液位升降過程控制系統(tǒng)設(shè)計

1、過程控制與集散系統(tǒng)課程設(shè)計題目： 液位升降過程控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 院 信息科學(xué)與工程學(xué)院 班 級 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 周紅軍 一、設(shè)計題目、任務(wù)及要求1.設(shè)計題目：液位升降過程控制系統(tǒng)設(shè)計2.設(shè)計任務(wù)：圖1所示為某工業(yè)生產(chǎn)中的液位控制設(shè)備，設(shè)計任務(wù)是通過控制系統(tǒng)向水箱注入工業(yè)用水，經(jīng)過液位調(diào)節(jié)后，使其滿足下道工序要求。水箱注水工藝過程為：工業(yè)用水由水泵驅(qū)動，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；由于工藝對水箱內(nèi)水壓有要求，水箱內(nèi)液位高度必須達到一定的液位高度；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調(diào)節(jié)閥，用以控制向水箱注水的流量，已達到控制水

2、箱液位的目的。圖1 工業(yè)水箱液位控制系統(tǒng)由于水箱時間常數(shù)大，且擾動的因素多，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足工藝對水箱液位的要求。為了提高控制質(zhì)量，采用串級控制系統(tǒng)，運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)成水箱液位串級控制系統(tǒng)，要求繪制該串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。(3) 假設(shè)主對象的傳遞函數(shù)為，副對象的傳遞函數(shù)為，主、副控制器的傳遞函數(shù)分別為，請確定主、副控制器的參數(shù)（要求寫出詳細的參數(shù)估算過程）。(4) 利用simulink實現(xiàn)單回路系統(tǒng)仿真和串級系統(tǒng)仿

3、真，分別給出系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線。二、設(shè)計任務(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）串級控制系統(tǒng) 在送水管道中有一個電動調(diào)節(jié)閥，根據(jù)反饋情況用來控制調(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)不能滿足對水箱液位的控制要求。為提高控制質(zhì)量，采用串級反饋控制系統(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)成水箱液位串級控制系統(tǒng)，提高控制質(zhì)量，滿足工藝要求。串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主

4、被控參數(shù)），即工藝控制指標；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測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、詳細設(shè)計（一） 主被控參數(shù)的選擇應(yīng)選擇被控過程中能直接反映生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，又易于測量的參數(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)，因為水箱液位是整個控制作用的關(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，會造成整個系統(tǒng)控制設(shè)計的失敗。(二) 副被控制參數(shù)的選擇從整個系統(tǒng)來看，滯后較小的管道流量雖然不是我們要控制的直接目標，但是滯后的管道流量會很大程度上影響水箱進水速度及液位高度，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（液位高度），允許波動的范圍很小，一般要求無余差，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。在工程實踐中，串級控制系統(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。逐步逼近法費時費力，在實際中很少使用。兩步整定法雖然比逐步

6、逼近法簡化了調(diào)試過程，但還是要做兩次4：1衰減曲線法的實測。對兩步整定法進行簡化，在總結(jié)實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上提出了一步整定法。為了簡便起見，本設(shè)計采用一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副調(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，通過副過程放大系數(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間常數(shù)TI，即可得到改善。對于該液位串級控制系統(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，適當選取Kc2=2.5（整定時可以根據(jù)具體情況再做適當調(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)號最后兩位83帶入可計算出主對象的傳遞函數(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，加階躍擾動觀察輸出響應(yīng)的衰減過程，直至10：1衰減過程為止。這時的比例度稱為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，運用表2所示的經(jīng)驗公式，就可計算出調(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，Kc1的值從大到小進行試驗，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 串級系統(tǒng)Simulink模型: 圖7當Kc1=1.9時，在t1=2.27s時出現(xiàn)第一峰值，為1.22；在t2=4.7時出現(xiàn)第二峰值，為1.00，曲線穩(wěn)定值為0.98，可計算出衰減度為（）：（）=10：1。因此，當Kc1=1.9時，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，運行仿真后，得到如下圖所示的結(jié)果，它即為PI控制時系統(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)和串級系統(tǒng)仿真輸出響應(yīng)曲線對比單回路控制系統(tǒng)的模型如下：單回路控制系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線：五、串級控制系統(tǒng)性能分析上兩圖比較可知，串級系統(tǒng)輸出曲線第一峰值出現(xiàn)時間明顯比單回路系統(tǒng)更早，縮短了上升時間，減小了對象時間常數(shù)，系統(tǒng)快速性增強

11、。串級系統(tǒng)輸出曲線的調(diào)節(jié)時間縮短，使系統(tǒng)更早進入穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)振蕩幅度明顯得到改善，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 對串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出曲線對比可知，串級控制系統(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)對二次擾動的抑制能力，甚至是二次干擾在對主被控量尚未產(chǎn)生明顯影響時就被副回路克服了。由于副回路調(diào)節(jié)作用的加快，整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用也加快，對一次擾動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)的副對象的特性，減少了時間常數(shù)和相位滯后，使得整個系統(tǒng)的動態(tài)性能得到明顯改善。4、對負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)的副對象在操作條件和負荷變化時，其特性變化對系統(tǒng)的影響顯著地削弱。但串級控制系統(tǒng)也存在一些不足：只有當中間變量能夠檢測出來時，才可能采用串級控制系統(tǒng)，但許多過程在結(jié)構(gòu)上是不容易以這種方式加以分割的；串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)需要更多的儀表，串級控制系統(tǒng)的投放和整定也比單回路控制系統(tǒng)復(fù)雜些。在實際生產(chǎn)中，如果是單回路控制系統(tǒng)能夠解決的問題，就不一定非要采用串級控制系統(tǒng)方案，一般當單回路控制方案質(zhì)量達不到實際要求時，才考慮采用串級控制系統(tǒng)。設(shè)計心得此次的課程涉設(shè)計，主要的學(xué)習(xí)串級控制系統(tǒng)的設(shè)計，在設(shè)計過程中，參數(shù)的設(shè)定是難點，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