双容液位单回路控制系统课程设计.docx

目录1 引言 22系统变量的确定 23控制方案的确定 24被控对象的特性 35调节器控制规律的确定 55.1 PID调节原理 55.2 PID调节器的参数整定 6(1) 各个环节传递函数及各个参数的确定 6(2) 整定过程 76仪表的选型 106.1调节器的选用 106.2 执行器的选择 116.3液位变送器 127总结 14一引言在一般的化工实验和生产过程的自动控制中，常要进行液位的控制根据工 艺要求需要连续控制容器内流入和流出物料的平衡情况，使液位保持在工艺要求 的范围内本题目选用双容水箱作为控制对象，控制方案采用单回路控制，单回 路控制系统又被称为简单控制系统，它是由一个被控对象、一个检测元件及传感 器（或变送器）、一个调节器和一个执行器所构成的闭环控制系统 双容水箱液位控制系统的控制对象图如下：图1.1二系统变量的确定在定性地确定目标后，通常需要用工业过程的被控变量来定量的表示控制目 标，被控变量也是工业过程的输出变量，根据被控变量的选用原则，这里选择水 箱2的液位高度H2作为被控变量工业过程的输入变量有两类：控制（或操作）变量和扰动变量在生产过程 中，干扰是客观存在的他是影响系统平稳操作的因素，而操作变量是克服干扰的 影响，是控制系统重新稳定运行的因素。

因此，正确选择操作变量可是控制系统 有效克服干扰的影响本题中选择水箱1的入水管流量Q1为操纵变量 三控制方案的确定本题选用单回路控制，单回路控制系统又称简单控制系统，它的结构简单，易于分析设计，并且能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产过程中得到了 广泛的应用系统方框图如下：扰劫、绘宅— 1 — S调节器 f 电动阀 —►上小水箱 —►下小水箱 丁 _ 图3.1四被控对象的特性 输入变量q 1 ,输出变量q2时,双容对象的动态特性描述如下: 根据物料平衡关系对水箱1：q - q = A虬,q = 上 两式经拉氏变换得1 2 1 dt 2 R2Q (s) - Q (s) = A sH (s) , Q (s) = Hi(()1 2 1 1 2 R2对水箱2:经拉氏变换得q - q = A 丝，q =匕2 3 2 dt 3 R3Q (s) - Q (s) = A sH (s), Q (s) = H^2 3 2 2 3 R2由(1)、(2)两式得此双容对象的动态特性:△ H 2( s) = K△ Q 1( s) (T1 s + 1)( T 2 s + 1)式中： A1 , A2 两液槽的容量系数R , R 阀2,3的阻力系数T = A1 R2 水箱2的时间常数T = A R 水箱3的时间常数双容对象的比例放大系数K = R 3若双容对象调节阀1开度所引起的流入量还存在纯延迟，则其传递函数可推 导为：△ H 2( s)二 K t△ Q 1(s) (T1 s + 1)(T2 s + 1)'如图1所示，被控对象是由两个水箱串联连接，由于有两个储水的容积，故 称其为双容对象。

被调量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水 箱的液位变化曲线如图2所示由图2可见，上水箱的响应曲线为一单调的指数 函数，下水箱液位的响应曲线呈S形状显然，多了一个水箱，液位响应就更加 滞后由S型曲线的拐点P处做一切线，它与时间轴的交点为A，OA则表示了对象 响应的滞后时间，双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定在图4.1所示的阶跃响应曲线上求取：(1) h (t ) = 0.4h (s)时曲线上的占B和对应的时间L -2 1 2 1 ,(2) h (t ) = 0.8h (s)时曲线上的占C和对应的时间t22 2 2然后，利用下面的近似公式计算式K h (s) 输入稳态量=R° —阶跃输入量t + t2.16TT t———一 =(1.74— - 0.55) 0.32 < t /1 < 0.46(T + T )2 12 1 2由上述两式中即可求出T和T，从而最终确定双容对象的传递特性图4.1上下水箱阶跃响应特性曲线五调节器控制规律的确定本设计采用工业设计中最常用的调节器控制规律即比例积分微分控制，简称 PID控制，又称PID调节PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简 单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

5.1 PID调节原理图5.1 PID控制基本原理图PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成 控制偏差：e(t) = r(t) - y (t)PID控制规律为：U (t) = Kp [ e (t) + — j e (t) + Td ^^ ]Ti dt0或以传递函数形式表示:w （s）=四里=kp （1 + — + Tds ）E （s） Tis式中，KP:比例系数TI:积分时间常数TD:微分时间常数PID控制器各控制规律的作用如下：比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式其控制器的输出与 输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来但当仅 有比例控制时系统输出存在稳态误差（2） 积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分 成正比关系对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控 制系统是有差系统为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”积分 项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的 输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

但是过大的积分速度会降低系统 的稳定程度，出现发散的振荡过程比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入 稳态后无稳态误差3） 微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即 误差的变化率）成正比关系自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现 振荡甚至失稳其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差 的作用，其变化总是落后于误差的变化解决的办法是使抑制误差的作用的变化 “超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，在这里采用比例积分控制， 其中比例环节可以显著改善系统性能，积分环节可以消除系统余差特别对于有 较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态 特性具体确定过程见参数整定5.2 PID调节器的参数整定（1）各个环节传递函数及各个参数的确定双容液位对象:水箱1的时间常数T1 = 5min 水箱2的时间常数t2 = 10min双容液位对象的比例放大系数K=0.5调节阀近似为比例环节，比例系数K=2测量变送环节同样近似为比例系数为1的比例环节(2)整定过程控制方框图：图5.1① 只考虑比例控制，令比例放大系数K=5, t=s，Td = 0图5.2由图中可以看出，系统响应曲线为衰减振荡曲线，响应的超调量有些大.② 减小比例系数放大，令比例放大系数K=1, t=s，Td=Q图5.3由图中可以看出系统响应曲线振荡减弱，超调量减小.但是相应系统余差在 增大，因此有必要引入积分控制以消除余差.③ 令比例放大系数K=1, t = 0.08 , T = 0图5.4引入积分环节后，系统余差被消除,超调量很小。

④ 令比例放大系数K=1, t = 0.08 , T = 1,系统动态响应如下:图5.55.3综上所述，系统控制规律采用比例积分控制可以得到较为优良的系统动态 响应特性增加微分环节后系统特性改善不明显，微分时间选择不当还会造成系 统的振荡因此调节规律采用比例积分控制六仪表的选型6.1调节器的选用调节器选择SZD-B型单冲量液位调节仪，这种液位调节仪为P1连续给水调 节装置，主要适用于1〜35Th/,压力＜2.5Mpa的各种锅炉锅筒水位自动调节图6.1主要技术参数1、 适用介质：非腐蚀性液体比重＞0.82、 工作压力：传感器＜2.5Mpa3、 使用温度：传感器＜250^仪表0〜50°C4、 电源电压：AC220V±10%, 50Hz±2%5、 液位显示范围：-50〜+50mm或±50mm （可调）6、 蒸汽流量输入信号：0〜10mA或4〜20mA7、 阀位反馈信号：0〜10mA或4〜20mA （DKZ310或DKJ310）电位器（ZAZ执行器）8、 液位输出信号：0〜10mA（对应液位-50〜+50mm或0〜100mm）负载＜1.5KQ （对应信号0〜10mA）9、 报警触点输出：〜220V, 5A开关阀触点输出：〜220V, 5A10、 传感器法兰中心距：300±2, 350±2, 400±2, 440±2mm （选用规格）11、 调节阀通径：Dg16, Dg20, Dg32, Dg40 （选用规格） 6.2执行器的选择本题目系统中执行器为电动调节阀，在这里选用FNZDLP智能型电子式精小 型调节阀，他接受来自调节仪表及计算机等单元的电信号或操作单元的手动信 号，并根据此信号的大小来自动控制阀的开度，从而达到对温度、压力、液位、 流量等参数的调节。

智能型电子式精小型调节阀由3810L系列智能型电子式电动执行器通过支 架与单座、套筒调节阀连接在一起组成当输入端无信号时，执行器稳定在预选 的零位，调节阀处于全开或全闭的位置，执行器的输出轴通过开和螺母与调节阀 的阀杆相连，当输入端有信号时输出轴即通过输入信号按一定比例处在一定的位 置，调节阀即处于所需开度，从而达到了调节和控制的目的智能型电子式精小型调节阀分为电开式和电闭式两种，通过选择电子式电动执行器的正、反作用开关来实现电开式和电闭式调节表6.1I、FNZOI p L h智能些回.子式电动精小型调七调的规格和主要技术参数I见表I)表I公称通径仍 20 25 40 50 65 ㈱ 100150 200直技 1 S 2.5 4,4 6 S 1 1 17. 5 27.5 44 59 HO 176额定流275 3W 544等百呈系数 16 2.5 4 6 3 10 18 25 4a 53 I 160分比250 3W 434额定行程rim IB 25 4060公称压力PH 16、4口、64同有流童恃惜 直践、等百分比固有可婿比 50 f 1询入信号 mA DC4-20mA 或 DC 1-5V相对湿度 95制以'下电源压力 AC220V 50He州诗环境温度T -10-+60介质温度匚 -20-+200. -40 -+250. -40 -+^50. -60—-M502 FN2DLP 智睡电子式回动精小型调节阀的主要性在参数(见表”表？基本误差 ±2.5%回 羞 1 0',死 区 3.0'单座阀，1UF阀的额定容量'俯* 套筒阀：1丁％祠的额定容最额定行程偏差 实调行程孑颠定行程^定流量系救偏差 ±10好固有流景特性 斜率士跚％6.3液位变送器变送器选择1151/3051LT法兰式液位变送器，该产品具有设计原理先进、品 种规格齐全、安装使用简便等特点。

由于该机型外观上完全融合了目前国内最为 流行，并被广泛使用的两种变送器（罗斯蒙特3051与横河EJA）的结构优点， 让使用者有耳目一新的感觉，同时与传统的系列产品在。