畢業(yè)設(shè)計-水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計

1、濟南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計題 目：水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計系 別：電氣工程系專 業(yè)：電氣自動化班 級：0631班學(xué)生姓名：周圣凱指導(dǎo)老師：李穎目 錄任務(wù)書2摘要 31 緒論41.1 過程控制的定義41.2 過程控制的目的41.3 過程控制的特點51.4 過程控制的發(fā)展與趨勢52 水箱液位控制系統(tǒng)的原理62.1 人工控制與自動控制62.2 水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖 72.3 水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 83 水箱液位控制系統(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 液位變送器的選擇174 PID控制規(guī)律 184.1 比例控制 184.2

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)用實例225.1 液位控制在廁所中的應(yīng)用225.2 液位控制在汽車上的應(yīng)用23總結(jié)24致謝25參考文獻25濟南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書班 級電氣0631學(xué)生姓名周圣凱指導(dǎo)教師李穎設(shè)計（論文）題目水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計主要研究內(nèi)容設(shè)計供水水箱的液位控制系統(tǒng)，要求在采用儀表控制的情況下，設(shè)計一個單回路控制系統(tǒng)，系統(tǒng)使用PID調(diào)節(jié)器。 各環(huán)節(jié)選用適當?shù)膬x表和器件，設(shè)計控制系統(tǒng)的控制方式，確定控制器參數(shù)，并可以通過實驗加以驗證。分析不同控制方式的控制規(guī)律和在不同控制方式下系統(tǒng)的特點。系統(tǒng)在上下水流

3、量發(fā)生變化時，能快速恢復(fù)到設(shè)定值。主要技術(shù)指標或研究目標本過程控制系統(tǒng)，檢測信號、控制信號及被控信號均采用ICE標準，即電壓1-5V，電流4-20mA，供電要求：三相380V交流電，24V直流電。通過本課題的設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生對自動控制系統(tǒng)的綜合運用，對自動化儀表的選型、參數(shù)設(shè)計和調(diào)試的能力，檢驗所學(xué)習(xí)專業(yè)知識的綜合利用能力，為今后工作打好基礎(chǔ)?；疽螅?）設(shè)計水箱液位控制的系統(tǒng)方案。（2）各環(huán)節(jié)儀表的選型。（3）設(shè)計控制系統(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。主要參考資料及文獻1 過程控制系統(tǒng)和應(yīng)用 俞金壽主編 機械工業(yè)出版社2 過程控制與自動化儀表 侯志林主

4、編 機械工業(yè)出版社3 自動化儀表與過程控制 施仁主編 電子工業(yè)出版社摘要     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題, 例如居民生活用水的供應(yīng), 飲料、食品加工, 溶液過濾, 化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程, 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, 既不能太滿溢出造成浪費, 也不能過少而無法滿足需求。因此液面高度是工業(yè)控制過程中一個重要的參數(shù)，特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的效果。 

5、;PID控制（比例、積分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。     本文主要是對一水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計過程，涉及到液位的動態(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。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足系統(tǒng)對諸如控制精度、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。關(guān)鍵詞 PID控制 過程控制 液位控制1 緒論11過程控制的定義生產(chǎn)過程自動化，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

6、按一定程序進行的生產(chǎn)過程的自動控制。電力拖動及電動機運轉(zhuǎn)等過程的自動控制一般不包括在內(nèi)。凡是采用模擬或數(shù)字控制方式對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進行的自動控制通稱為過程控制。過程控 制是自動控制學(xué)科的一個重要分支，是對過程控制系統(tǒng)進行分析與綜合。12過程控制的目的生產(chǎn)過程中，對各個工藝過程的物理量（或稱工藝變量）有著一定的控制要求。有些工藝變量直接表征生產(chǎn)過程，對產(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

7、到指標。有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)對環(huán)境的影響也已納入過程控制的目標范圍。綜上所述，過程控制的主要目標包括一下幾個方面： 保障生產(chǎn)過程的安全和平穩(wěn)

8、； 達到預(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)對環(huán)境的危害降低到最小程度。由此可見，生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、降低成本、改善勞動條件、促進文明生產(chǎn)、保證生產(chǎn)安去和提高勞動生產(chǎn)率的重要手段，使20世紀科學(xué)與進步的特征，市工業(yè)現(xiàn)代化的標志之一。13過程控制的特點生產(chǎn)過程的自動控制一般要求保持過程進行中的有關(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)自動控制的復(fù)雜性和難度，過程控制有如下特點： 被控對象的多樣性； 對象存在滯后； 對象特性的非線性； 控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。由于對象的特性不同，其輸入

9、與輸出可能不止一個，控制系統(tǒng)的設(shè)計在于適應(yīng)這些不同的特點，以確定控制方案和控制其的設(shè)計或選型，以及控制器特性參數(shù)的計算與設(shè)定。這些都要以對象的特性為依據(jù)，而對象的特性復(fù)雜且難以認識，所以要完全通過理論計算進行系統(tǒng)設(shè)計與整定至今仍不可能。目前已設(shè)計出的各種各樣的控制系統(tǒng)（如簡單的位式控制系統(tǒng)、單回路及多回路控制系統(tǒng)，以及前饋控制、計算機控制系統(tǒng)等），都是通過必要的理論計算，采用現(xiàn)場的方法達到過程控制的目的。14過程控制的發(fā)展與趨勢20世紀40年代開始形成的控制理論被成為“20世紀上半葉三大偉績之一”，在人類社會的各個反面有著深遠的影響。與其他任何學(xué)科一樣，控制理論源于社會實踐和科學(xué)實踐。自動化技

10、術(shù)的前驅(qū)，可以追溯到我國古代，如指南車的出現(xiàn)。至于工業(yè)上的應(yīng)用，一般以瓦特的蒸汽機調(diào)速器作為起點。有人把直到20世紀30年代末這段時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。這時候的系統(tǒng)（包括過程控制系統(tǒng)）是簡單控制系統(tǒng)，儀表是基地式、大尺寸的、滿足當時的需要。到第二次時間大戰(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)、Evens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50年代開始，隨著工業(yè)的發(fā)展、控制需求的提高，除了簡單控制系統(tǒng)

11、以外，各種復(fù)雜控制系統(tǒng)也發(fā)展起來了，而且取得了顯著的功效。20世紀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)、以極小值原理和動態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)控制理論為特征的而以在隨機干擾下采用Kalman濾波器的線性二次型系統(tǒng)（LOG）設(shè)計宣告了時域方法的完成，這是第三代控制理論。從20世紀70年代開始，為了解決大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化與控制問題，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。過程控制是隨著控制理論的發(fā)展而發(fā)展的，從系統(tǒng)機構(gòu)來看，過程控制已經(jīng)經(jīng)歷了四個階段：基地式控制階段（初級階段）、單元組合儀表自動化階段、計算機控制的初級階段、綜合自動化階段。當前自動控制系統(tǒng)發(fā)展的一些主要

12、特點是：生產(chǎn)裝置實施先進控制成為發(fā)展主流，過程優(yōu)化受到普遍關(guān)注，傳統(tǒng)的DCS正在走向國際統(tǒng)一標準的開放式系統(tǒng)，綜合自動化系統(tǒng)(CPIS)發(fā)展方向。綜合自動化系統(tǒng)，就是包括生產(chǎn)計劃和調(diào)度、操作優(yōu)化、先進控制和基層等內(nèi)容的遞階控制系統(tǒng)，亦稱管理控制一體化系統(tǒng)（簡稱管控一體化系統(tǒng)）。這類自動化是靠計算機的組成特征，過程系統(tǒng)指明了它的工作對象，正好與計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）相應(yīng)，有人也稱之為過程工業(yè)的CIMS。可以說，綜合自動化是當代工業(yè)自動化的主要潮流。它以整體優(yōu)化為目標，以計算機為主要技術(shù)工具，以生產(chǎn)過程的管理和控制的自動化為主要內(nèi)容，將各個自動化“孤島”綜合集成為一個整體的系統(tǒng)。2 水箱液

13、位控制系統(tǒng)的原理21 人工控制與自動控制下圖為水箱液位控制系統(tǒng)示意圖，在人工控制示意圖中，為保持水箱液位恒定，操作人員應(yīng)根據(jù)液位高度的變化情況控制凈水量。手工控制的過程主要分為三步： 用眼睛觀察水箱液位的高低以獲取測量值，并通過神經(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)定值進行比較，得出偏差大小和方向，然后根據(jù)操作經(jīng)驗發(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（或進水閥）的開度，使水箱液位包持在工藝要求的高度上。在整個手工控制過程中，操作人員的眼、腦、手、三個器官，分別擔負了檢測、判斷、和運算、執(zhí)行三個作用，來完成測量、求偏差、在施加控制操作以糾正偏差的工作過程，保持水箱

14、液位的恒定。人工控制自動控制如果采用檢測儀表和自動控制裝置來代替人工控制，就成為過程控制系統(tǒng)。在自動控制示意圖中，當系統(tǒng)受到擾動作用后，被控變量（液位）發(fā)生變化，通過檢測變送儀表得到其測量值；控制器接受液位測量變送器送來的信號，與設(shè)定值相比較得出偏差，按某種運算規(guī)律進行運算并輸出控制信號；控制閥接受控制器的控制信號，按其大小改變閥門的開度，調(diào)整給水量，以克服擾動的影響，使被控變量回到設(shè)定值，最終達到水箱液位的恒定。這樣就完成了所要求的控制任務(wù)。這些自動控制裝置和被控的工藝設(shè)備組成了一個沒有人直接蔡玉的自動控制系統(tǒng)。 22 水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖本論文對水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計是一個簡單控制系

15、統(tǒng)，所謂簡單液位控制系統(tǒng)通常是指由一個被控對象、一個檢測變送單元（檢測元件及變送器）、以個控制器和一個執(zhí)行器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，也稱為單回路控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)有著共同的特征，它們均有四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。對于不同對象的簡單控制系統(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：被控變量擾動偏差操縱變量控制器 執(zhí)行器 被控對象 測量變送器擾動通道擾動由這個簡單控制系統(tǒng)通用的框圖設(shè)計出水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖如下：液位變送器+PID控制器電動控制閥閥閥器液位_水箱這是單回路水箱液位控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調(diào)節(jié)對象

16、上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(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，這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。23 水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型該系統(tǒng)主要是自衡的非振蕩過程，即在外部階躍輸入信號作用下，過程原有的平衡狀態(tài)被破壞，并在外部信號作用下自動的非震蕩地穩(wěn)定到一個新的穩(wěn)態(tài)，這一大類是在工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的過程。（1） 確定過程的輸入變量和輸出變量如下圖所示，流入水箱的流量是由進料閥1來控制的；流出水箱的流量取決于水箱液位L和出料閥2的開度，而出料閥

17、的開庫是隨用戶的需要而改變的。這里，液位L是被控變量（即輸出變量），進料閥1為控制系統(tǒng)中的控制閥，它所控制的進料流量是過程的控制輸入（即操縱量），出料流量是外部擾動。本設(shè)計以進料流量作為輸入變量。2L1tL()L(t)L(0)水箱液位過程及其階躍響應(yīng)曲線（2）根據(jù)過程內(nèi)在機理，列寫原始方程根據(jù)物料平衡關(guān)系，當過程處于原有穩(wěn)定狀態(tài)是，水箱液位保持不變，其靜態(tài)方程為：-=0（16），、分別為原穩(wěn)定狀態(tài)下水箱的進料流量和出料流量，當進料流量突然增大是，水箱原來的平衡狀態(tài)被破壞，此時進料量大于出料量，多余的液體在水箱內(nèi)儲存起來，使其液位升高。設(shè)水箱液體的儲存量為V，則單位時間內(nèi)出料流量與進料流量之差等

18、于水箱液體儲存量的凈增量。其動態(tài)方程為：-=（17）=、，、分別為和的增量。設(shè)水箱截面積為A，則有V=AL，其增量形式為dV=AdL，即：（18）。將=、和式（18）代入式（17），得 （19）。 將式（19）減去式（16）可得用新增量形式表示的動態(tài)方程式，為： （110）（3）消去中間變量，簡化，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（110）中，為中間變量。與輸出變量L的關(guān)系可表示為：= ：比例系數(shù) （111）當只考慮液位與流量均在有限小的范圍內(nèi)變化式，就可以認為出料流量與液位變化呈線性關(guān)系。將式（111）改寫成增量形式： 令，則有： （1

19、12）將式（112）代入式（110）中，即得 （113）式（113）即為水箱液位過程的數(shù)學(xué)模型。由此可見，這是一個一階微風方程，液位過程為一階過程。將該式寫成的一階過程的微風方程的標準形式： （114）或 （115）為一階過程的時間常數(shù)，,具有時間量綱；為一階過程的放大系數(shù)，具有放大倍數(shù)的量綱；為一階過程的輸出變量；為一階過程的輸入變量；為阻力系數(shù)，=液位的變化量 / 出料流量的變化量；為容量系數(shù)，=儲存的物料變化量/ 液位的變化量。當被控變量的檢測地點與產(chǎn)生擾動的地點之間由一段物料傳輸距離時，就會出現(xiàn)滯后。在控制過程中，若進料閥安裝在與水箱進料口有一段距離，則當進料閥開度變化而引起進料流量變

20、化后，液體需要經(jīng)過一段傳輸時間才能流入水箱，使液位發(fā)生變化并被檢測出來。顯然液體流經(jīng)這段距離所需時間完全是傳輸滯后造成的。純滯后一階過程的微風方程為：具有純滯后的一階過程的特性與放大系數(shù)、時間常數(shù)和純滯后時間有關(guān)綜上所述，水箱液位控制系統(tǒng)是一個一階自衡過程，其特性可用放大系數(shù)、時間常數(shù)和純滯后時間這三個特性參數(shù)來全面表征。3 水箱液位控制系統(tǒng)的組成本設(shè)計研究的水箱液位控制系統(tǒng)是簡單控制系統(tǒng)，是使用的族普遍的、結(jié)構(gòu)最簡單的一種過程控制系統(tǒng)。所謂的簡單控制系統(tǒng)，通常是指一個被控對象、一個檢測變送單元（檢測元件及變送器）、一個控制器和一個執(zhí)行器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)。31 被控制變量

21、的選擇被控變量的選擇是控制系統(tǒng)的核心問題，被控變量選擇的正確與否是決定控制系統(tǒng)有無價值的關(guān)鍵。對于任何一個控制系統(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)安全及改善勞動條件等方面發(fā)揮作用，如果被控變量學(xué)則不當，配備再好的自動化儀表，使用在復(fù)雜、先進的控制規(guī)律也無用的，都不能達到預(yù)期的控制效果。對于水箱液位控制系統(tǒng)，其被控變量是顯而易見的，液位就是其被控變量，是直接參數(shù)控制。32 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)的控制性能指標與執(zhí)行器的性能和正確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，實現(xiàn)對操縱變量的改變，從而使被控變量向設(shè)定值靠攏。執(zhí)行器

22、位于控制回路的最總端，因此又稱為最終元件。本設(shè)計所使用的執(zhí)行器為控制閥，也稱調(diào)節(jié)閥。控制閥發(fā)裝現(xiàn)場，通常在高溫、高壓、高粘度、強腐蝕、易滲透、易結(jié)晶、易燃易爆、劇毒等場合下工作。如果選擇不當或維修不妥，就會使整個系統(tǒng)無法正常運作。經(jīng)驗表明，控制系統(tǒng)不能正常運行的原因，多數(shù)發(fā)生在控制閥上。對于系統(tǒng)控制閥的選擇很重要?？刂崎y接受控制器輸出的控制信號，通過改變閥的開度來達到控制流量的目的。控制閥有執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)兩部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是根據(jù)可能稚氣的控制信號產(chǎn)生推力或位移的裝置，調(diào)節(jié)機構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的輸出信號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、電動、液動三大類。液動控制閥推

23、力最大，但比較笨重，目前已經(jīng)極少使用。電動控制閥的能源取用方便，信號傳遞迅速，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、防爆性能差。氣動控制閥采用壓縮空氣作為能源，其特點是簡單、動作可靠、平穩(wěn)、輸出推力較大、維修方便、防火防爆而且價格較低，因此得到廣泛應(yīng)用。氣動控制閥可以方便的與電動儀表配套使用，即使是采用電動儀表或計算機控制時，只要經(jīng)過電氣轉(zhuǎn)換閥門定位器將電信號轉(zhuǎn)換為20100kPa的標準氣壓信號仍可采用氣動控制閥。調(diào)節(jié)閥基型產(chǎn)品即普通產(chǎn)品按基型結(jié)構(gòu)特征分為幾大類產(chǎn)品，它們是：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，選擇購買控制閥時，

24、必須首先弄清楚基型產(chǎn)品的特點、使用注意事項、各類變型產(chǎn)品、改進產(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)簡單的特點，適用于泄漏要求嚴、工作壓差小的干凈介質(zhì)場合，但小規(guī)格的閥（如DN15、20、25）亦可用于壓差較大的場合，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，適用于泄漏要求不嚴、工作壓差大的干凈介質(zhì)場合，是應(yīng)用最為廣泛的閥之一。（3）套筒閥套筒閥具有單密封、雙密封兩種結(jié)構(gòu)，前者相當于單座閥，后者相當于雙座閥，適用于雙座閥場合，除此之外，套筒閥還具有穩(wěn)定性好、裝卸方便的特點，但價格比單雙座閥貴50%200%，還需要專門的纏

25、繞密封墊。是僅次于單、雙座閥應(yīng)用較為廣泛的閥。（4）角形閥節(jié)流型式相當于單座閥，但閥體流路簡單，適用于泄漏要求小、壓差不大的不干凈介質(zhì)場合以及要求直角配管的場合。（5）三通閥具有3個通道，可代替兩個直通單座閥用于分流和合流及兩相流溫度差成150的場合，當DN<80mm，儀表工程應(yīng)用的設(shè)計工作。（6）隔膜閥隔膜閥流路簡單，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)的兩位切斷場合。（7）蝶閥相當于取一段直管來做閥體，且閥體又相當于閥座，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、低壓差的場合。當DN>300mm時，通常采用蝶閥。（8）球閥“O"形

26、球閥全開時為無阻調(diào)節(jié)，自潔性能最佳，適用于特別不干凈、含纖維介質(zhì)的兩位切斷場合?！癡"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)場合。球閥價格較貴。（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)場合，但該閥價格較貴。2 選型注意事項3 閥體材料選擇4 閥體耐壓等級、使用溫度和耐腐蝕性能等方面不低于工藝連接管道的要求，并應(yīng)優(yōu)先選用制造廠定型產(chǎn)品，遇有水蒸汽或含水較差的濕氣體和易燃易爆介質(zhì)，或當壞境溫度低于-30時，不宜選用鑄鐵閥。選型注意事項5 閥內(nèi)件材質(zhì)選擇6 （1）非腐蝕性介質(zhì)一般選用1C

27、r18Ni9Ti或其它不銹鋼。 （2）在汽蝕、沖蝕較為嚴重的情況下，以及在介質(zhì)溫度與壓差構(gòu)成的直角坐標中。溫度為300，壓差為1.5MPa的兩點連線以外的區(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，應(yīng)選用軟密封，如四氟、橡膠。7 耐蝕材料選擇（1）對腐蝕性介質(zhì)，應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的種類、濃度、溫度、壓力的不同，選擇合適的耐腐蝕材料，同時，還要考慮閥的經(jīng)濟性。（2）選擇襯里材料（橡膠、塑料）時，工作介質(zhì)的溫度、壓力、濃度都必須滿足該材料的使用范圍，并考慮閥動作時對它的物理和機械破壞。 （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)

28、的兩位切斷閥不宜選用襯橡膠材料，如襯膠蝶閥、隔膜閥。 高低溫材料選擇8 （1）-200-60時，選用銅或1Cr18Ni9Ti； （2）-450+600，選用含鈦鉬不銹鋼。其它注意事項9 在滿足使用的必要功能前提下，所選閥應(yīng)盡量簡單、可靠價廉、壽命長、維修方便，備件有來源。需考慮的主要因素如下：10 （1）最基本的條件是應(yīng)該滿足工藝的壓力、流量、溫度的要求。  （2）閥的密封性、可靠性、經(jīng)濟性。  （3）閥的工作壓差小于閥的許用壓差。   （4）對通過閥內(nèi)不潔介質(zhì)，易結(jié)垢介質(zhì)，強腐蝕介質(zhì)的考慮。   （5）對閥動作速度，閥流量特性，作用

29、方式，流向的考慮。   （6）對執(zhí)行機構(gòu)形式、輸出力、剛度及彈簧范圍的考慮。   （7）對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11 （1）宜垂直、正立安裝在水平管道上，公稱通徑DN>50mm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，必要時應(yīng)設(shè)置平臺，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)符合制造廠產(chǎn)品說明書的規(guī)定。 （3）調(diào)節(jié)閥用于高粘度、易結(jié)晶、易汽化以及低溫流體時，應(yīng)采取保溫和防凍措施。使用環(huán)境溫度一般不高于60，不低于-3

30、0，未安裝閥門定位器的調(diào)節(jié)閥，當閥安裝在有振動場合時，應(yīng)考慮防振措施。 （4）未安裝閥門定位器的調(diào)節(jié)閥，膜頭上最好安裝指示控制信號的小型壓力表。 （5）安裝前應(yīng)先對閥檢查校驗，并在管道吹掃后安裝。用于懸浮物、高粘度介質(zhì)時，應(yīng)配沖洗管線。 （6）入口管段長度應(yīng)盡量長，對于小通徑閥門，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)閥進出口取壓點位置，閥前為2倍管道通徑處，閥后為3倍管道通徑處。 （7）對小流量調(diào)節(jié)閥前應(yīng)安裝過濾裝置。 （8）務(wù)必按流動方向箭頭安裝，安裝時應(yīng)避免過大的應(yīng)力。環(huán)境塵埃較多時，應(yīng)采取保護閥桿的措施，避免磨損

31、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)量問題，它與設(shè)計院、用戶、生產(chǎn)廠家3方面有關(guān).水箱液位控制系統(tǒng)選擇何種型號的控制閥要根據(jù)系統(tǒng)在實際生活中的應(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)場的測量變送裝置送來的測量信號與設(shè)定值進行比較產(chǎn)生偏差，并按預(yù)先設(shè)置好的控制規(guī)律對該偏差進行預(yù)算，產(chǎn)生輸出型號去操縱執(zhí)行器，從而實現(xiàn)對被控制變量的控制。常見的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控制器；（3）使用變頻器內(nèi)置PID控制功能，相對兩種來說

32、，這種叫內(nèi)置型。這三種控制器形式各具特點。（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型。此類溫控器的輸入輸出類型都可通過設(shè)置參數(shù)來改變，考慮到抗干擾性，一般將輸入輸出類型都設(shè)定位420mA電流類型。這種PID形式的主要優(yōu)點有：操作簡單、功能強大、動態(tài)調(diào)節(jié)性能號，適用于選用能過的變頻器性能不是很高的應(yīng)用場合，同時控制器還具有傳感器斷線和故障自動檢測功能。缺點是：PID調(diào)節(jié)過于頻繁，穩(wěn)態(tài)性能稍差，布線工作量多。調(diào)試注意要點：P參數(shù)值不應(yīng)太大，一般為0.51；參數(shù)和

33、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)整過程中壓力波動過大，變頻器的上升和下降時間應(yīng)調(diào)大些，推薦30s80s；設(shè)定PID溫控器的顯示標尺斜率，校正壓力顯示值；設(shè)定適當?shù)臄?shù)字濾波時間，抑制干擾的輸入。（3）軟件型PID這種類型可以使用PLC指令編程編寫PID算法程序，可以充分利用PLC的功能。優(yōu)點是控制性能號，柔性好，在調(diào)節(jié)結(jié)束后，壓力十分穩(wěn)定，信號干擾小，調(diào)試簡單，接線工作量少，可靠性高。缺點是編程工作量增加，需增加硬件成本。調(diào)試時要盡量設(shè)置短的變頻器的上升時間和下降時間。在編程設(shè)計中必須防止計算結(jié)果值溢出，造成控制失控，而且還要編寫校正傳感器零

34、點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，無論是專用型，還是通用型都內(nèi)置了PID控制功能，這對節(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控制器的信號輸入類型，如采用有反饋信號輸入，則要求有設(shè)定值信號，設(shè)定值可以是外部信號，也可以是面板設(shè)定值；如采用偏差輸入信號，則無須輸入設(shè)定值信號。內(nèi)置型PID優(yōu)點是成本低，控制性能號，設(shè)置的參數(shù)少，接線工作量較少，抗干擾性最好。缺點是這種PID也屬軟件型PID，響應(yīng)較慢，易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象；壓力的設(shè)置和顯示不直觀。調(diào)試應(yīng)盡量設(shè)置短的變頻器的上升時間和下降時間，使用面板設(shè)定設(shè)置值是，設(shè)定的

35、是設(shè)置值與傳感器量程的相對值，設(shè)置正確的PID動作方向。當然。PID控制器在實際應(yīng)用中有很多類型，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，要看具體情況而定。34 液位變送器的選擇測量變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過程中的參數(shù)經(jīng)過檢測、變送單元轉(zhuǎn)換成標準信號。在模擬儀表中，標準信號通常采用420mADC、15VDC、010mADC的電流（電壓）信號，或20100kPa的氣壓信號；在現(xiàn)場總線儀表中，標準信號是數(shù)字信號。下面是生產(chǎn)過程中常用的液位變送器：（1） 浮球式液位變送器浮球式液位變送器由磁性浮球、測量導(dǎo)管、信號單元、電子單元、接線盒及安裝件組成。一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于

36、液面之上并沿測量導(dǎo)管上下移動。導(dǎo)管內(nèi)裝有測量元件，它可以在外磁作用下將被測液位信號轉(zhuǎn)換成正比于液位變化的電阻信號，并將電子單元轉(zhuǎn)換成420mA或其它標準信號輸出。該變送器為模塊電路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蝕等優(yōu)點，電路內(nèi)部含有恒流反饋電路和內(nèi)保護電路，可使輸出最大電流不超過28mA，因而能夠可靠地保護電源并使二次儀表不被損壞。（2） 浮簡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)來測量液體的液位、界位或密度的。它在工作時可以通過現(xiàn)場按鍵來進行常規(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

37、量原理工作。它一般選用硅壓力測壓傳感器將測量到的壓力轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)放大電路放大和補償電路補償，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)過程中進行測量和控制生產(chǎn)過程，主要用作類導(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距離連續(xù)測量和指示。電容式液位變送器由電容式傳感器與電子模塊電路組成，它以兩線制420mA恒定電流輸出為基型，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，可以用三線或四線方式輸出，輸出信號形成為15V、05V、010mA等標準信號。電容傳感器由絕緣電極和裝有測量介質(zhì)的圓柱形金屬容器組成。當料位上升時，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

38、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)特原理進行測量的優(yōu)點是頻率較低，對周圍元射頻干擾、穩(wěn)定性好、線性好、無明顯溫度漂移等。（5）超聲波變送器超聲波變送器分為一般超聲波變送器（無表頭）和一體化超聲波變送器兩類，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信號的變送器是將小型化的敏感元件（探頭）和電子電路組裝在一起，從而使體積更小、重量更輕、價格更便宜。超聲波變送器可用于液位。物位的測量和開渠、明渠等流量測量，并可用于測量距離。4 PID控制規(guī)律41

39、 比例控制比例控制規(guī)律是指：控制器的輸出信號(指變化量)與輸出信號（指偏差、當設(shè)定值）變時，偏差就是被控量測量值的變化量）之間成比例關(guān)系，即： 比例增益：某值在一定范圍內(nèi)可調(diào),在相同偏差輸入下，越大，輸出也越大，比例控制作用越強，因此是衡量比例作用弱的一個重要參數(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：tOe (t)AtOe (t)A比例控制是最基本的控制規(guī)律，其特點是控制作用簡單，調(diào)整方便，且負荷變化時，克服擾動能力強，控制作用及時，過渡過程時間短，但因控制器的輸出信號與偏差信號之間在任何時刻都存在之比例關(guān)系，所以過程終了時存在偏差，且負荷變化越大，余差也越大。比例控制

40、對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響比例控制的控制作用效果如何，關(guān)鍵問題在于選擇合適的比例度，比例度時指控制器輸入的變化相對值與輸出的相對變化值之比的百分數(shù)，即： 控制器的輸入信號的變化量，即偏差信號。：控制器的輸出信號的變化量，即控制命令。：控制器的輸入信號的變化范圍，即量程。：控制器輸出信號的變化范圍。將比例控制器切入系統(tǒng)，閉環(huán)運行時其比例度對系統(tǒng)過渡過程的影響如圖：y(t)減小Y(0)擾動作用tt Y(0)y(t)減小新的設(shè)定值設(shè)定作用不同比例度下的過渡過程（1） 余差：在擾動（如負荷）及設(shè)定值變化時，控制系統(tǒng)有余差存在。在相同的負荷變化量的擾動下，比例度越小，余差越??；在比例度相同的情況下負荷變化量越

41、大，則余差越大。（2） 對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響：有圖可看出，比例度越大，過渡過程的曲線越平穩(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，當減少到某一數(shù)值時，系統(tǒng)將發(fā)散振蕩，十分危險，有時甚至造成重大事故。（3） 對系統(tǒng)過渡過程的影響：由圖可見，隨比例度的減少，振蕩加劇，振蕩頻率提高，將被控量拉回到設(shè)定值所需時間就短。一般而言，在廣義對象的放大系數(shù)較小，時間常數(shù)較大，時滯較小的情況下，比例度選的小些，以提高系統(tǒng)靈敏度；反之，當廣義對象的放大系數(shù)較大，時間常數(shù)較小，而時滯較大的情況下，必須適當增大比例度以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（4） 對最大偏差的影響：最大偏差在兩類外作用下不一樣，

42、在擾動作用下越小，最大偏差越??；在設(shè)定作用下是系統(tǒng)處于衰減振蕩時，越小，最大偏差越大。有上述可知，只有當比例度的取值適當是，才可能取得系統(tǒng)呈衰減振蕩、最大偏差和余差都不太大，過程穩(wěn)定快，回復(fù)時間短的控制效果，在工業(yè)生產(chǎn)中近長期實踐經(jīng)驗，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的影響，使系統(tǒng)很快的確定下來，通常使用干擾幅度較小，負荷變化不大，過程時滯較小，控制要求不高，允許有余差存在的場合。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)，并沒有嚴格要求即可采用比例控制。42積分控制（I）積分控制規(guī)律

43、是指輸出變化量與輸入變化量積分成正比，即: :積分速度積分控制特點：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有效的克服擾動的影響，致使被控變量的動態(tài)偏差增大，控制過程拖長，甚至使系統(tǒng)難以穩(wěn)定，因此積分控制規(guī)律在工業(yè)生產(chǎn)上很少單獨使用，都是與比例作用組合來使用的。43微分控制（D）微分控制規(guī)律是指其輸出信號的變化量與偏差信號的變化速度成正比，即： ：微分時間微分控制規(guī)律特點：微分控制作用是按偏差的變化速度進行控制的，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，而從實際使用情況來

44、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。44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)表達式為： ：比例項 :是積分項 :積分時間 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%是采用PI作用的。但是，加入積分作用后，會使系統(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、過渡時間加長。對于控制通道滯后較小、負荷變化不太大、工藝、參數(shù)不允許有余差的場合（如

45、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)量。45比例積分微分控制（PID）理想比例積分微分控制規(guī)律PID的表達式：雖然微分作用對于克服容量滯后有顯著的效果，但對克服純滯后是無能為力的。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。所以適當調(diào)整、三個參數(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，既能快速進行控制，有能消除偏差，還可以根據(jù)被控制變量的變化趨勢超前動作，具有較好的控制性能，所以在實際應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。5 簡單實例水箱液位控制系統(tǒng)應(yīng)用很廣，浮子式液位控制是其中比較簡單的一種應(yīng)用，浮子常用來測量液位，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)成簡單的比例調(diào)節(jié)器，最常見的廁所水箱里面裝浮子并不是用來測水位，而是用來控制水位的；在汽車的“化油器”中，用來控制油位的高低。51 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