過程控制課程設(shè)計——三容水箱

1、過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告三容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計指導(dǎo)教師：黃毅卿學(xué) 生：專 業(yè)：自動化班 級： 設(shè)計日期：2013.9.23 2013.10.11目錄1 問題描述 32 建立模型 52.1 被控量的選擇 52.2 操控量的選擇 52.3 模型的選擇 52.3.1 單容水箱數(shù)學(xué)模型52.3.2 雙容水箱的數(shù)學(xué)模型72.3.3 三容水箱的數(shù)學(xué)模型93 算法描述 103.1 算法選擇 103.2 控制器設(shè)計 103.2.1 單回路反饋調(diào)節(jié) 113.2.2 PID 調(diào)節(jié)器 133.2.2.1 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)初值 133.2.2.2 PI 調(diào)節(jié)器 143.2.2.3 PID調(diào)節(jié)器 163.2.3 串

2、級反饋調(diào)節(jié) 184 參考文獻 22三容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計1問題描述飲料工業(yè)是改革開放以后發(fā)展起來的新興行業(yè)，1982年列為國家計劃管理產(chǎn)品，當(dāng)年全國飲料總產(chǎn)量 40萬噸。三十多年來，我國飲料工業(yè)從小到大，已 出具規(guī)模，成為有一定基礎(chǔ)，并能較好地適應(yīng)市場需要的食品工業(yè)重點行業(yè)之一。 飲料工業(yè)的快速發(fā)展，對國民經(jīng)濟建設(shè)和提高人民生活質(zhì)量作出應(yīng)有的貢獻，飲料已成為人民日常生活中不可缺少的消費食品。圖1 2009年中國飲料人均消費量上圖為2009年中國飲料人均消費量，其中軟飲料的年人均消費量最多，嚴 格說來，軟飲料包含了碳酸飲料、果蔬飲料和水飲料。所以軟飲料占據(jù)了人們?nèi)?常消費的很大一部分，具有很

3、大的發(fā)展?jié)摿?。如何生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的飲料產(chǎn)品已經(jīng)成 為飲料行業(yè)重要的任務(wù)。本次設(shè)計以軟飲料中的植物蛋白飲料的生產(chǎn)為背景進行 設(shè)計。植物蛋白飲料的生產(chǎn)工藝流程圖如圖 2所示。生產(chǎn)過程大致為：原料選取 浸泡磨漿過濾調(diào)配一次均質(zhì)二次均質(zhì)封裝殺菌成品。其中 過濾、調(diào)配、均質(zhì)均可以在物料罐中進行。其中過濾，調(diào)配，均質(zhì)等均可在物料 罐中進行。在過濾環(huán)節(jié)將植物如大豆浸泡去皮后加入適量水研磨成漿體，經(jīng)離心過濾機過濾分離，除去殘余的豆渣和雜質(zhì)等。調(diào)配環(huán)節(jié)將過濾后的漿體先加水稀 釋，然后按比例加配料。均質(zhì)環(huán)節(jié)將調(diào)配后的漿體經(jīng)均質(zhì)機均質(zhì)， 使?jié){體進一步 破碎，更加細膩。在生產(chǎn)過程中，可以將這三個環(huán)節(jié)看為一個三容水箱模型來

4、進 行相應(yīng)的控制。23二次均標(biāo)灌裝！(38MPa)封鋁膜調(diào)一次均質(zhì)配(20MPa)緩沖罐圖2植物蛋白飲料生產(chǎn)流程圖現(xiàn)代生產(chǎn)過程中將檢測技術(shù)，自動控制理論，通信技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合在起組成一套完整的過程控制系統(tǒng)，三容水箱模型簡化圖如圖3所示。過濾罐F1E1V3調(diào)配罐F2均質(zhì)罐F2圖3三容水箱模型圖1、物料從上級進料口進入過濾罐；2、三個物料罐從上至下分別為過濾罐，調(diào)配罐和均質(zhì)罐，三個罐大小相同, 底面積均為5m2,高均為6m；3、罐的出口均在罐體側(cè)面底部且出料口直徑均為 100mm；4、進料口的壓強為定值，即只要控制 V1的開度即可控制流進三容箱系統(tǒng)的 物料量，有如下關(guān)系：Qin K ;其中Qn

5、為進料口流入的物料量，K為比例 系數(shù)，為閥門的開度?，F(xiàn)要設(shè)計控制系統(tǒng)控制物料罐 F3內(nèi)液位高度保持與設(shè)定值一致，對物料灌F1和物料灌E2中的液位高度無特殊要求，可將泵保持為全開狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)參 數(shù)如下：(1)三個水箱的截面積：Ai A2 A3 5m2；(2)三個水箱的最大深度：h" h2max h3max 6m；(3)三個水箱的初始液位：hi h2電2m；(4)三個水箱從高到低依次安置，上一級出水口在下一級進水口上方(5)所有管道直徑：d 100mm,管道長度對控制的延時影響忽略不計；(6)液位變送器采用BTY-G系列光纖液位變送器，測量范圍：0 65m,輸出：4 20mA ,環(huán)境溫

6、度：30 100 C ;(7)調(diào)節(jié)閥采用ZRQM系列智能型電動調(diào)節(jié)閥，輸入信號： 05V,輸出行 程：0 100mm,環(huán)境溫度：40 450 C , K =0.012,線性閥阻 R=0.01229。2建立模型2.1 被控量的選擇被控量的選擇是控制系統(tǒng)的方案設(shè)計中必須首先解決的重要內(nèi)容，他的選 擇對穩(wěn)定生產(chǎn)，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，節(jié)料節(jié)能，改善勞動條件，以及保護環(huán) 境都有決定性的意義。而被控量的選擇要求設(shè)計人員必須根據(jù)工藝操作的要求， 找出那些對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行、環(huán)境保護等具有決定性作 用，能很好地反映工藝生產(chǎn)狀態(tài)變化的參數(shù)。 在植物蛋白飲料的生產(chǎn)過程中，控 制要求就是使產(chǎn)品

7、達到一定的濃度， 充分發(fā)揮產(chǎn)品的營養(yǎng)作用。因而在物料罐內(nèi) 均質(zhì)后的物料濃度最能反映生產(chǎn)過程的要求，把它作為被控量最好。但是由于， 目前對于成分的檢測還存在不少問題， 例如，介質(zhì)本身的物理、化學(xué)性質(zhì)及使用 條件的限制，使準(zhǔn)確檢測還有困難，取樣周期也長，這樣往往滿足不了自動控制 的要求，故本次設(shè)計采用物料罐內(nèi)物料的液位這個間接參數(shù)作為被控量。2.2 操控量的選擇由于本次設(shè)計選用物料罐內(nèi)物料液位作為被控量， 故在整個液位控制系統(tǒng)中 最適合作為操縱量的便是物料的流速。它可以直接對均質(zhì)物料罐內(nèi)物料的液位進 行控制，同時由于兩兩相連的物料罐之間的管道長度有限，對生產(chǎn)的延時影響忽 略不計。故本次設(shè)計選用物料

8、的流量作為操縱量。2.3 模型的選擇2.3.1 單容水箱數(shù)學(xué)模型圖4所示的就是單容水箱的結(jié)構(gòu)圖，圖中不斷有液體流入水箱，同時也有液體不斷由水箱流出。被控參數(shù)為水箱水位hl,流入量Qin由改變閥V1的開度 u加以控制流出量Q1則由用戶根據(jù)需要改變閥2開度來改變。圖4單容水箱結(jié)構(gòu)圖單容水箱先分析控制閥開度u與液位hl的數(shù)學(xué)關(guān)系。設(shè)初始時刻t=0時, 系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，即有：(2-1)(2-2)(2-3)壇=,t=0時刻控制閥開度階躍增大，流入量 Qin階躍增大即AQm =匕&眈這就使Qom 口工，液位hl開始上升。隨著hl上升，閥V2兩側(cè)差壓變大, 流出量也增大，這樣在不斷的調(diào)節(jié)下，當(dāng)時，

9、液位重新穩(wěn)定在一個全 新高度。在心時間內(nèi)，液體體積變化量為 人,由守恒定律可得：服=9M - QJ4 =盤&(2-4)化簡為：米= Qm-Q(2-5)再改寫為增量形式：A1Ah = AQ 加達 Qi(2-6)液位hl變化時，設(shè)流出單容水箱的夜體的質(zhì)量為 m,流出單容水箱的液體流速 為v,則有(2-7)mgh =可得流出單容水箱的液體流速為：v二 代藐(2-8)則流出口的液體流速為：& 二金送=由J五/或Q工二(2-9)其中 k = .L，A1為水箱的底面積這是一個非線性關(guān)系，在小偏差條件下可線性化為：AQL*(2-10)，二其中£1 =苧是流出閥門V2的流阻。 K將

10、雙=上4 ,A(?! = 代入式Ah = 功 一 Ax可得二 kAu -2-h(2-11 )民t取拉普拉斯變換得到單容水箱控制通道的傳遞函數(shù)，即熊&)=器=最(2-12)其中晨=月衣士，起=匕并i圖5單容水箱液位控制框圖Qin由控制閥2.3.2 雙容水箱的數(shù)學(xué)模型雙容水箱機構(gòu)圖如圖6所示，兩只串聯(lián)工作的水箱的流入量V1的開度u加以控制，流出量Q2由用戶根據(jù)需求改變控制閥3的開度而決定圖6雙容水箱結(jié)構(gòu)圖參考單容水箱的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)守恒定律可列出下列方程:AQi = j%(2-13)= &Q版 - &Qi(2-14)A 亦 = AQ士一(2-15)AQ"竟4%(2

11、-16)其中，A” &為兩個水箱的截面積,R、R2為流阻，AQ土，皿2,&1, 電都以平衡狀態(tài)為起始點計算的增量。對以上方程組取拉普拉斯變換得到雙容水箱 控制通道的傳遞函數(shù)，即嗎0 =翳=但"工T（2-17）其中n =/即,t=r血,% =/ 。再根據(jù)其傳遞函數(shù)可得雙容水箱的控制方框圖，如圖7所示。u(s)Ku2.3.3 三容水箱的數(shù)學(xué)模型三容水箱的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，h3為第三個水箱的液位高度。在雙容水箱的控制方框圖的基礎(chǔ)上可以推導(dǎo)出三容水箱的控制方框圖，如圖8所示。Qin(s)Q1(s)Q2(s)H3i圖8三容水箱液位控制框圖與單容水箱液位控制框圖對比可以清晰地看出

12、第二級水箱加入到控制系統(tǒng)中，只是在第一級水箱的液位輸出端加入液位與流出流量的傳遞函數(shù)， 然后用接 第二級的液位控制的傳遞函數(shù)即可。 得到模型后，利用上述參數(shù)計算，可得到如 圖9的三容水箱控制系統(tǒng)的具體過程傳遞函數(shù)的框圖圖9三容水箱過程傳遞函數(shù)的框圖 以上就是三容水箱數(shù)學(xué)模型的建立。3算法描述3.1算法選擇在過程控制中，液位控制一般采用 P調(diào)節(jié)足夠。但是，在本次設(shè)計中，三個 水箱（三個一階慣性環(huán)節(jié)）依次串聯(lián)，構(gòu)成三階系統(tǒng)，如果僅使用P調(diào)節(jié)，存在動態(tài)響應(yīng)速度慢、有穩(wěn)態(tài)誤差，因而不滿足題設(shè)中對h3進行精確控制的要求。為 消除穩(wěn)態(tài)誤差，要采用PI調(diào)節(jié)，兼顧響應(yīng)時間，因此算法選擇 PID。另外，還有一個

13、必須注意的地方：在對 h3進行控制的同時，hi、h2也要得到有效的調(diào)節(jié)。尤其是容器都有高度限制，因此， 兒、h2的動態(tài)響應(yīng)不能有過大的超調(diào)量，否則，液體會溢出容器，嚴重影響實際生產(chǎn)過程，更達不到對h3調(diào)節(jié)效果。為了對hi、h2進行有效控制，本次設(shè)計將嘗試采用多回路審級調(diào)節(jié)。其中，內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)的目的是控制hi、h2響應(yīng)更快，超調(diào)量更小，從而使提高對 h3的 控制效果。因此，我們的控制方案是審級控制：對于控制精度要求不高的內(nèi)環(huán)，采用 P 調(diào)節(jié)或超前校正以提高響應(yīng)速度；對于品質(zhì)要求高的外環(huán)，采用 PID或者PI調(diào) 節(jié)，消除靜差，減小調(diào)節(jié)時間。3.2控制器設(shè)計9分析階躍響利用MATLAB勺Simulink

14、對三容水箱的模型進行仿真，如圖 應(yīng)特性。單位階躍輸入作用下，三個水箱液位變化如下圖：圖10 hi階躍響應(yīng)曲線圖11 h2階躍響應(yīng)曲線圖12 h3階躍響應(yīng)曲線從圖中可以看出，h1、h2、卜3的響應(yīng)時間依次增加，分別為2000s、3000s、 3500s左右。但是hi、h2、h3穩(wěn)態(tài)誤差基本相等，對于單位階躍而言，ess-0.02 0 可見三容水箱具有由于三個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)，響應(yīng)速度慢，有穩(wěn)態(tài)誤差但無超調(diào) 并不符合實際生產(chǎn)的要求。3.2.2 單回路反饋調(diào)節(jié)1、 .將液位測量裝置、控制器、調(diào)節(jié)閥和三容水箱組成單回路控制系統(tǒng)。仿 真模型如圖13,其中控制器設(shè)為1。引入反饋之后，階躍輸入下響應(yīng)效果如圖:圖

15、14單回路兒階躍響應(yīng)曲線圖15單回路h2階躍響應(yīng)曲線圖16單回路h3階躍響應(yīng)曲線從圖中可以看出，h1、h2、h3的調(diào)節(jié)時間都很長分別為3000s、3750s、4000s左右，并且都有較大超調(diào)量，hi的超調(diào)量為40% h2的超調(diào)量為24% h3的超調(diào) 量為12%并且也沒有消除穩(wěn)態(tài)誤差，反而是穩(wěn)態(tài)誤差增大。對于單位階躍信號 而言三者的穩(wěn)態(tài)誤差基本相等，es 0.5 o可見，單純的引進反饋回路而不設(shè)計 控制器，并不能提高系統(tǒng)性能。3.2.3 PID調(diào)節(jié)器3.2.3.1 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)初值用Ziegler-Nichols ultimate method 設(shè)計 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)初值，利用 matlab

16、仿真平臺編寫程序如下，繪制根軌跡圖：G1=tf(0.012,5*81.35 1);G2=tf(1,5*81.35 1);G3=tf(81.35,5*81.35 1);G=G1*G2*G3;rlocus(G) hold oni 0.833 T1194.94(3-2)圖17三容水箱模型根軌跡圖根據(jù)三容水箱模型的根軌跡圖可知臨界增益Kcu 8.9,臨界頻率c 0.00438.所以2 1c 1434.53.2.3.2 PI調(diào)節(jié)器在過程控制中，通常只需要在設(shè)定液位的某個范圍內(nèi)保持液位恒定就可以 了。流速并不是一個值得很關(guān)心的因素。在過程中，它自身就有一個積分行為。 而且，如果流動速率被當(dāng)做操控變量，那么

17、控制器的設(shè)定必須要限制流動速率以 避免突然的溢出。因此簡單的P調(diào)節(jié)控制器通常就適用了。但是由于本次設(shè)計中, 對于h3的控制要求精確，故采用PI調(diào)節(jié)來達到實際生產(chǎn)目的根據(jù) Ziegler-Nichols ultimate method 可知(3-1)Kc0.455， 4.05ccu故控制器的傳遞函數(shù)為:Gc(s)Kc114.05 iS(3-3)其仿真框圖如圖18所示:Op-*圖18 PI調(diào)節(jié)的仿真框圖圖19 PI調(diào)節(jié)h1的響應(yīng)曲線圖20 PI調(diào)節(jié)h2的響應(yīng)曲線圖21 PI調(diào)節(jié)h3的響應(yīng)曲線從圖19、20、21中可以得到，響應(yīng)時間太長，完全不符合實際生產(chǎn)的要求,h2、h3超調(diào)也很大，分別為70%口

18、 30%效果不如不加控制器的好3.2.3.3 PID 調(diào)節(jié)器本次設(shè)計采用NO OVERSHOOT中情況，即Kc 0.2 Kcu 1.78 ccui 0.5 Tu 717.25d 0.333 Tu 477.69在實際生產(chǎn)過程中，制造商一般并不使用-1Gc(s) Kc1dSis而使用1 sGc(s) Kc1 -is d 1其中 為系數(shù)，取值范圍為0.050.2,本次設(shè)計中，取2Gc(s) Kc1 1 Kc(-1) i ds ( iis d 1i ds is2彳“376885.47s2 765.02s 11.78234262.32s2 717.25s0.1,則(3-4)(3-5)(3-6)(3-7)

19、(3-8)(3-9)其仿真框圖如圖22所示:圖23 PID調(diào)節(jié)H1的響應(yīng)曲線圖24 PID調(diào)節(jié)H2的響應(yīng)曲線圖25 PID調(diào)節(jié)H3的響應(yīng)曲線從圖中看到，雖然實現(xiàn)了無靜差控制，但響應(yīng)時間比較長，、h2、h3的響應(yīng)時間分別為3000s、2750s、2900s。超調(diào)量分別為15% 18% 5%相對于單 回路控制而言，明顯提高了動態(tài)響應(yīng)過程，使得系統(tǒng)性能有了較大的改善，控制 效果相對理想。3.2.4 申級反饋調(diào)節(jié)為提高h3的響應(yīng)速度，采用審級控制方法，由于對 幾、h2的調(diào)節(jié)品質(zhì)沒有很高要求，因此，使用具有“粗調(diào)”作用的副控制器調(diào)節(jié)兒、h2,具有“細調(diào)”作用的主控制器調(diào)節(jié)要求較高的 h3。利用內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)兒

20、、h2,使得、h2調(diào)節(jié)時間更短，從而間接提高h3的響應(yīng)品質(zhì)。用級調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法使用兩步法：先 整定內(nèi)環(huán)，在整定外環(huán)。1、加一級水箱的兒液位的負反饋由于對hi、h2的調(diào)節(jié)品質(zhì)沒有很高要求，允許有余差，故內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)可以使用P調(diào)節(jié)，而液位h3是生產(chǎn)過程中的重要指標(biāo)，要求很高，故在外環(huán)調(diào)節(jié)仍使用 PID調(diào)節(jié)，但由于在單回路中PID調(diào)節(jié)的動態(tài)調(diào)節(jié)不滿意，故在審級調(diào)節(jié)中適當(dāng) 增加d,即d 550o在本次設(shè)計中，內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)的比例系數(shù) Kp 35 o圖27審級控制的仿真框圖圖28串級控制的H1響應(yīng)曲線圖29串級控制的H2響應(yīng)曲線圖30串級控制的H3響應(yīng)曲線由仿真結(jié)果可知，兒、h2、h3的響應(yīng)時間得到明顯的改善，分別為 1000s、1500s、1750s。雖然h2的動態(tài)響應(yīng)過程不理想，超調(diào)過大，但是在實際生產(chǎn)過程中并不會溢出物料罐，同時h3的超調(diào)減少了，而響應(yīng)時間有了很大的改善。說 明審級控制作用很理想。2、加二級水箱的h2液位的負反饋進行進一步的調(diào)節(jié)，加入二級水箱的h2液位負反饋。內(nèi)環(huán)使用 p調(diào)節(jié)，比2434s 2.457700s例度為0.6;外環(huán)使用PI調(diào)節(jié)，傳遞函數(shù)圖31審級控制加入二級水箱液位的負反饋仿真框圖內(nèi)環(huán)使用p調(diào)節(jié)，比例度為0.6;外環(huán)使用PI調(diào)節(jié)，傳遞函數(shù)2434s 2.457。單700s圖3