过程控制课程设计报告贮槽液位控制系统设计(2)

四、系统总体方案的选择及说明

随着工业生产的迅速发展，工艺条件越来越复杂。对过程控制的要求越来越高。过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。由于工业过程的复杂、多变，因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等。为了满足上述特点与工艺要求，过程控制中的控制方法是十分丰富的。通常有单变量控制系统，也有多变量控制系统，有复杂控制系统，也有满足特定要求控制系统。

在工业生产过程中，液体贮槽设备如进料罐、成品罐、中间缓冲容器、水箱等应用十分普遍，为保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡，因此工艺要求贮槽内的液位需维持在某个给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出，要求设计一个液位控制系统。

对分析设计的要求，生产工艺比较简单要求并不高，所以采用单回路控制系统进行设计。单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控系统、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。单回路控制系统是最简单、最基本、最成熟的一种控制方式。单回路控制系统根据被控量的系统、液位单回路控制系统等。

单回路控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少，操作维护也比较方便，因此在化工自动化中使用很普遍，这类系统占控制回路的绝大多数。单回路控制系统虽然简单，但它的分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。对单回路控制系统进行分析，设计，调试处理的方法，理解单回路控制系统对各个环节的影响，就可以分析处理好更复杂的设计问题。这里选择的是液位单回路控制系统。单回路控制系统方框图的一般形式如下： X(S)

Z(S) _ F(S) Y(S) WC(S) WV(S) WO(S) Wm(S) WC(S)——控制器的传递函数 WV(S)——调节阀的传递函数

WO(S)——被控过程的传递函数 Wm(S)——测量变送器的传递函数

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五、系统结构框图与工作原理

1.系统结构框图：

f(t)设定值e液位控制器u执行阀q1液位过程实际液位检测变送器

执行阀 设定值 液位检测变送器 液位控制器

过程控制系统，简单的说，就是采用计算机来实现的过程工业控制（含管理）系统。从控制系统引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务实现复杂东芝规律。由于计算机只能处理数字信号，因此给定值和反馈要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。但计算机接受了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进行运算（如PID运算），计算结果（数字信号）在经过D/A转换器，将数字 信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。

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2.工作原理

单回路过程控制系统亦称单回路调节系统，一般是指正对一个被控过程

（调节对象），采用一个检测变松器检测被测过程，采用一个控制（调节器）来保持参数恒定（或在很小范围变化），其输出也只控制一个执行机构（调节阀）。从系统的款图看，只有一个闭环回路。单回路过程控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。

单回路过程控制系统虽然简单，但它的分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。因此，学习和掌握单回路系统的工程设计方法是非常重要的。

3.水箱建模

这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱（图2-1）。要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。

如图2-1，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1 之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有

Q1?Q2?C将式（2-1）表示为增量形式

?Q1??Q2?Cd?h （2-2） dtdh （2-1） dt式中，?Q1、?Q2、?h——分别为偏离某一平衡状态Q10、Q20、h0的增量； C——水箱底面积。

在静态时，Q1=Q2；dhdt=0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，阀V2处的静压也随之变化，Q2也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为

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?Q1与?h成正比，而与阀V2的阻力R2成反比，即

?Q2??h?h 或 R2? （2-3） R2?Q2式中，R2为阀V2的阻力，称为液阻。 将式（2-3）代入式（2-2）可得

R2Cd?h??h?R2?Q1 （2-4） dt在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

G0(s)?R2H(s)K （2-5） ??Q1(s)R2Cs?1Ts?1式中，T=R2C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数。令输入流量Q1(s)=R0/s，R0为常量，则输出液位的高度为：

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

s(Ts?1)ss?1/T1?tT即 h(t)?KR0(1?e) （2-7）

当t??时，h(?)?KR0 因而有 K? 当t=T时，则有

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

式（2-7）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。由式（2-9）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。 …… 此处隐藏：561字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……