一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、一个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统。3．1被控制变量的选择被控变量的选择是控制系统的核心问题，被控变量选择的正确与否是决定控制系统有无价值的关键。对于任何一个控制系统，总是希望其能够在稳定生产操作、增加产品产量、保证生产安全及改善劳动条件等方面发挥作用，如果被控变量学则不当，配备再好的自动化仪表，使用在复杂、先进的控制规律也无用的，都不能达到预期的控制效果。对于水箱液位控制系统，其被控变量是显而易见的，液位就是其被控变量，是直接参数控制。3．2执行器的选择执行器在控制系统中起着极其重要的作用。控制系统的控制性能指标与执行器的性能和正确选用有着十分密切的关系。执行器接受控制其输出的控制信号，实现对操纵变量的改变，从而使被控变量向设定值靠拢。执行器位于控制回路的最总端，因此又称为最终元件。本设计所使用的执行器为控制阀，也称调节阀。控制阀发装现场，通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易渗透、易结晶、易燃易爆、剧毒等场合下工作。如果选择不当或维修不妥，就会使整个系统无法正常运作。经验表明，控制系统不能正常运行的原因，多数发生在控制阀上。对于系统控制阀的选择很重要。控制阀接受控制器输出的控制信号，通过改变阀的开度来达到控制流量的目的。控制阀有执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是根据可能稚气的控制信号产生推力或位移的装置，调节机构是根据执行机构的输出信号去改变能量或物料输送量的装置。控制阀按其能源形式可分为气动、电动、液动三大类。液动控制阀推力最大，但比较笨重，目前已经极少使用。电动控制阀的能源取用方便，信号传递迅速，但结构复杂、防爆性能差。气动控制阀采用压缩空气作为能源，