液位升降過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、過(guò)程控制與集散系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題目： 液位升降過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 信息科學(xué)與工程學(xué)院 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 周紅軍 一、設(shè)計(jì)題目、任務(wù)及要求1.設(shè)計(jì)題目：液位升降過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.設(shè)計(jì)任務(wù)：圖1所示為某工業(yè)生產(chǎn)中的液位控制設(shè)備，設(shè)計(jì)任務(wù)是通過(guò)控制系統(tǒng)向水箱注入工業(yè)用水，經(jīng)過(guò)液位調(diào)節(jié)后，使其滿足下道工序要求。水箱注水工藝過(guò)程為：工業(yè)用水由水泵驅(qū)動(dòng)，經(jīng)送水管道注入水箱內(nèi)；水箱具有出水口，向下道工序送水；由于工藝對(duì)水箱內(nèi)水壓有要求，水箱內(nèi)液位高度必須達(dá)到一定的液位高度；水箱底板具有液位傳感器，輸水管道上具有流量傳感器；輸水管道上裝有一個(gè)調(diào)節(jié)閥，用以控制向水箱注水的流量，已達(dá)到控制水

2、箱液位的目的。圖1 工業(yè)水箱液位控制系統(tǒng)由于水箱時(shí)間常數(shù)大，且擾動(dòng)的因素多，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足工藝對(duì)水箱液位的要求。為了提高控制質(zhì)量，采用串級(jí)控制系統(tǒng)，運(yùn)用輸水管流量副回路的快速作用，有效地提高控制質(zhì)量，滿足生產(chǎn)要求。3.設(shè)計(jì)要求(1) 繪制水箱液位單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。(2) 以水箱液位為主變量，選擇滯后較小的管道流量作為副變量，構(gòu)成水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)，要求繪制該串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。(3) 假設(shè)主對(duì)象的傳遞函數(shù)為，副對(duì)象的傳遞函數(shù)為，主、副控制器的傳遞函數(shù)分別為，請(qǐng)確定主、副控制器的參數(shù)（要求寫出詳細(xì)的參數(shù)估算過(guò)程）。(4) 利用simulink實(shí)現(xiàn)單回路系統(tǒng)仿真和串級(jí)系統(tǒng)仿

3、真，分別給出系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線。二、設(shè)計(jì)任務(wù)分析（一）系統(tǒng)采用單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（二）串級(jí)控制系統(tǒng) 在送水管道中有一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，根據(jù)反饋情況用來(lái)控制調(diào)節(jié)水流量，但由于水流量干擾較多，如水流量不穩(wěn)定，管道不通暢等眾多干擾，因此單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足對(duì)水箱液位的控制要求。為提高控制質(zhì)量，采用串級(jí)反饋控制系統(tǒng)，以水箱液位為主變量，選擇滯后較小的管道流量作為副變量，構(gòu)成水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)，提高控制質(zhì)量，滿足工藝要求。串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測(cè)變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱主變量（主

4、被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。三、詳細(xì)設(shè)計(jì)（一） 主被控參數(shù)的選擇應(yīng)選擇被控過(guò)程中能直接反映生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，又易于測(cè)量的參數(shù)。在水箱液位單回路反饋控制系統(tǒng)中水箱液位為系統(tǒng)的主被控參數(shù)，因?yàn)樗湟何皇钦麄€(gè)控制作用的關(guān)鍵，要求水箱液位高度維持在某給定值上下。如果其調(diào)節(jié)欠妥當(dāng)，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)的失敗。(二) 副被控制參數(shù)的選擇從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，滯后較小的管道流量雖然不是我們要控制的直接目標(biāo)，但是滯后的管道流量會(huì)很大程度上影響水箱進(jìn)水速度及液位高度，因此我們選擇滯后的管道流量為副被控參

5、數(shù)。(三) 控制器的選擇主控制器的選擇：主被控變量是工藝操作的主要指標(biāo)（液位高度），允許波動(dòng)的范圍很小，一般要求無(wú)余差，主控制器應(yīng)選PI控制規(guī)律。 副被控變量的設(shè)置是為了保證主被控變量的控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提高控制質(zhì)量，可以允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副控制器要選P控制規(guī)律。副被控變量的設(shè)置是為了保證主被控變量的控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提高控制質(zhì)量，可以允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副控制器只要選P控制規(guī)律就可以了。在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種：逐步逼近法；兩步整定法；一步整定法。逐步逼近法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在實(shí)際中很少使用。兩步整定法雖然比逐步

6、逼近法簡(jiǎn)化了調(diào)試過(guò)程，但還是要做兩次4：1衰減曲線法的實(shí)測(cè)。對(duì)兩步整定法進(jìn)行簡(jiǎn)化，在總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一步整定法。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本設(shè)計(jì)采用一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體的整定步驟為： （1）在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)K02/20.5這一關(guān)系式，通過(guò)副過(guò)程放大系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)2或按經(jīng)驗(yàn)選取，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。 （2）按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來(lái)整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 （3）改變給定值，觀察被控制量的響應(yīng)曲線。根據(jù)主調(diào)

7、節(jié)器放大系數(shù)K1 和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)最佳。 （4）如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度或增大積分時(shí)間常數(shù)TI，即可得到改善。對(duì)于該液位串級(jí)控制系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)，主、副控制器的增益可以相互匹配。根據(jù)表1，可以大致確定副控制器的增益Kc2及比例帶。表1. 副控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置值副變量類型副控制器比例度2（%）副控制器比例放大倍數(shù)KT2溫度20601.75壓力30701.43流量40801.252.5液位20801.255根據(jù)本設(shè)計(jì)，適當(dāng)選取Kc2=2.5（整定時(shí)可以根據(jù)具體情況再做適當(dāng)調(diào)整）。然后在副回路已經(jīng)閉合的情況下按單回路控制器

8、參數(shù)整定方法整定主控制器，本方案采用衰減曲線法整定，考慮到4：1衰減太慢，因此采用10：1衰減曲線法整定主控制器參數(shù)。一般地取Kv=1,將學(xué)號(hào)最后兩位83帶入可計(jì)算出主對(duì)象的傳遞函數(shù)。衰減曲線法是在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動(dòng)觀察輸出響應(yīng)的衰減過(guò)程，直至10：1衰減過(guò)程為止。這時(shí)的比例度稱為10：1衰減比例度，用S表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為10：1衰減周期TS。根據(jù)S和TS，運(yùn)用表2所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。 表2. 衰減曲線法整定計(jì)算公式衰減比 整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律/(%)Ti/minTd/min4:1PPIPIDs1.2

9、s0.8s0.5Ts0.3Ts0.1Ts10:1PPIPIDs1.2s0.8s2Tr1.2Tr0.4Tr 衰減曲線法的第一步就是獲取系統(tǒng)的衰減曲線，采用10：1衰減曲線法。在Simulink中，如圖5，把積分輸出線斷開(kāi)，Kc1的值從大到小進(jìn)行試驗(yàn)，觀察示波器的輸出，直到輸出10：1衰減振蕩曲線為止。圖6即為系統(tǒng)10：1衰減曲 串級(jí)系統(tǒng)Simulink模型: 圖7當(dāng)Kc1=1.9時(shí)，在t1=2.27s時(shí)出現(xiàn)第一峰值，為1.22；在t2=4.7時(shí)出現(xiàn)第二峰值，為1.00，曲線穩(wěn)定值為0.98，可計(jì)算出衰減度為（）：（）=10：1。因此，當(dāng)Kc1=1.9時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)10：1衰減振蕩，且Ts=t2-t

10、1=2.43s,根據(jù)表2可知，積分時(shí)間常數(shù)Ti=2Ts=4.86s。 將Kc1的值設(shè)置為1.9，將積分器的輸出連線連上，如圖7所示，運(yùn)行仿真后，得到如下圖所示的結(jié)果，它即為PI控制時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。根據(jù)結(jié)果可知，參數(shù)整定后系統(tǒng)達(dá)到比較理想的效果。綜上可知，主、副控制器參數(shù)整定結(jié)果為：Kc1=1.9,Kc2=1.0,Ti=4.86s，Kv=0.98。一、 單回路系統(tǒng)和串級(jí)系統(tǒng)仿真輸出響應(yīng)曲線對(duì)比單回路控制系統(tǒng)的模型如下：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線：五、串級(jí)控制系統(tǒng)性能分析上兩圖比較可知，串級(jí)系統(tǒng)輸出曲線第一峰值出現(xiàn)時(shí)間明顯比單回路系統(tǒng)更早，縮短了上升時(shí)間，減小了對(duì)象時(shí)間常數(shù)，系統(tǒng)快速性增強(qiáng)

11、。串級(jí)系統(tǒng)輸出曲線的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，使系統(tǒng)更早進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)振蕩幅度明顯得到改善，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出曲線對(duì)比可知，串級(jí)控制系統(tǒng)由于增加了副控制回路，使控制系統(tǒng)的的抗干擾性能、動(dòng)態(tài)性能、工作頻率及自適應(yīng)能力都得到明顯改善。其性能可歸納為： 1、可以顯著提高系統(tǒng)對(duì)二次擾動(dòng)的抑制能力，甚至是二次干擾在對(duì)主被控量尚未產(chǎn)生明顯影響時(shí)就被副回路克服了。由于副回路調(diào)節(jié)作用的加快，整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用也加快，對(duì)一次擾動(dòng)的抑制能力也得到提高。 2、提高了系統(tǒng)的工作頻率，由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例帶可以更窄，從而提高了系統(tǒng)工作頻率。3、提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性

12、能，由于副回路顯著改善了包括控制閥在內(nèi)的副對(duì)象的特性，減少了時(shí)間常數(shù)和相位滯后，使得整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到明顯改善。4、對(duì)負(fù)荷干擾或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。包括控制閥在內(nèi)的副對(duì)象在操作條件和負(fù)荷變化時(shí)，其特性變化對(duì)系統(tǒng)的影響顯著地削弱。但串級(jí)控制系統(tǒng)也存在一些不足：只有當(dāng)中間變量能夠檢測(cè)出來(lái)時(shí)，才可能采用串級(jí)控制系統(tǒng)，但許多過(guò)程在結(jié)構(gòu)上是不容易以這種方式加以分割的；串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)需要更多的儀表，串級(jí)控制系統(tǒng)的投放和整定也比單回路控制系統(tǒng)復(fù)雜些。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果是單回路控制系統(tǒng)能夠解決的問(wèn)題，就不一定非要采用串級(jí)控制系統(tǒng)方案，一般當(dāng)單回路控制方案質(zhì)量達(dá)不到實(shí)際要求時(shí)，才考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)心得此次的課程涉設(shè)計(jì)，主要的學(xué)習(xí)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，參數(shù)的設(shè)定是難點(diǎn)，涉及多次的調(diào)整，不斷的修改，終于，在同學(xué)的幫助下，得到了較為滿意的輸出曲線。 然后在與單回