過程控制課程設(shè)計報告貯槽液位控制系統(tǒng)設(shè)計

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過程控制課程設(shè)計

設(shè)計題目：貯槽液位控制系統(tǒng)設(shè)計

學(xué)院：電氣工程學(xué)院專業(yè)：自動化

班級：091班

2023年6月4日

小組成員：

序號學(xué)號16090210013817090210014018090210014119090210014220090210014721090210014822090210014923090210020224090210020325090210020426090210020627090210020828090210020929090210021330

0902100216

姓名

姚航程韋壽德張印鄧世杰

楊奉志鐘昌帥李曉明張凱強農(nóng)志興袁劍波李季黃靈浩譚雷吳高陽潘敏

設(shè)計分工

總方案的確定及原理、控制參數(shù)的整定、simulink仿真測量變送器的選型、控制參數(shù)的整定、查閱資料測量變送器的選型、控制參數(shù)的整定調(diào)理閥的選型、水箱的建模

總方案的確定及原理、控制參數(shù)的整定、simulink仿真simulink仿真、調(diào)理閥的選型

控制器的選型、控制參數(shù)的整定、設(shè)計總結(jié)、整理報告

simulink仿真、水箱的建模、查閱資料調(diào)理閥的選型、水箱的建?？刂破鞯倪x型、查閱資料調(diào)理閥的選型、控制器的選型

測量變送器的選型、水箱的建模、查閱資料調(diào)理閥的選型、水箱的建模

控制參數(shù)的整定、水箱的建模、查閱資料調(diào)理閥的選型、測量變送器的選型

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目錄

一、設(shè)計目的·············································4二、設(shè)計任務(wù)及要求·······································4三、工藝過程及要求·······································5四、系統(tǒng)總體方案的選擇及說明·····························6五、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理·······························71.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖···········································72.工作原理···············································83.水箱建?！ぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁ?六、各單元軟硬件·········································101.控制對象···············································102.控制器·················································103.調(diào)理閥·················································114.差壓變送器·············································12七、參數(shù)的整定及仿真結(jié)果·································131.經(jīng)驗法（現(xiàn)場試驗整定法）································132.常見被控量的PID參數(shù)選擇范圍···························133.控制器各校正環(huán)節(jié)的作用·································134.仿真結(jié)果···············································14八、分析總結(jié)·············································16設(shè)備清單·················································17四、系統(tǒng)總體方案的選擇及說明

隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，工藝條件越來越繁雜。對過程控制的要求越來越高。過程控制系統(tǒng)的設(shè)計是以被控過程的特性為依據(jù)的。由于工業(yè)過程的繁雜、多變，因此其特性多半屬多變量、分布參數(shù)、大慣性、大滯后和非線性等。為了滿足上述特點與工藝要求，過程控制中的控制方法是十分豐富的。尋常有單變量控制系統(tǒng)，也有多變量控制系統(tǒng)，有繁雜控制系統(tǒng)，也有滿足特定要求控制系統(tǒng)。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液體貯槽設(shè)備如進料罐、成品罐、中間緩沖容器、水箱等應(yīng)用十分普遍，為保證生產(chǎn)正常進行，物料進出需均衡，以保證過程的物料平衡，因此工藝要求貯槽內(nèi)的液位需維持在某個給定值上下，或在某一小范圍內(nèi)變化，并保證物料不產(chǎn)生溢出，要求設(shè)計一個液位控制系統(tǒng)。

對分析設(shè)計的要求，生產(chǎn)工藝比較簡單要求并不高，所以采用單回路控制系統(tǒng)進行設(shè)計。單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控系統(tǒng)、一個檢測元件及變送器、一個調(diào)理器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)是最簡單、最基本、最成熟的一種控制方式。單回路控制系統(tǒng)根據(jù)被控量的系統(tǒng)、液位單回路控制系統(tǒng)等。

單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，所需的自動化裝置數(shù)量少，操作維護也比較便利，因此在化工自動化中使用很普遍，這類系統(tǒng)占控制回路的絕大多數(shù)。單回路控制系統(tǒng)雖然簡單，但它的分析、設(shè)計方法是其它各種繁雜過程控制系統(tǒng)分析、設(shè)計的基礎(chǔ)。對單回路控制系統(tǒng)進行分析，設(shè)計，調(diào)試處理的方法，理解單回路控制系統(tǒng)對各個環(huán)節(jié)的影響，就可以分析處理好更繁雜的設(shè)計問題。這里選擇的是液位單回路控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)方框圖的一般形式如下：X(S)

Z(S)_F(S)Y(S)WC(S)WV(S)WO(S)Wm(S)WC(S)——控制器的傳遞函數(shù)WV(S)——調(diào)理閥的傳遞函數(shù)

WO(S)——被控過程的傳遞函數(shù)Wm(S)——測量變送器的傳遞函數(shù)

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五、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：

f(t)設(shè)定值e液位控制器u執(zhí)行閥q1液位過程實際液位檢測變送器

執(zhí)行閥設(shè)定值液位檢測變送器液位控制器

過程控制系統(tǒng)，簡單的說，就是采用計算機來實現(xiàn)的過程工業(yè)控制（含管理）系統(tǒng)。從控制系統(tǒng)引入計算機，可以充分利用計算機的運算、規(guī)律判斷和記憶等功能完成多種控制任務(wù)實現(xiàn)繁雜東芝規(guī)律。由于計算機只能處理數(shù)字信號，因此給定值和反饋要先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入計算機。但計算機接受了給定量和反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律進行運算（如PID運算），計算結(jié)果（數(shù)字信號）在經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出到執(zhí)行機構(gòu)，從而完成對系統(tǒng)的控制作用。

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2.工作原理

單回路過程控制系統(tǒng)亦稱單回路調(diào)理系統(tǒng)，一般是指正對一個被控過程

（調(diào)理對象），采用一個檢測變松器檢測被測過程，采用一個控制（調(diào)理器）來保持參數(shù)恒定（或在很小范圍變化），其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)（調(diào)理閥）。從系統(tǒng)的款圖看，只有一個閉環(huán)回路。單回路過程控制系統(tǒng)是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的基本單元、其結(jié)構(gòu)簡單、投資少、易于調(diào)整和投運，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過程的控制要求、因此在工業(yè)生產(chǎn)小應(yīng)用十分廣泛，特別適用于被控過程的純滯后和慣性小、負(fù)荷和擾動變化比較平緩，或者控制質(zhì)量要求不太高的場合。

單回路過程控制系統(tǒng)雖然簡單，但它的分析、設(shè)計方法是其它各種繁雜過程控制系統(tǒng)分析、設(shè)計的基礎(chǔ)。因此，學(xué)習(xí)和把握單回路系統(tǒng)的工程設(shè)計方法是十分重要的。

3.水箱建模

這里研究的被控對象只有一個，那就是單容水箱（圖2-1）。要對該對象進行較好的計算機控制，有必要建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。正如前面提到的，單容水箱是一個自衡系統(tǒng)。根據(jù)它的這一特性，我們可以用階躍響應(yīng)測試法進行建模。

如圖2-1，設(shè)水箱的進水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。若Q1作為被控對象的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控對象的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有

Q1?Q2?C將式（2-1）表示為增量形式

?Q1??Q2?Cd?h（2-2）dtdh（2-1）dt式中，?Q1、?Q2、?h——分別為偏離某一平衡狀態(tài)Q10、Q20、h0的增量；C——水箱底面積。

在靜態(tài)時，Q1=Q2；dhdt=0；當(dāng)Q1發(fā)生變化時，液位h隨之變化，閥V2處的靜壓也隨之變化，Q2也必然發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流狀況下，液位h與流量之間為非線性關(guān)系。但為簡化起見，經(jīng)線性化處理，則可近似認(rèn)為

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?Q1與?h成正比，而與閥V2的阻力R2成反比，即

?Q2??h?h或R2?（2-3）R2?Q2式中，R2為閥V2的阻力，稱為液阻。將式（2-3）代入式（2-2）可得

R2Cd?h??h?R2?Q1（2-4）dt在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得：

G0(s)?R2H(s)K（2-5）??Q1(s)R2Cs?1Ts?1式中，T=R2C為水箱的時間常數(shù)（注意：閥V2的開度大小會影響到水箱的時間常數(shù)），K=R2為過程的放大倍數(shù)。令輸入流量Q1(s)=R0/s，R0為常量，則輸出液位的高度為：

H(s)?KR0KR0KR0??(2-6)

s(Ts?1)ss?1/T1?tT即h(t)?KR0(1?e)（2-7）

當(dāng)t??時，h(?)?KR0因而有K?當(dāng)t=T時，則有

h(T)?KR0(1?e?1)?0.632KR0?0.632h(?)（2-9）

式（2-7）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2所示。由式（2-9）可知該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。該時間常數(shù)T也可以通過坐標(biāo)原點對響應(yīng)曲線作切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值的交點所對應(yīng)的時間就是時間常數(shù)T。

h(?)輸出穩(wěn)態(tài)值（2-8）?R0階躍輸入9

h2(t)h2()000.63h2()000

Tt圖2-2階躍響應(yīng)曲線

六、各單元軟硬件

1.控制對象

控制對象為一個水箱，水箱液位高度決定于入水量、出水量、水箱形狀等因素。試驗選用PI算法將水箱液位控制在指定位置。水箱裝有液位傳感器，并選用水箱中的液位高度為控制變量。管路任一個手動閥都可以作為干擾源，用以產(chǎn)生干擾信號，整個被控對象組成了一個控制系統(tǒng)。

2.控制器

模擬式控制器DDZ-Ⅲ型

DDZ-Ⅲ型電動單元控制器是一種常用的模擬式控制器，以來自變送器的標(biāo)準(zhǔn)1-5V直流信號作輸入，與1-5V直流設(shè)定值比較得到偏差，進行PID運算后輸出1-5V或4-20mA信號。其特點如下：

①采用高增益、高阻抗線性集成電路組件，提高了儀表的精度、穩(wěn)定性和可靠性，降低了功耗。

②整套儀表可以構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)，且增加了安全單元－安全柵，實現(xiàn)控制室與危險場所之間的能量限制和隔離。

③有軟、硬兩種手動操作方式，軟手動和自動之間相互切換具有雙向無平衡無擾動特性，提高了控制器的操作性能。由于在自動與軟手動之間有保持狀態(tài)，此時控制器輸出可保持長期不變，即使有偏差存在，也能實現(xiàn)無擾切換。

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④采用國際標(biāo)準(zhǔn)信號制，現(xiàn)場傳輸信號為4～20mA直流電流，控制室聯(lián)絡(luò)信號為1～5V直流電壓，信號電流和電壓的轉(zhuǎn)換電阻為250Ω。由于電氣零點不是從零開始，因此簡單識別斷電、斷線等故障。信號傳輸采用電流傳送-電壓接受的并聯(lián)方式，即進出控制室的傳輸信號為直流電流信號（4～20mA），將此電流信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號后，以并聯(lián)形式傳輸給控制室各儀表。DDZ-Ⅲ型控制器傳遞函數(shù)為：

U(s)1G(s)??KP(1??TDs)

E(s)TIs3.調(diào)理閥

氣動調(diào)理閥：結(jié)構(gòu)簡單，可靠，維護便利，防火防爆。薄膜式：由于不需要大口徑、高壓降，一般狀況選用薄膜式。直通單座閥：由于這是小口徑、低壓差的場合。

氣開式：無壓力信號時閥全閉，隨著信號增大，閥門逐漸開大稱的為氣開式，由于考慮到控制信號中斷后，為防止水滿溢出水箱，所以選擇氣開式。

選用ZJHP系列ZHB-22型氣動氣開式薄膜直通單座調(diào)理閥

此調(diào)理閥是上海好施閥門有限公司生產(chǎn)的，由多彈簧氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)和頂導(dǎo)向式直通低流阻單座閥組成。具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、動作靈敏、流體通道呈S流線型、壓降損失小、閥容量大、流量特性確切，配用電-氣閥門定位或氣動閥門定位器，可實現(xiàn)對工藝管路流體介質(zhì)的自動調(diào)理控制，廣泛應(yīng)用于確切控氣體、液體、蒸汽等介質(zhì)的工藝參數(shù)如壓力、流量、溫度、液位等參數(shù)保持在給定值。是符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的新一代通用調(diào)理閥產(chǎn)品。結(jié)構(gòu)特點:

1．ZJHP型氣動單座調(diào)理閥是自動化控制系統(tǒng)中儀表的執(zhí)行單元，采用電-氣閥門定位器，以電信號和壓縮空氣為動力，接受控制系統(tǒng)輸入的0-10mADC或4-20mADC電流信號，由調(diào)理器將壓縮空氣，轉(zhuǎn)換成氣源壓力信號輸入輸出，可實現(xiàn)分程控制（段幅信號），從而改變閥門開度位移，達(dá)到對流體介質(zhì)的工藝參數(shù)確切調(diào)理控制

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2.直通低流阻單座為無底蓋頂導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，它只有一個閥座和一個柱塞形閥芯具有密閉性能好、泄漏量小、動作靈敏、流體通道呈S流線型、壓降損失小、閥容量大、流量特性確切、可調(diào)比大，閥芯導(dǎo)向部分的導(dǎo)向面積大，具有抗振性能強等特點，適用于對介質(zhì)泄漏量及調(diào)理精度有嚴(yán)格要求的場合，但由于閥結(jié)構(gòu)上的原因，閥桿上的不平衡力較大，特別在公稱通徑大的工況下更為明顯，因而該閥只適合于工作壓差較小的場合。

3．通過改變閥芯形狀的設(shè)計，不同的閥芯形狀會得到不同流量特性：等百分比（對數(shù)）性、直線性、快開特性。

傳遞函數(shù)：調(diào)理閥：Wc

(s)?Kc4.差壓變送器

選用羅斯蒙特3051C差壓變送器，其主要參數(shù)如下:總體性能：±0.15%精度：±0.075%

差壓：校驗量程從0.5inH2O至2000psi表壓：校驗量程從2.5inH2O至2000psi絕對壓力：校驗量程從0.167psia至4000psia

過程隔離膜片：不銹鋼，哈氏合金C，蒙乃爾，鉭（僅限CD，CG）及鍍金蒙乃爾設(shè)計小巧、穩(wěn)固而質(zhì)輕，易于安裝

特點：羅斯蒙特3051壓力變送器具有無可比較的操作性能、靈活的CoPlanarTM平臺，而且可以升級。新型羅斯蒙特3051C壓力變送器的性能指標(biāo)保證了在不同工況下的精度和穩(wěn)定性。

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七、參數(shù)的整定及仿真結(jié)果

1.經(jīng)驗法（現(xiàn)場試驗整定法）

依照先比例、后積分、再微分的順序進行整定

①TI=∞，TD=0，δ由大到小調(diào)理，使過渡過程達(dá)到4:1，且靜差較小，若能滿足要求，則用比例控制。

②若靜差不能滿足要求，則需要加積分環(huán)節(jié)。比例度δ增加10-20%，由大到小調(diào)理積分時間TI，在保持動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，減小或者消除誤差。③若動態(tài)特性不能滿足要求，由大到小調(diào)理TD，同時適當(dāng)調(diào)理TI、δ。（滿足要求的參數(shù)不是唯一的，某個參數(shù)的減小可以用其它參數(shù)的增大來補償）

2.常見被控量的PID參數(shù)選擇范圍：

系統(tǒng)溫度流量壓力液位參數(shù)δ(%)20～6040～10030～7020～80TI(min)3～100.1～10.4～3TD(min)0.5～3

3.控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：

①比例環(huán)節(jié)：用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)理精度。KP越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)理精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

KP取值過小，則會降低調(diào)理精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)理時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。

②積分環(huán)節(jié)：主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，TI越小，但TI過小，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若TI過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)理精度。

③微分環(huán)節(jié)：能改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任

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何方向的變化，對偏差變化進行提前預(yù)報。但TD過大，會使響應(yīng)過程提前制動，從而延