《过程控制技术》课程设计-三容水箱液位串级控制系统设计与仿真

1、设 计 任 务 书过程控制技术课程设计设 计 题 目：三容水箱液位串级控制系统设计与仿真 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级： 14电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系2017年 7月 1日过程控制技术课程设计任务书全套设计加扣 3012250582一、 设计题目三容水箱液位串级控制系统设计与仿真二、 主要内容1、以THJ-2高级过程控制实验对象系统的上水箱、中水箱和下水箱作为为研究对象，设计出合理的控制方案。利用MATLAB的曲线拟合的方法分别得出系统系统中的上水箱、下水箱的传递函数。2、利用MATLAB的Simulink搭建双容水箱PID控制系统，用单回路控制方案和串级控制方案方案。3、分别整定两种控制方案的控制器的PID参数，并给出整定后的阶跃响应曲线并进行分析，得出结论。三、设计要求1、分析控制系统各个环节的动态特性，建立被控对象的数学模型。2、根据其数学模型，选择控制方案3、在Matlab上进行模型的搭建与仿真，整定调节器参数。4、根据整定的参数，得出控制效果曲线，并对结果进行比较分析，得出结论。四、设计步骤1、查找资料，了

2、解和分析题目所要求具体工程项目控制的过程。2、设计实验方案，给出实验接线图。得出对象的数学模型。3、在Matlab上进行模型的搭建与仿真，分析仿真曲线，得出结论4、编写设计说明书。五、设计说明书要求1、完整的设计任务书。2、查找文献资料，阐述设计的目的和意义。3、被控对象简介，控制方案的选择（被控参数选择、控制参数选择、测量变送器的选择，执行器的选择、控制器的选择、控制规律的选择等），给出实验线路。5、被控对象数学模型的建立。6、在Matlab上进行模型的搭建与仿真。7、结论。8、设计体会（可选）.9、参考文献. 2017年 7月 3日至 2017 年 7月 7日（1周）指导教师 设 计 说 明 书过程控制技术课程设计设 计 题 目：三容水箱液位串级控制系统设计与仿真 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级： 14电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系2017 年 7月7日目录目录41、设计任务分析51.1背景51.2设计内容及目的52、控制系统总体方案设计52.1 三容液位控制系统对象简介52.2 控制系统的方案选择72.2.1被控参数及

3、控制参数的选择72.2.2测量变送器的选择72.2.3执行器的选择82.2.4控制器的选择83、被控对象数学模型的建立83.1 被控对象数学模型的建立的方法简介83.2 三容水箱数学模型的建立93.2.1 实验法建模94、在Matlab上进行模型的搭建与仿真94.1 在Matlab上进行模型的搭建94.2 控制器的参数整定104.2.1临界比例度整定方法104.2.2临界比例度整定过程104.3 整定后的阶跃响应曲线125、结论136、设计体会14附录151、设计任务分析1.1背景液位是工业生产过程中重要的被控量之一， 因而液位控制的研究具有很大的现实意义。 水箱的液位控制对石油、 冶金、化工等行业来说必不可少。 本次课程设计的目的是设计三容水箱液位串级控制系统， 在设计中充分利用自动化仪表技术， 计算机技术， 自动控制技术， 以实现对水箱液位的串级控制。 首先对被控对象的模型进行分析， 并采用实验建模法求取模型的传递函数。 然后，根据被控对象模型和被控过程特性并加入 PID调节器设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。 同时，通过对实际控制的结果进行比较， 验证了

4、串级控制对提高系统性能的作用。 随着计算机控制技术的迅速发展， 组态技术开始得到重视与运用 , 它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。1.2设计内容及目的本次的课程设计的主题就是：双容水箱液位串级控制系统设计与仿真设计内容：1、以THJ-3高级过程控制实验对象系统的上水箱、中水箱和下水箱作为为研究对象，设计出合理的控制方案。利用MATLAB的曲线拟合的方法分别得出系统系统中的上水箱、中水箱和下水箱的传递函数。2、利用MATLAB的Simulink搭建三容水箱PID控制系统，用单回路控制方案和串级控制方案方案。3、分别整定两种控制方案的控制器的PID参数，并给出整定后的阶跃响应曲线并进行分析，得出结论。（上水箱和中水箱为副对象）。2、控制系统总体方案设计2.1 三容液位控制系统对象简介本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）手动调节阀组成。如图2-1所示。1）

5、被控对象：由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长宽高=68cm5243，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。2）检测装置：压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位

6、进行检测，其量程为05KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：420mADC。3）执行机构：（1）电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。（2）水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。（3）电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580；工作电压：24VDC。图2

7、-1 三容液位控制系统的组成图2.2 控制系统的方案选择C1副对象3主对象C2副对象2C3执行器测量变送器3副调节器3副调节器2e3-+-+e2给定值e1+主调节器1ddgs方案选择包括被控参数选择、控制参数选择、测量变送器的选择，执行器的选择、控制器的选择、控制规律的选择等。三容液位控制由于纯滞后比较长，选用串级控制系统来改善其动态性能，提高抗干扰能力，使其具有一定的自适应能力。串级控制系统结构框图如图2-2测量变送器2测量变送器1图2-2串级控制系统结构框图2.2.1被控参数及控制参数的选择1）被控参数的选取原则：（1） 对与具体的生产过程，尽可能选取对产品质量和产量、安全生产、经济运行及环保等具有决定性作用的，可直接进行测量的工艺参数。（2） 当难以用直接猜数作为被控参数时，应选取与直接参数有单值函数关系的所谓间接参数作为被控参数。（3） 当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度，否则难以保证对产品质量的控制效果。（4） 控制参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、售后服务等根据题目要求，本次课程设计选取水箱水位作为被控参数，即方便测量又能直

8、接反映控制效果。2）控制参数的选择：由于本课程设计实现的目的是对水箱水位进行控制，所以控制参数选择调节器的开度2.2.2测量变送器的选择在过程控制系统设计中， 测量和变送是信息获取和传送的重要环节， 在工程上为了提高控制精度， 被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的依据。三容水箱液位系统检测装置为压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为05KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：420mADC。2.2.3执行器的选择执行器 (调节阀) 由执行机构和调节机构 (阀) 两部分组成，它是过程控制中的一个重要组成环节，在一个控制系统中，它接受调节器输出的控制信号，并转换趁直线位移或角位移来改变阀芯与阀座间的流通截面积以控制流入或流出被控过程的流体介质的流量，从而实现了对过程参数的控制。（1）电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。（2）水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。（3）电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg

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