畢業(yè)設(shè)計(jì)水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、濟(jì)南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目：水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系別：電氣工程系專(zhuān)業(yè)：電氣自動(dòng)化班級(jí)：0631 班學(xué)生姓名：周圣凱指導(dǎo)老師：李穎太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 2摘要 31緒論 41.1過(guò)程控制的定義 41.2過(guò)程控制的目的 41.3過(guò)程控制的特點(diǎn) 51.4過(guò)程控制的發(fā)展與趨勢(shì) 52鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)的原理62.1人工控制與自動(dòng)控制 62.2鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)的原理框圖 72.3鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 .83鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)的組成 113.1被控制變量的選擇 113.2執(zhí)行器的選擇 113.3 PID控制器的選擇 153.4 液位變送器的

2、選擇 174 PID控制規(guī)律 184.1比例控制 184.2積分控制 214.3微分控制 214.4比例積分控制 214.5比例積分微分控制 225應(yīng)用實(shí)例 225.1液位控制在廁所中的應(yīng)用 225.2液位控制在汽車(chē)上的應(yīng)用 23總結(jié) 24參考文獻(xiàn) 25任務(wù)書(shū)班級(jí)自動(dòng)化學(xué)生姓名李博愷指導(dǎo)教師王芳設(shè)計(jì)(論文)題目鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要 研究 內(nèi)容設(shè)計(jì)供水鍋爐的進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)，要求在米用儀表控 制的情況下，設(shè)計(jì)一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，系統(tǒng)使用PID調(diào)節(jié)器。各 環(huán)節(jié)選用適當(dāng)?shù)膬x表和器件，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的控制方式，確定控 制器參數(shù)，并可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。分析不同控制方式的控制 規(guī)律和在不同

3、控制方式下系統(tǒng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)在上下水流量發(fā)生變 化時(shí)，能快速恢復(fù)到設(shè)定值。主要技 術(shù)指標(biāo) 或研究 目標(biāo)本過(guò)程控制系統(tǒng)，檢測(cè)信號(hào)、控制信號(hào)及被控信號(hào)均采用ICE標(biāo)準(zhǔn)，即電壓1-5V，電流4-20mA,供電要求：三相380V交 流電，24V直流電。通過(guò)本課題的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的綜合運(yùn)用， 對(duì)自動(dòng)化儀表的選型、參數(shù)設(shè)計(jì)和調(diào)試的能力，檢驗(yàn)所學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè) 知識(shí)的綜合利用能力，為今后工作打好基礎(chǔ)?；?要求(1)設(shè)計(jì)鍋爐進(jìn)水流量定值控制的系統(tǒng)方案。(2)各環(huán)節(jié)儀表的選型。(3)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的控制方式和 PID參數(shù)。(4)分析不同控制規(guī)律和不同參數(shù)下系統(tǒng)的特點(diǎn)。主要參 考資料 及文獻(xiàn)1. 過(guò)程控制系統(tǒng)

4、和應(yīng)用俞金壽主編機(jī)械工業(yè)出版社2. 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表侯志林主編機(jī)械工業(yè)出版社3. 自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制施仁主編電子工業(yè)出版社專(zhuān)業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化09-1 學(xué)號(hào) 2009100599 姓名 李博愷 成績(jī)鍋爐進(jìn)水量定值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要在人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問(wèn)題，例如居民生活用水的供應(yīng)，飲料、食品加工，溶液過(guò)濾，化工生產(chǎn)等多 種行業(yè)的生產(chǎn)加工過(guò)程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要維持合適 的高度，既不能太滿(mǎn)溢出造成浪費(fèi)，也不能過(guò)少而無(wú)法滿(mǎn)足需求。因此液面高 度是工業(yè)控制過(guò)程中一個(gè)重要的參數(shù)，特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法 對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)、控制，能收到很

5、好的效果。PID控制（比例、積分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。本文主要是對(duì)鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，涉及到液位的動(dòng)態(tài)控制、控制系統(tǒng)的建模、PID算法、傳感器和調(diào)節(jié)閥等一系列的知識(shí)。作為單 容水箱液位的控制系統(tǒng)，其模型為一階慣性函數(shù)，控制方式采用了PID算法，調(diào)節(jié)閥為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。選用合適的器件設(shè)備、控制方案和算法，是為了能最大限度 地滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。關(guān)鍵詞：PID控制；過(guò)程控制；流量控制1 緒論1.1過(guò)程控制的定義生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，一般是指石油、化工、冶金、煉焦、造紙、建材、陶瓷及電力 發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定程序進(jìn)行的生產(chǎn)過(guò)程的自

6、動(dòng)控制。電力拖 動(dòng)及電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等過(guò)程的自動(dòng)控制一般不包括在內(nèi)。凡是采用模擬或數(shù)字控 制方式對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制通稱(chēng)為過(guò)程控制。 過(guò)程控制是自動(dòng)控制學(xué)科的一個(gè)重要分支，是對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合。1. 2過(guò)程控制的目的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)各個(gè)工藝過(guò)程的物理量（或稱(chēng)工藝變量）有著一定的控制要求。 有些工藝變量直接表征生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)產(chǎn)品的數(shù)量與質(zhì)量起著決定性的作用。 例如，精餾塔的塔頂或塔釜溫度，一般在操作的壓力不變的情況下必須保持 一定，才能得到合格的產(chǎn)品；加熱爐出口溫度的波動(dòng)不能超出允許范圍，否 則將影響后一段的效果；化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)溫度必須保持平穩(wěn)，才能使效率 達(dá)到指標(biāo)。有

7、些工藝變量雖不直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，然而保持其平穩(wěn) 卻是使生產(chǎn)獲得良好控制的前提。例如，用蒸汽加熱反應(yīng)器或在沸器，如果 在蒸汽總壓波動(dòng)劇烈的情況下，要把反應(yīng)溫度或塔釜溫度控制好將極為困難； 中間儲(chǔ)槽的液位高度與氣柜壓力，必須維持在允許的范圍之內(nèi)，才能使物料 平衡，保持連續(xù)的均衡生產(chǎn)。有些工藝變量是決定安全生產(chǎn)的因素。例如， 鍋爐汽包的水位、受壓容器的壓力等，不允許超出規(guī)定的限定否則將威脅生 產(chǎn)安全。還有一些工藝變量直接鑒定產(chǎn)品的質(zhì)量。例如，某些混合氣體環(huán)境 的污染，因此，減小工業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響也已納入過(guò)程控制的目標(biāo)范圍。綜上所述，過(guò)程控制的主要目標(biāo)包括一下幾個(gè)方面： 保障生產(chǎn)過(guò)程的安全和

8、平穩(wěn)； 達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)量和質(zhì)量； 盡可能地減少原材料和能源損耗； 把生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的危害降低到最小程度。由此可見(jiàn)，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、降低成本、改善勞動(dòng)條件、促進(jìn)文明生產(chǎn)、保證生產(chǎn)安去和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要手段，使20世紀(jì)科學(xué)與進(jìn)步的特征，市工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。1. 3過(guò)程控制的特點(diǎn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制一般要求保持過(guò)程進(jìn)行中的有關(guān)參數(shù)為一定值或按一定規(guī)律 變化。顯然，過(guò)程參數(shù)的變化，不但受外界條件的影響，它們之間往往也相 互影響，這就增加了某些參數(shù)自動(dòng)控制的復(fù)雜性和難度，過(guò)程控制有如下特 占： 八、被控對(duì)象的多樣性; 對(duì)象存在滯后； 對(duì)象特性的非線(xiàn)性； 控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。由于對(duì)象

9、的特性不同，其輸入與輸出可能不止一個(gè)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在于適應(yīng)這 些不同的特點(diǎn)，以確定控制方案和控制其的設(shè)計(jì)或選型，以及控制器特性參 數(shù)的計(jì)算與設(shè)定。這些都要以對(duì)象的特性為依據(jù)，而對(duì)象的特性復(fù)雜且難以 認(rèn)識(shí)，所以要完全通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與整定至今仍不可能。目前已 設(shè)計(jì)出的各種各樣的控制系統(tǒng)(如簡(jiǎn)單的位式控制系統(tǒng)、單回路及多回路控 制系統(tǒng)，以及前饋控制、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等)，都是通過(guò)必要的理論計(jì)算，采 用現(xiàn)場(chǎng)的方法達(dá)到過(guò)程控制的目的。1. 4過(guò)程控制的發(fā)展與趨勢(shì)20世紀(jì)40年代開(kāi)始形成的控制理論被成為“ 20世紀(jì)上半葉三大偉績(jī)之一”，在人 類(lèi)社會(huì)的各個(gè)反面有著深遠(yuǎn)的影響。與其他任何學(xué)科一樣，控

10、制理論源于社 會(huì)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)踐。自動(dòng)化技術(shù)的前驅(qū)，可以追溯到我國(guó)古代，如指南車(chē)的 出現(xiàn)。至于工業(yè)上的應(yīng)用，一般以瓦特的蒸汽機(jī)調(diào)速器作為起點(diǎn)。 有人把直到20世紀(jì)30 年代末這段時(shí)期的控制理論成為第一代控制理論，第一代控制理論分析的主 要問(wèn)題是穩(wěn)定性，主要的數(shù)學(xué)方法是微分方程解析方法。這時(shí)候的系統(tǒng)(包 括過(guò)程控制系統(tǒng))是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，儀表是基地式、大尺寸的、滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)的 需要。到第二次時(shí)間大戰(zhàn)前后，控制理論有了很大發(fā)展，Nyquist(1932)和Bode (1945)頻率法分析技術(shù)及穩(wěn)定判據(jù)、Eve ns根軌跡分析方法的建立，使經(jīng)典 控制理論發(fā)展到了成熟的階段，這是第二代控制理論。從20世紀(jì)50

11、年代開(kāi)始，隨著工業(yè)的發(fā)展、控制需求的提高，除了簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)以外，各種復(fù)雜 控制系統(tǒng)也發(fā)展起來(lái)了，而且取得了顯著的功效。20世紀(jì)60年代，現(xiàn)代控制 理論迅猛發(fā)展，它以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)、以極小值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等最優(yōu) 控制理論為特征的而以在隨機(jī)干擾下采用Kalman濾波器的線(xiàn)性二次型系統(tǒng)(LOG設(shè)計(jì)宣告了時(shí)域方法的完成，這是第三代控制理論。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，為了解決大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化與控制問(wèn)題，現(xiàn)代控制理論和優(yōu)化 與控制相結(jié)合，逐步發(fā)發(fā)展成了大系統(tǒng)理論。過(guò)程控制是隨著控制理論的發(fā) 展而發(fā)展的，從系統(tǒng)機(jī)構(gòu)來(lái)看，過(guò)程控制已經(jīng)經(jīng)歷了四個(gè)階段：基地式控制 階段(初級(jí)階段)、單元組合儀表自動(dòng)化階段、

12、計(jì)算機(jī)控制的初級(jí)階段、綜合 自動(dòng)化階段。當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的一些主要特點(diǎn)是：生產(chǎn)裝置實(shí)施先進(jìn)控制成為發(fā)展主流，過(guò)程優(yōu)化受到普遍關(guān)注，傳統(tǒng)的 DCS正在走向國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式系統(tǒng)， 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(CPIS)發(fā)展方向。綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，就是包括生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度、操作優(yōu)化、先進(jìn)控制和基層等內(nèi)容的遞階控制系統(tǒng)，亦稱(chēng)管理控制一體化系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)管控一體化系統(tǒng)）。這類(lèi)自動(dòng)化是靠計(jì)算機(jī)的組成特征，過(guò)程系統(tǒng)指明了它的工作對(duì)象，正好與計(jì)算機(jī) 集成制造系統(tǒng)（CIMS相應(yīng)，有人也稱(chēng)之為過(guò)程工業(yè)的 CIMS可以說(shuō)，綜合 自動(dòng)化是當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要潮流。它以整體優(yōu)化為目標(biāo)，以計(jì)算機(jī)為主 要技術(shù)工具，以生產(chǎn)過(guò)程的管理和控

13、制的自動(dòng)化為主要內(nèi)容，將各個(gè)自動(dòng)化“孤島”綜合集成為一個(gè)整體的系統(tǒng)。2鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)的原理2. 1人工控制與自動(dòng)控制下圖為鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)示意圖，在人工控制示意圖中，為保持鍋爐進(jìn) 水流量定值恒定，操作人員應(yīng)根據(jù)液位高度的變化情況控制凈水量。手工控 制的過(guò)程主要分為三步： 用眼睛觀(guān)察鍋爐液位的高低以獲取測(cè)量值，并通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)傳到大腦； 大腦根據(jù)眼睛看到的水位高度，與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差大小和方向， 然后根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)發(fā)出控制命令； 根據(jù)大腦發(fā)出的命令，用雙手去改變給水閥（或進(jìn)水閥）的開(kāi)度，使鍋爐 液位包持在工藝要求的高度上。在整個(gè)手工控制過(guò)程中，操作人員的眼、腦、手、三個(gè)器官

14、，分別擔(dān)負(fù)了檢測(cè)、 判斷、和運(yùn)算、執(zhí)行三個(gè)作用，來(lái)完成測(cè)量、求偏差、在施加控制操作以 糾正偏差的工作過(guò)程，保持水箱液位的恒定。人工控制自動(dòng)控制如果采用檢測(cè)儀表和自動(dòng)控制裝置來(lái)代替人工控制，就成為過(guò)程控制系 統(tǒng)。在自動(dòng)控制示意圖中，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量（液位）發(fā)生變 化，通過(guò)檢測(cè)變送儀表得到其測(cè)量值；控制器接受液位測(cè)量變送器送來(lái)的信號(hào)， 與設(shè)定值相比較得出偏差，按某種運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算并輸出控制信號(hào)；控制閥 接受控制器的控制信號(hào)，按其大小改變閥門(mén)的開(kāi)度，調(diào)整給水量，以克服擾動(dòng) 的影響，使被控變量回到設(shè)定值，最終達(dá)到水箱液位的恒定。這樣就完成了所 要求的控制任務(wù)。這些自動(dòng)控制裝置和被控的工

15、藝設(shè)備組成了一個(gè)沒(méi)有人直接 蔡玉的自動(dòng)控制系統(tǒng)。2 . 2鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)的原理框圖本論文對(duì)鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，所謂簡(jiǎn)單液位控制系統(tǒng)通常是指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)變送單元（檢測(cè)元件及變 送器）、以個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)， 也稱(chēng)為單回路控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)有著共同的特征，它們均有四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象、 測(cè)量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。對(duì)于不同對(duì)象的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，盡管其具體 裝置與變量不相同，但都可以用相同的方框圖表示：由這個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通用的框圖設(shè)計(jì)出鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)的原理框圖如下擾 動(dòng)這是單回路鍋爐進(jìn)水

16、流量定值控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象上用一個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)保持一個(gè)參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測(cè)量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定 高度，即控制的任務(wù)是控制水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖， 這是一個(gè)閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。2. 3鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型該系統(tǒng)主要是自衡的非振蕩過(guò)程，即在外部階躍輸入信號(hào)作用下，過(guò)程原 有的平衡狀態(tài)被破壞，并在外部信號(hào)作用下自動(dòng)的非震蕩地穩(wěn)定到一個(gè)新的穩(wěn) 態(tài)，這一大類(lèi)是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)的過(guò)程。(1) 確定過(guò)程的輸入變量和輸出變量如下圖所示，流入鍋爐的流量Fi是由

17、進(jìn)料閥1來(lái)控制的；流出鍋爐的流量F2取決于鍋爐液位L和出料閥2的開(kāi)度，而出料閥的開(kāi)庫(kù)是隨用戶(hù)的需要而改 變的。這里，液位L是被控變量(即輸出變量)，進(jìn)料閥1為控制系統(tǒng)中的控 制閥，它所控制的進(jìn)料流量 已是過(guò)程的控制輸入(即操縱量)，出料流量F2是外部擾動(dòng)。本設(shè)計(jì)以進(jìn)料流量F,作為輸入變量F1F2L(0)L(水箱液位過(guò)程及其階躍響應(yīng)曲線(xiàn)(2) 根據(jù)過(guò)程內(nèi)在機(jī)理，列寫(xiě)原始方程根據(jù)物料平衡關(guān)系，當(dāng)過(guò)程處于原有穩(wěn)定狀態(tài)是，鍋爐液位保持不變,靜態(tài)方程為：F10- F20=0 (1 6)，F(xiàn)10、F20分別為原穩(wěn)定狀態(tài)下鍋爐的進(jìn)料流量和出料流量，當(dāng)進(jìn)料流量F1突然增大是，鍋爐原來(lái)的平衡狀態(tài)被破壞，此時(shí)進(jìn)料

18、量大于出料量，多余的液體在鍋爐內(nèi)儲(chǔ)存起來(lái)，使其液位升高。設(shè)鍋爐液體的儲(chǔ)存量為V,則單位時(shí)間內(nèi)出料流量與進(jìn)料流量之差等于鍋爐液體儲(chǔ)存量的凈增量。其動(dòng)態(tài)方程為：（ 1 7）F1 = F1 .-：F1、F F2 . ：F1 , dt厶Fl、.丁2分別為Fi和F2的增量。設(shè)鍋爐截面積為 A,則有V=AL其增量形式pl /pl I為 dV=AdL,即： 一 =A- （ 1 8）。將 Fi = Fio+也Fi、F2 = F20 + 也Fi 和式（1 dt dt8）代入式（17）,得 Fg +AF1 - F2o -AF2 = Ad"L （ 19）。將式（1 9） dt減去式（16）可得用新增量形式

19、表示的動(dòng)態(tài)方程式，為：丐-訐2 =A吐（1 10）dt（3）消去中間變量，簡(jiǎn)化，求的微分方程式中間變量式原始方程式中出現(xiàn)的一些既不是輸入變量也不是輸出變量的工藝變量。式（1 10）中，.F2為中間變量。F2與輸出變量L的關(guān)系可表示為：F2=k、. Lk :比例系數(shù)（1 11）28當(dāng)只考慮液位與流量均在有限小的范圍內(nèi)變化式， 就可以認(rèn)為出料流量與液位變化呈線(xiàn)性關(guān)系。將式（1 11）改寫(xiě)成增量形式：=f2k 丄 令遠(yuǎn)1R，則有:-F2（ 1 12）R將式（1 12）代入式（1 10）中，即得RA 丄二 R F1（ 1 13）dt式（1 13）即為鍋爐液位過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。由此可見(jiàn)，這是一個(gè)一階微 風(fēng)

20、方程，液位過(guò)程為一階過(guò)程。將該式寫(xiě)成的一階過(guò)程的微風(fēng)方程的標(biāo)準(zhǔn)形式：RCy（tt K（ 1 14）dt或，y（t）二 K ：x（t）（ 1 15）dtT為一階過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，T = RC,具有時(shí)間量綱；K為一階過(guò)程的放大 系數(shù)，具有放大倍數(shù)的量綱；y（t）為一階過(guò)程的輸出變量；x（t）為一階過(guò)程的 輸入變量；R為阻力系數(shù)，R=液位的變化量/出料流量的變化量；C為容量系數(shù)，C = 儲(chǔ)存的物料變化量/液位的變化量。當(dāng)被控變量的檢測(cè)地點(diǎn)與產(chǎn)生擾動(dòng)的地點(diǎn)之間由一段物料傳輸距離時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)滯后。在控制過(guò)程中，若進(jìn)料閥安裝在與鍋爐進(jìn)料口有一段距離，則當(dāng) 進(jìn)料閥開(kāi)度變化而引起進(jìn)料流量變化后， 液體需要經(jīng)過(guò)一

21、段傳輸時(shí)間.0才能流 入鍋爐，使液位發(fā)生變化并被檢測(cè)出來(lái)。顯然液體流經(jīng)這段距離所需時(shí)間.0完全是傳輸滯后造成的。純滯后一階過(guò)程的微風(fēng)方程為：Tdjytl .,y（t）二 K，x（t - 0）dt具有純滯后的一階過(guò)程的特性與放大系數(shù) K、時(shí)間常數(shù)T和純滯后時(shí)間.0 有關(guān)綜上所述，鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)是一個(gè)一階自衡過(guò)程，其特性可用放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T和純滯后時(shí)間o這三個(gè)特性參數(shù)來(lái)全面表征。3 鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)的組成本設(shè)計(jì)研究的鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，是使用的族普遍的、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種過(guò)程控制系統(tǒng)。所謂的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，通常是指一個(gè) 被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)變送單元（檢測(cè)元件及

22、變送器）、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行 器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。3. 1被控制變量的選擇被控變量的選擇是控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題，被控變量選擇的正確與否是決定 控制系統(tǒng)有無(wú)價(jià)值的關(guān)鍵。對(duì)于任何一個(gè)控制系統(tǒng)，總是希望其能夠在穩(wěn)定生 產(chǎn)操作、增加產(chǎn)品產(chǎn)量、保證生產(chǎn)安全及改善勞動(dòng)條件等方面發(fā)揮作用，如果 被控變量學(xué)則不當(dāng)，配備再好的自動(dòng)化儀表，使用在復(fù)雜、先進(jìn)的控制規(guī)律也 無(wú)用的，都不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。對(duì)于鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)，其被控變量是顯而易見(jiàn)的，液位就是其 被控變量，是直接參數(shù)控制。3. 2執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中起著極其重要的作用?？刂葡到y(tǒng)的控制性能指標(biāo)與執(zhí)行器的性能和正確

23、選用有著十分密切的關(guān)系。執(zhí)行器接受控制其輸出的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)操縱變量的改變，從而使被控變量向設(shè)定值靠攏。執(zhí)行器位于控制 回路的最總端，因此又稱(chēng)為最終元件。本設(shè)計(jì)所使用的執(zhí)行器為控制閥，也稱(chēng)調(diào)節(jié)閥?？刂崎y發(fā)裝現(xiàn)場(chǎng)，通常在 咼溫、咼壓、咼粘度、強(qiáng)腐蝕、易滲透、易結(jié)晶、易燃易爆、劇毒等場(chǎng)合下工 作。如果選擇不當(dāng)或維修不妥，就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)作。經(jīng)驗(yàn)表明，控 制系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的原因，多數(shù)發(fā)生在控制閥上。對(duì)于系統(tǒng)控制閥的選擇很 重要。控制閥接受控制器輸出的控制信號(hào)， 通過(guò)改變閥的開(kāi)度來(lái)達(dá)到控制流量的 目的?？刂崎y有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是根據(jù)可能稚氣的 控制信號(hào)產(chǎn)生推力或位移的

24、裝置，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)去改變 能量或物料輸送量的裝置。控制閥按其能源形式可分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三大類(lèi)。液動(dòng)控制閥推力最 大，但比較笨重，目前已經(jīng)極少使用。電動(dòng)控制閥的能源取用方便，信號(hào)傳遞 迅速，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、防爆性能差。氣動(dòng)控制閥采用壓縮空氣作為能源，其特點(diǎn) 是簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、平穩(wěn)、輸出推力較大、維修方便、防火防爆而且價(jià)格較低， 因此得到廣泛應(yīng)用。氣動(dòng)控制閥可以方便的與電動(dòng)儀表配套使用，即使是采用 電動(dòng)儀表或計(jì)算機(jī)控制時(shí)，只要經(jīng)過(guò)電一氣轉(zhuǎn)換閥門(mén)定位器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為 20 100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)仍可采用氣動(dòng)控制閥。調(diào)節(jié)閥基型產(chǎn)品即普通產(chǎn)品按基型結(jié)構(gòu)特征分為幾大類(lèi)產(chǎn)品，它們是：

25、直 通單座閥、直通雙座閥、套筒閥、角形閥、三通閥、隔膜閥、蝶閥、球閥、偏 心旋轉(zhuǎn)閥，其中前6種為直行程調(diào)節(jié)閥，后3種為角行程調(diào)節(jié)閥，選擇購(gòu)買(mǎi)控 制閥時(shí)，必須首先弄清楚基型產(chǎn)品的特點(diǎn)、使用注意事項(xiàng)、各類(lèi)變型產(chǎn)品、改 進(jìn)產(chǎn)品。(1) 直通單座調(diào)節(jié)閥該閥具有泄漏小、許用壓差小、流路復(fù)雜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適用于泄漏 要求嚴(yán)、工作壓差小的干凈介質(zhì)場(chǎng)合，但小規(guī)格的閥(如 DN15 20、25)亦可 用于壓差較大的場(chǎng)合，是應(yīng)用最廣泛的閥之一。(2) 直通雙座調(diào)節(jié)閥與單座閥相反，具有泄漏大、許用壓差大的特點(diǎn)，適用于泄漏要求不嚴(yán)、 工作壓差大的干凈介質(zhì)場(chǎng)合，是應(yīng)用最為廣泛的閥之一。(3) 套筒閥套筒閥具有單密封

26、、雙密封兩種結(jié)構(gòu)，前者相當(dāng)于單座閥，后者相當(dāng)于雙 座閥，適用于雙座閥場(chǎng)合，除此之外，套筒閥還具有穩(wěn)定性好、裝卸方便的特 點(diǎn)，但價(jià)格比單雙座閥貴 50%200%還需要專(zhuān)門(mén)的纏繞密圭寸墊。是僅次于單、 雙座閥應(yīng)用較為廣泛的閥。(4) 角形閥節(jié)流型式相當(dāng)于單座閥，但閥體流路簡(jiǎn)單，適用于泄漏要求小、壓差不大 的不干凈介質(zhì)場(chǎng)合以及要求直角配管的場(chǎng)合。(5) 三通閥具有3個(gè)通道，可代替兩個(gè)直通單座閥用于分流和合流及兩相流溫度差成 < 150C的場(chǎng)合，當(dāng)DN<80mm儀表工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)工作。(6) 隔膜閥隔膜閥流路簡(jiǎn)單，隔膜具有一定的耐蝕性能，適用于不干凈介質(zhì)和弱腐蝕 性介質(zhì)的兩位切斷場(chǎng)合。(7

27、) 蝶閥相當(dāng)于取一段直管來(lái)做閥體，且閥體又相當(dāng)于閥座，自潔性能好、體積小、 重量輕，適用于不干凈介質(zhì)和大口徑、大流量、低壓差的場(chǎng)合。當(dāng)DN>300mm時(shí)，通常采用蝶閥。(8)球閥“0"形球閥全開(kāi)時(shí)為無(wú)阻調(diào)節(jié)，自潔性能最佳，適用于特別不干凈、含纖 維介質(zhì)的兩位切斷場(chǎng)合。“ V"形球閥具有近似等百分比的調(diào)節(jié)特性，適用于不 干凈、含纖維介質(zhì)可調(diào)比較大的調(diào)節(jié)場(chǎng)合。球閥價(jià)格較貴。(9)偏心旋轉(zhuǎn)閥該閥介于蝶閥和球閥之間，自潔性能好，調(diào)節(jié)性能好，亦可切斷，適用于不干凈介質(zhì)和泄漏要求小的調(diào)節(jié)場(chǎng)合，但該閥價(jià)格較貴。2 選型注意事項(xiàng)3閥體材料選擇4 閥體耐壓等級(jí)、使用溫度和耐腐蝕性能等方

28、面不低于工藝連接管道的要求，并應(yīng)優(yōu)先選用制造廠(chǎng)定型產(chǎn)品，遇有水蒸汽或含水較差的濕氣體和易燃易爆介質(zhì)， 或當(dāng)壞境溫度低于-30 C時(shí)，不宜選用鑄鐵閥。選型注意事項(xiàng)5 閥內(nèi)件材質(zhì)選擇6(1)非腐蝕性介質(zhì)一般選用1Cr18Ni9Ti或其它不銹鋼。(2) 在汽蝕、沖蝕較為嚴(yán)重的情況下，以及在介質(zhì)溫度與壓差構(gòu)成的直角坐 標(biāo)中。溫度為300C，壓差為1.5MPa的兩點(diǎn)連線(xiàn)以外的區(qū)域，應(yīng)選用耐磨材料， 如鉆基合金或表面堆焊史泰萊合金。(3) 要求泄漏很小時(shí)，應(yīng)選用軟密封，如四氟、橡膠。7耐蝕材料選擇(1) 對(duì)腐蝕性介質(zhì)，應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的種類(lèi)、濃度、溫度、壓力的不同，選擇合 適的耐腐蝕材料，同時(shí)，還要考慮閥的經(jīng)濟(jì)

29、性。(2) 選擇襯里材料(橡膠、塑料)時(shí)，工作介質(zhì)的溫度、壓力、濃度都必 須滿(mǎn)足該材料的使用范圍，并考慮閥動(dòng)作時(shí)對(duì)它的物理和機(jī)械破壞。(3) 真空閥不宜選用閥體內(nèi)襯橡膠、塑料結(jié)構(gòu)。(4) 水處理系統(tǒng)的兩位切斷閥不宜選用襯橡膠材料，如襯膠蝶閥、隔膜閥。 咼低溫材料選擇8(1) -200-60 C 時(shí)，選用銅或 1Cr18Ni9Ti ;(2)-450+600C，選用含鈦鉬不銹鋼。其它注意事項(xiàng)9在滿(mǎn)足使用的必要功能前提下，所選閥應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、可靠?jī)r(jià)廉、壽命長(zhǎng)、 維修方便，備件有來(lái)源。需考慮的主要因素如下：10(1)最基本的條件是應(yīng)該滿(mǎn)足工藝的壓力、流量、溫度的要求。(2) 閥的密封性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

30、(3) 閥的工作壓差小于閥的許用壓差。(4) 對(duì)通過(guò)閥內(nèi)不潔介質(zhì)，易結(jié)垢介質(zhì)，強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的考慮。(5) 對(duì)閥動(dòng)作速度，閥流量特性，作用方式，流向的考慮。(6) 對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式、輸出力、剛度及彈簧范圍的考慮。(7) 對(duì)附件及其成套性及特殊閥之特殊性能及要求的考慮。安裝注意事項(xiàng)11(1)宜垂直、正立安裝在水平管道上，公稱(chēng)通徑DN>50mn的調(diào)節(jié)閥，其閥前后管道上最好有永久性支架。(2) 調(diào)節(jié)閥配管應(yīng)組合緊湊，上、下部分應(yīng)留有足夠的空間，必要時(shí)應(yīng)設(shè) 置平臺(tái)，便于操作、維修和排液，配管通徑盡量與閥通徑一致。連接形式應(yīng) 符合制造廠(chǎng)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的規(guī)定。(3) 調(diào)節(jié)閥用于高粘度、易結(jié)晶、易汽化以及低溫流

31、體時(shí)，應(yīng)采取保溫和 防凍措施。使用環(huán)境溫度一般不高于60C,不低于-30 C,未安裝閥門(mén)定位器 的調(diào)節(jié)閥，當(dāng)閥安裝在有振動(dòng)場(chǎng)合時(shí)，應(yīng)考慮防振措施。(4) 未安裝閥門(mén)定位器的調(diào)節(jié)閥，膜頭上最好安裝指示控制信號(hào)的小型壓 力表。(5) 安裝前應(yīng)先對(duì)閥檢查校驗(yàn)，并在管道吹掃后安裝。用于懸浮物、高粘 度介質(zhì)時(shí)，應(yīng)配沖洗管線(xiàn)。(6) 入口管段長(zhǎng)度應(yīng)盡量長(zhǎng)，對(duì)于小通徑閥門(mén)，應(yīng)大于10倍管道通徑， 調(diào)節(jié)閥出口直管段應(yīng)有35倍管道通徑。調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口取壓點(diǎn)位置，閥前為2 倍管道通徑處，閥后為3倍管道通徑處。（7）對(duì)小流量調(diào)節(jié)閥前應(yīng)安裝過(guò)濾裝置。（8）務(wù)必按流動(dòng)方向箭頭安裝，安裝時(shí)應(yīng)避免過(guò)大的應(yīng)力。環(huán)境塵埃較多時(shí)，

32、應(yīng)采取保護(hù)閥桿的措施，避免磨損或卡死。12調(diào)節(jié)閥的使用效果反映在裝置上，好壞不只是產(chǎn)品自身出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，它 與設(shè)計(jì)院、用戶(hù)、生產(chǎn)廠(chǎng)家 3方面有關(guān).鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)選擇何 種型號(hào)的控制閥要根據(jù)系統(tǒng)在實(shí)際生活中的應(yīng)用。13 3。3 PID控制器的選擇控制器是控制系統(tǒng)的核心部件，它將安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送裝置送 來(lái)的測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差，并按預(yù)先設(shè)置好的控制規(guī)律對(duì)該 偏差進(jìn)行預(yù)算，產(chǎn)生輸出型號(hào)去操縱執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制變量的控制。常見(jiàn)的PID控制器形式主要有三中：（1）硬件型，通用PID溫控氣；（2） 軟件型，使用離散形式的 PID控制算法在可編程序控制器上做 PID控制

33、器； （3）使用變頻器內(nèi)置PID控制功能，相對(duì)兩種來(lái)說(shuō)，這種叫內(nèi)置型。這三種 控制器形式各具特點(diǎn)。（1）PID溫控器現(xiàn)在PID溫控器多為數(shù)字型控制器，具有位空方式、數(shù)字 PID控制方式 以及模糊控制方式，有的還具有自整定功能，如富士PWX系列溫控器、歐陸800系列溫控器就屬此類(lèi)型。此類(lèi)溫控器的輸入輸出類(lèi)型都可通過(guò)設(shè)置參數(shù) 來(lái)改變，考慮到抗干擾性，一般將輸入輸出類(lèi)型都設(shè)定位 4 20mA電流類(lèi)型。 這種PID形式的主要優(yōu)點(diǎn)有：操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能號(hào)，適用 于選用能過(guò)的變頻器性能不是很高的應(yīng)用場(chǎng)合，同時(shí)控制器還具有傳感器斷 線(xiàn)和故障自動(dòng)檢測(cè)功能。缺點(diǎn)是：PID調(diào)節(jié)過(guò)于頻繁，穩(wěn)態(tài)性能稍差

34、，布線(xiàn) 工作量多。調(diào)試注意要點(diǎn)：P參數(shù)值不應(yīng)太大，一般為0.5 1;參數(shù)和D參 數(shù)的比值大約位4: 1參數(shù)的值一般位6s16s;由于PID溫控器的響應(yīng)快， 為了防止調(diào)整過(guò)程中壓力波動(dòng)過(guò)大，變頻器的上升和下降時(shí)間應(yīng)調(diào)大些，推 薦30s80s;設(shè)定PID溫控器的顯示標(biāo)尺斜率，校正壓力顯示值；設(shè)定適當(dāng) 的數(shù)字濾波時(shí)間，抑制干擾的輸入。（3）軟件型PID這種類(lèi)型可以使用PLC指令編程編寫(xiě)PID算法程序，可以充分利用PLC 的功能。優(yōu)點(diǎn)是控制性能號(hào)，柔性好，在調(diào)節(jié)結(jié)束后，壓力十分穩(wěn)定，信號(hào) 干擾小，調(diào)試簡(jiǎn)單，接線(xiàn)工作量少，可靠性高。缺點(diǎn)是編程工作量增加，需 增加硬件成本。調(diào)試時(shí)要盡量設(shè)置短的變頻器的上升

35、時(shí)間和下降時(shí)間。在編 程設(shè)計(jì)中必須防止計(jì)算結(jié)果值溢出，造成控制失控，而且還要編寫(xiě)校正傳感 器零點(diǎn)和判斷是否正常的功能程序。（3）變頻器內(nèi)置PID現(xiàn)在的大多數(shù)變頻器，無(wú)論是專(zhuān)用型，還是通用型都內(nèi)置了PID控制功能，這對(duì)節(jié)省系統(tǒng)的成本很有利使用變頻器的內(nèi)置PID功能，首先必須設(shè)定PID功能有效，然后確定PID控制器的信號(hào)輸入類(lèi)型，如采用有反饋信號(hào)輸入， 則要求有設(shè)定值信號(hào)，設(shè)定值可以是外部信號(hào)，也可以是面板設(shè)定值；如采用 偏差輸入信號(hào)，則無(wú)須輸入設(shè)定值信號(hào)。內(nèi)置型PID優(yōu)點(diǎn)是成本低，控制性能 號(hào)，設(shè)置的參數(shù)少，接線(xiàn)工作量較少，抗干擾性最好。缺點(diǎn)是這種 PID也屬軟 件型PID，響應(yīng)較慢，易出現(xiàn)超調(diào)

36、現(xiàn)象；壓力的設(shè)置和顯示不直觀(guān)。調(diào)試應(yīng)盡 量設(shè)置短的變頻器的上升時(shí)間和下降時(shí)間， 使用面板設(shè)定設(shè)置值是，設(shè)定的是 設(shè)置值與傳感器量程的相對(duì)值，設(shè)置正確的PID動(dòng)作方向。當(dāng)然。PID控制器在實(shí)際應(yīng)用中有很多類(lèi)型，就水箱液位控制系統(tǒng)可選用的也 有很多，具體選用何種型號(hào)，要看具體情況而定。3. 4液位變送器的選擇測(cè)量變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的參數(shù)經(jīng)過(guò)檢測(cè)、變送單元轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。在模擬儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通常采用420mADC1 5VDC 010mAD啲電流（電壓）信號(hào)，或 20 100kPa的氣壓信號(hào)；在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀 表中，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。下面是生產(chǎn)過(guò)程中常用的液位變送器：（1）浮球式液位變送

37、器浮球式液位變送器由磁性浮球、測(cè)量導(dǎo)管、信號(hào)單元、電子單元、接線(xiàn) 盒及安裝件組成。一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿測(cè)量導(dǎo)管上下移動(dòng)。導(dǎo)管內(nèi)裝有測(cè)量元件，它可以在外磁作用下將被測(cè)液位信號(hào) 轉(zhuǎn)換成正比于液位變化的電阻信號(hào)，并將電子單元轉(zhuǎn)換成420mA或其它標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。該變送器為模塊電路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，電路內(nèi)部含有恒流反饋電路和內(nèi)保護(hù)電路，可使輸出最大電流不超過(guò)28mA因而能夠可靠地保護(hù)電源并使二次儀表不被損壞。（2）浮簡(jiǎn)式液位變送器浮筒式液位變送器是將磁性浮球改為浮筒，它是根據(jù)阿基米德浮力原理 設(shè)計(jì)的。浮筒式液位變送器是利用微小的金屬膜應(yīng)變傳感技術(shù)來(lái)測(cè)量液體

38、的 液位、界位或密度的。它在工作時(shí)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)按鍵來(lái)進(jìn)行常規(guī)的設(shè)定操作。（3）靜壓或液位變送器該變送器利用液體靜壓力的測(cè)量原理工作。它一般選用硅壓力測(cè)壓傳感 器將測(cè)量到的壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)放大電路放大和補(bǔ)償電路補(bǔ)償，最后 以420mA或 010mA電流方式輸出。（4）電容式物位變送器電容式物位變送器適用于工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量和控制生產(chǎn) 過(guò)程，主要用作類(lèi)導(dǎo)電與非導(dǎo)電介質(zhì)的液體液位或粉粒狀固體料位的遠(yuǎn)距離 連續(xù)測(cè)量和指示。電容式液位變送器由電容式傳感器與電子模塊電路組成， 它以?xún)删€(xiàn)制420mA恒定電流輸出為基型，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，可以用三線(xiàn)或四線(xiàn)方 式輸出，輸出信號(hào)形成為15V、05V、010

39、mA等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。電容傳感器 由絕緣電極和裝有測(cè)量介質(zhì)的圓柱形金屬容器組成。當(dāng)料位上升時(shí)，因非導(dǎo) 電物料的介電常數(shù)明顯小于空氣的介電常數(shù)，所以電容量隨著物料高度的變 化而變化。變送器的模塊電路由基準(zhǔn)源、脈寬調(diào)制、轉(zhuǎn)換、恒流放大、反饋 和限流等單元組成。采用脈寬調(diào)特原理進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是頻率較低，對(duì)周?chē)?元射頻干擾、穩(wěn)定性好、線(xiàn)性好、無(wú)明顯溫度漂移等。（5）超聲波變送器超聲波變送器分為一般超聲波變送器（無(wú)表頭）和一體化超聲波變送器 兩類(lèi)，一體化超聲波變送器較為常用。一體化超聲波變更新器由表頭（如LCD 顯示器）和探頭兩部分組成，這種直接輸出 420mA信號(hào)的變送器是將小型 化的敏感元件（探頭）和電子

40、電路組裝在一起，從而使體積更小、重量更輕、 價(jià)格更便宜。超聲波變送器可用于液位。物位的測(cè)量和開(kāi)渠、明渠等流量測(cè) 量，并可用于測(cè)量距離。4 PID控制規(guī)律 4.1比例控制比例控制規(guī)律是指：控制器的輸出信號(hào)(指變化量)與輸出信號(hào)(指偏差、 當(dāng)設(shè)定值)變時(shí)，偏差就是被控量測(cè)量值的變化量)之間成比例關(guān)系，即： .：u(tH'ce(t)比例增益kc :某值在一定范圍內(nèi)可調(diào),在相同偏差輸入e(t) 下，kc越大，輸出- =u(t)也越大，比例控制作用越強(qiáng)，因此kc是衡量比例作用弱的一個(gè)重要參數(shù)。 比例控制器傳遞函數(shù):在階躍偏差作用下，比例控制器響應(yīng)曲線(xiàn):Gc (s)二U(s)e (t) +e (t

41、)IKcA*tO*t比例控制是最基本的控制規(guī)律，其特點(diǎn)是控制作用簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，且 負(fù)荷變化時(shí)，克服擾動(dòng)能力強(qiáng)，控制作用及時(shí)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，但因控制 器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)之間在任何時(shí)刻都存在之比例關(guān)系，所以過(guò)程終了 時(shí)存在偏差，且負(fù)荷變化越大，余差也越大。比例控制對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響比例控制的控制作用效果如何，關(guān)鍵問(wèn)題在于選擇合適的比例度，比例 度時(shí)指控制器輸入的變化相對(duì)值與輸出的相對(duì)變化值之比的百分?jǐn)?shù)，即：100 %e :控制器的輸入信號(hào)的變化量，即偏差信號(hào)。u :控制器的輸出信號(hào)的變化量，即控制命令。(Xmax-Xmin):控制器的輸入信號(hào)的變化范圍，即量程(Umax Umin):控制

42、器輸出信號(hào)的變化范圍。將比例控制器切入系統(tǒng)，閉環(huán)運(yùn)行時(shí)其比例度.對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響如圖:擾動(dòng)作用設(shè)定作用不同比例度下的過(guò)渡過(guò)程(1) 余差：在擾動(dòng)(如負(fù)荷)及設(shè)定值變化時(shí)，控制系統(tǒng)有余差存在。在相同的負(fù)荷變化量的擾動(dòng)下，比例度越小，余差越小；在比例度相同的 情況下負(fù)荷變化量越大，則余差越大。(2) 對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響：有圖可看出，比例度 ：越大，過(guò)渡過(guò)程的曲線(xiàn) 越平穩(wěn)；隨著比例度：的減少，系統(tǒng)將發(fā)散振蕩程度增加，衰減比減少，穩(wěn) 定性變差，當(dāng)減少到某一數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)散振蕩，十分危險(xiǎn)，有時(shí)甚至造成重大事故。(3) 對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響：由圖可見(jiàn)，隨比例度的減少，振蕩加劇，振蕩頻率提高，將被控量

43、拉回到設(shè)定值所需時(shí)間就短。一般而言，在廣義對(duì) 象的放大系數(shù)較小，時(shí)間常數(shù)較大，時(shí)滯較小的情況下，比例度選的小些，以提高系統(tǒng)靈敏度；反之，當(dāng)廣義對(duì)象的放大系數(shù)較大，時(shí)間常數(shù)較小，而時(shí)滯較大的情況下，必須適當(dāng)增大比例度以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(4) 對(duì)最大偏差的影響：最大偏差在兩類(lèi)外作用下不一樣，在擾動(dòng)作用下-越小，最大偏差越??；在設(shè)定作用下是系統(tǒng)處于衰減振蕩時(shí)，越小，最大偏差越大。有上述可知，只有當(dāng)比例度的取值適當(dāng)是，才可能取得系統(tǒng)呈衰減振蕩、最大偏差和余差都不太大，過(guò)程穩(wěn)定快，回復(fù)時(shí)間短的控制效果，在工 業(yè)生產(chǎn)中近長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，液位控制系統(tǒng)大致取值范圍為：%20- %80在控制器的控制規(guī)律中，比例

44、作用是最基本、最主要也是應(yīng)用最普遍的 控制規(guī)律，它能較為迅速地克服擾動(dòng)的影響，使系統(tǒng)很快的確定下來(lái)，通常 使用干擾幅度較小，負(fù)荷變化不大，過(guò)程時(shí)滯較小，控制要求不高，允許有 余差存在的場(chǎng)合。在液位控制系統(tǒng)中，往往只要求液位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，并沒(méi)有嚴(yán)格要 求即可采用比例控制。4. 2積分控制(I )積分控制規(guī)律是指輸出變化量：u(t)與輸入變化量e(t)積分成正比,即：Au (t) = k| Ae(t)dtk i :積分速度積分控制特點(diǎn)：積分控制主要用于消除余差，但作用緩慢，總滯后與偏 差的存在不能及時(shí)有效的克服擾動(dòng)的影響，致使被控變量的動(dòng)態(tài)偏差增大， 控制過(guò)程拖長(zhǎng)，甚至使系統(tǒng)難以穩(wěn)定，因此積分

45、控制規(guī)律在工業(yè)生產(chǎn)上很少 單獨(dú)使用，都是與比例作用組合來(lái)使用的。4. 3微分控制(D)微分控制規(guī)律是指其輸出信號(hào)的變化量：u(t)與偏差信號(hào)的變化速度成正比，即：=u(t) =TdTd :微分時(shí)間dt微分控制規(guī)律特點(diǎn)：微分控制作用是按偏差的變化速度進(jìn)行控制的，因 此它具有“超前控制”作用，其控制的結(jié)果不能消除偏差，所以控制規(guī)律不 能單獨(dú)使用。它常與比例或比例積分組合構(gòu)成比例微分或比例積分微分控制規(guī)律，而從實(shí)際使用情況來(lái)看，比例微分控制規(guī)律使用的較少，在生產(chǎn)上微 分往往與比例積分結(jié)合在一起使用，組成PID控制。4. 4比例積分控制(PI)比例積分控制規(guī)律是比例作用與積分作用的疊加，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

46、:KCe(t):比例項(xiàng)t兒e(t)dt:是積分iu(tKc'|e(trTLie(t)dtl-TC-項(xiàng)Ti :積分時(shí)間(Kct)二Ki比例積分控制是在比例控制作用的基礎(chǔ)上引入積分作用來(lái)消除余差，故 比例積分控制是使用最多、應(yīng)用最廣的控制規(guī)律，在反饋控制系統(tǒng)中，約有 75%!采用PI作用的。但是，加入積分作用后，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低；要保 持系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性，必須加大比例度.（即削弱比例作用），這又會(huì)使2質(zhì) 量有所下降，如最大偏差和振蕩周期相應(yīng)增大、過(guò)渡時(shí)間加長(zhǎng)。對(duì)于控制通 道滯后較小、負(fù)荷變化不太大、工藝、參數(shù)不允許有余差的場(chǎng)合（如流量或 壓力控制），采用比例積分控制規(guī)律可獲得較好的控制質(zhì)

47、量。4. 5比例積分微分控制（PID）理想比例積分微分控制規(guī)律 PID 的表達(dá)式：山(t)二 Kc e(t) t 0&t)dt Td 害)雖然微分作用對(duì)于克服容量滯后有顯著的效果，但對(duì)克服純滯后是無(wú)能為 力的。在比例作用的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，再加入積分 作用可以消除余差。所以適當(dāng)調(diào)整、Ti、Td三個(gè)參數(shù)，可以使控制系統(tǒng)獲 得較高的控制質(zhì)量。由于，PID控制規(guī)律集中了三種控制作用的優(yōu)點(diǎn)，既能 快速進(jìn)行控制，有能消除偏差，還可以根據(jù)被控制變量的變化趨勢(shì)超前動(dòng)作, 具有較好的控制性能，所以在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。5簡(jiǎn)單實(shí)例鍋爐進(jìn)水流量定值控制系統(tǒng)應(yīng)用很廣，浮子式液位控制是

48、其中比較簡(jiǎn)單的一種應(yīng)用，浮子常用來(lái)測(cè)量液位，但是在日常生活中它卻常常發(fā)揮 著其他用途，用它常?？梢詷?gòu)成簡(jiǎn)單的比例調(diào)節(jié)器，最常見(jiàn)的廁所水箱 里面裝浮子并不是用來(lái)測(cè)水位，而是用來(lái)控制水位的；在汽車(chē)的“化油 器”中，用來(lái)控制油位的高低。5. 1液位控制在廁所中的應(yīng)用為了節(jié)省水，沖廁所必須用足夠多的水以足夠的沖力一次沖凈。為 了有足夠的沖力，蓄水用的水箱中的水必須有足夠的水位，而控制這個(gè) 水位的任務(wù)就交給了水箱中的浮子。其具體原理是：水箱里的浮子通過(guò) 長(zhǎng)柄帶動(dòng)進(jìn)水閥門(mén)， 水位低時(shí)閥門(mén)開(kāi)大，當(dāng)水位到達(dá)足夠使用的高度時(shí), 浮子就把進(jìn)水閥門(mén)關(guān)閉了。裝置在水進(jìn)滿(mǎn)以后就不再工作了，這是因?yàn)閹鶝_水是不定期的，

49、而且是一次性的。但是，假如水箱底部出水處的放水閥（空心橡皮塞） 關(guān)閉不嚴(yán)的話(huà)，水位就不可能維持長(zhǎng)久，一旦水位稍低，浮子就會(huì)把進(jìn) 水閥門(mén)微微的打開(kāi)一些。這時(shí)有了進(jìn)水補(bǔ)充，若進(jìn)水和出水能平衡，水 位就不再下降，穩(wěn)定在一個(gè)新高度上。如果出水塞破損，水漏得太快， 水位必然要下降，浮子也就要降低，進(jìn)水閥也就會(huì)開(kāi)大，進(jìn)水流量也就 會(huì)增加，水位不至于下降太多。你若把出水塞的漏水看成某人在用水， 如果沒(méi)有任何控制進(jìn)水的裝置，肯定很快就要漏光。但現(xiàn)在就不同了。 在連續(xù)用水的情況下，有了這套裝置也會(huì)是水位變化不致太大。換句話(huà) 說(shuō)，連續(xù)用水情況下，它對(duì)水位也有自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。水位偏差越大進(jìn)水 閥的動(dòng)作幅度也越大，這種

50、特性就叫“比例動(dòng)作”。只不過(guò)在廁所水箱 正常使用中體現(xiàn)不出連續(xù)調(diào)節(jié)的作用，只看到它能控制進(jìn)水終了時(shí)的水 位。5. 2液位控制在汽車(chē)上的應(yīng)用汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上的“化油器”（新式有電噴裝置的汽車(chē)沒(méi)有化油器），其功能是“化”汽油用的，但不是化合而是混合?；钊谄桌镞\(yùn)動(dòng)的吸氣過(guò)程，會(huì)使進(jìn)氣的喉管處形成氣流，氣流 把汽油從浮子室里吸出來(lái)并沖成霧狀，再加上汽油的揮發(fā)作用就和空氣 充分混合變成易燃?xì)怏w。為了混合均勻，要保持汽油在進(jìn)入氣流時(shí)有恒 定的壓力，這就必須維持小室里的油位恒定。汽油的消耗量隨載重量、車(chē)速、路況等因素而變，所以浮子室往外 送出的汽油流量是會(huì)變的，但無(wú)論怎么變，浮子室的油位不應(yīng)該有太大 的波動(dòng)

51、。用浮子控制進(jìn)油流量就能達(dá)到這個(gè)要求。耗油多時(shí)油位低，浮 子下降，把進(jìn)油針閥開(kāi)大，油位也就不會(huì)太低了。反之，耗油少時(shí)進(jìn)油 減少，小室里的油也不會(huì)過(guò)滿(mǎn)。正是這種簡(jiǎn)單的水箱液位控制系統(tǒng)在我們?nèi)粘Ｉ钐峁┲鞣N實(shí) 用的服務(wù)總結(jié)經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)圓滿(mǎn)完成。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中通過(guò)查 閱大量的資料，是我的知識(shí)得以擴(kuò)充，加深了對(duì)本專(zhuān)業(yè)的認(rèn)識(shí)，這次畢業(yè)設(shè) 計(jì)通過(guò)老師的指導(dǎo)，同組同學(xué)的討論，以及自己的努力，我圓滿(mǎn)的完成了任 務(wù)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。我學(xué)會(huì)了過(guò)程控制設(shè)計(jì)的基本方法，對(duì)系統(tǒng)的整體 分析。真正感受到所學(xué)知識(shí)與實(shí)際的應(yīng)用。通過(guò)這次設(shè)計(jì)使我明白到有些東西看上去非常簡(jiǎn)單，當(dāng)自己置身其中去做時(shí)，并不容易了。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里，我也發(fā)現(xiàn)了自己所應(yīng)該改進(jìn) 或是較為缺乏的部分，其一是分析問(wèn)題的能力：可能是自己學(xué)習(xí)的不夠扎實(shí)， 實(shí)習(xí)中碰到了不少釘子，遇到問(wèn)題時(shí)頭腦很茫然；二是解決問(wèn)題的成熟度： 這也許是個(gè)性使然，再