过程控制课程设计报告材料-贮槽液位控制系统设计

过程控制课程设计

设计题目：贮槽液位控制系统设计

学院：电气工程学院

专业：自动化

班级：091班

2012年6月4日

小组成员：

序号学号姓名设计分工

16 0902100138 姚航程总方案的确定及原理、控制参数的整定、

simulink仿真

17 0902100140 韦寿德测量变送器的选型、控制参数的整定、查阅

资料

18 0902100141 张印测量变送器的选型、控制参数的整定

19 0902100142 邓世杰调节阀的选型、水箱的建模

20 0902100147 杨奉志总方案的确定及原理、控制参数的整定、

simulink仿真

21 0902100148 钟昌帅simulink仿真、调节阀的选型

22 0902100149 李晓明控制器的选型、控制参数的整定、设计总结、

整理报告

23 0902100202 张凯强simulink仿真、水箱的建模、查阅资料

24 0902100203 农志兴调节阀的选型、水箱的建模

25 0902100204 袁剑波控制器的选型、查阅资料

26 0902100206 李季调节阀的选型、控制器的选型

27 0902100208 黄灵浩测量变送器的选型、水箱的建模、查阅资料

28 0902100209 谭雷调节阀的选型、水箱的建模

29 0902100213 吴高阳控制参数的整定、水箱的建模、查阅资料

30 0902100216 潘敏调节阀的选型、测量变送器的选型

目录

一、设计目的 (4)

二、设计任务及要求 (4)

三、工艺过程及要求 (5)

四、系统总体方案的选择及说明 (6)

五、系统结构框图与工作原理 (7)

1.系统结构框图 (7)

2.工作原理 (8)

3.水箱建模 (8)

六、各单元软硬件 (10)

1.控制对象 (10)

2.控制器 (10)

3.调节阀 (11)

4.差压变送器 (12)

七、参数的整定及仿真结果 (13)

1.经验法（现场实验整定法） (13)

2.常见被控量的PID参数选择范围 (13)

3.控制器各校正环节的作用 (13)

4.仿真结果 (14)

八、分析总结 (16)

设备清单 (17)

参考文献 (18)

一、设计目的

过程控制课程设计是一项重要的实践性教学环节。在设计过程中，通过一个工程实际课题的设计练习，学生可以初步实践过程控制系统的设计过程、明确应完成的工作内容和采用的具体设计方法，达到巩固、充实和综合所学知识并解决实际问题的目的。

通过课程设计，可以培养学生以下能力：

(1)独立工作能力和创造力；

(2)查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；

(3)综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；

(4)编写技术资料的能力。

二、设计任务及要求

课程设计应充分运用过程控制技术及相关专业课的知识，针对某生产工艺过程实施自动过程控制方案。因此，既要充分掌握生产工艺过程及控制工程的基本知识，又要熟悉控制及检测仪表的使用方法及型号、规格、价格等信息。

设计任务主要包括以下方面：

1.了解生产工况：研究过程控制单元的生产工艺及工作环境，在这一阶段还需要收集工艺中有关的物性参数和重要数据。

2.明确控制要求：找出被控对象，针对可能出现的干扰因素分析控制目的及其应达到的控制效果。

3.拟定控制方案：按照现场的特点、控制室与现场的相对位置及系统的控制要求，确定合理的控制系统类型，定出各检测点、控制点

的实际位置，初步分析控制系统的性能。

4.制定控制流程图：根据工艺特点以及控制方案画出系统的控制工艺流程图及控制方框图。

5.选取被控变量和操纵变量：根据控制要求及工艺合理性进行选取，尽量选取容易检测、无容量滞后或滞后小的变量。

6.过程装置及仪表的选型：根据工艺提供的数据及仪表选型的原则（根据工艺数据和有关计算方法对调节阀进行相应的计算），调研产品的性能、质量和价格，选定检测、变送、显示、控制等各类仪表的规格、型号。另外，对于仪表设备的辅助设备材料（仪表设备在安装过程中，还需要选用一些有关的其它设备材料）也需根据施工要求，进行数量统计，编制仪表安装材料表等。

7.设计总结：对整个设计过程做客观的评价，并阐述控制系统的优、缺点等。

三、工艺过程及要求

?在工业生产过程中，液体贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲容

器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料

进出需均衡，以保证过程的物料平衡。

?工艺要求液位贮槽内的液位需维持在某给定值上下，或在某一

小范围内变化，并保证物料不产生溢出。

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：

W C(S)——控制器的传递函数W V(S)——调节阀的传递函数

W O(S)——被控过程的传递函数W m(S)——测量变送器的传递函数

五、系统结构框图与工作原理

1.系统结构框图： 液位控制器执行阀液位过程检测变送器

e u 1q )

(t f 设定值实际液位

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。

液位检测变送器 液位控制器

设定值

执行阀

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Q 1，出水量为Q 2，水箱的液面高度为h ，出水

阀V 2固定于某一开度值。若Q 1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Q 1 之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有 12dh Q Q C

dt -= （2-1） 将式（2-1）表示为增量形式 12d h Q Q C dt

??-?= （2-2） 式中，1Q ?、2Q ?、h ?——分别为偏离某一平衡状态10Q 、20Q 、0h 的增量； C ——水箱底面积。

在静态时，1Q =2Q ；dh dt =0；当1Q 发生变化时，液位h 随之变化，阀2V 处的静压也随之变化，2Q 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

1Q ?与h ?成正比，而与阀2V 的阻力2R 成反比，即

22h Q R ??= 或 22

h R Q ?=? （2-3） 式中，2R 为阀2V 的阻力，称为液阻。

将式（2-3）代入式（2-2）可得

221d h R C h R Q dt

?+?=? （2-4） 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

2012()()()11

R H s K G s Q s R Cs Ts ===++ （2-5） 式中，T=R 2C 为水箱的时间常数（注意：阀V 2的开度大小会影响到水箱的时间常

数），K=R 2为过程的放大倍数。令输入流量1()Q s =0/R s ，0R 为常量，则输出液位的高度为：

000()(1)1/KR KR KR H s s Ts s s T

==-++ (2-6) 即 10()(1)t T h t KR e -=- （2-7）

当t →∞时，0()h KR ∞= 因而有 0()h K R ∞=

=输出稳态值阶跃输入

（2-8） 当t=T 时，则有

100()(1)0.6320.632()h T KR e KR h -=-==∞ （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 。

图2-2 阶跃响应曲线

六、各单元软硬件

1.控制对象

控制对象为一个水箱，水箱液位高度决定于入水量、出水量、水箱形状等因素。实验选用PI 算法将水箱液位控制在指定位置。水箱装有液位传感器，并选用水箱中的液位高度为控制变量。管路任一个手动阀都可以作为干扰源，用以产生干扰信号，整个被控对象组成了一个控制系统。

2.控制器

模拟式控制器DDZ-Ⅲ型

DDZ-Ⅲ型电动单元控制器是一种常用的模拟式控制器，以来自变送器的标准1-5V 直流信号作输入，与1-5V 直流设定值比较得到偏差，进行PID 运算后输出1-5V 或4-20mA 信号。其特点如下：

① 采用高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高了仪表的精度、稳定性和可靠

性，降低了功耗。

② 整套仪表可以构成安全火花防爆系统，且增加了安全单元－安全栅，实现控

制室与危险场所之间的能量限制和隔离。

③ 有软、硬两种手动操作方式，软手动和自动之间相互切换具有双向无平衡无

扰动特性，提高了控制器的操作性能。因为在自动与软手动之间有保持状态，此时控制器输出可保持长期不变，即使有偏差存在，也能实现无扰切换。

0.63h h 2h 2

④ 采用国际标准信号制，现场传输信号为4～20mA 直流电流，控制室联络信号

为1～5V 直流电压，信号电流和电压的转换电阻为250Ω。由于电气零点不是从零开始，因此容易识别断电、断线等故障。信号传输采用电流传送-电压接受的并联方式，即进出控制室的传输信号为直流电流信号（4～20mA ），将此电流信号转换成直流电压信号后，以并联形式传输给控制室各仪表。 DDZ-Ⅲ型控制器传递函数为：

()1()(1)()P D I U s G s K T s E s T s

==++ 3.调节阀

气动调节阀：结构简单，可靠，维护方便，防火防爆。

薄膜式：因为不需要大口径、高压降，一般情况选用薄膜式。

直通单座阀：因为这是小口径、低压差的场合。

气开式：无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式，因为考虑到控制信号中断后，为防止水满溢出水箱，所以选择气开式。

选用ZJHP 系列ZHB-22型气动气开式薄膜直通单座调节阀

此调节阀是上海好施阀门有限公司生产的，由多弹簧气动薄膜执行机构和顶导向式直通低流阻单座阀组成。具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、流体通道呈S 流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确，配用电-气阀门定位或气动阀门定位器，可实现对工艺管路流体介质的自动调节控制，广泛应用于精确控气体、液体、蒸汽等介质的工艺参数如压力、流量、温度、液位等参数保持在给定值。是符合IEC 标准的新一代通用调节阀产品。

结构特点:

1．ZJHP 型气动单座调节阀是自动化控制系统中仪表的执行单元，采用电-气阀门定位器，以电信号和压缩空气为动力，接受控制系统输入的0-10mA DC 或

4-20mA DC 电流信号，由调节器将压缩空气，转换成气源压力信号输入输出，可实现分程控制（段幅信号），从而改变阀门开度位移，达到对流体介质的工艺参数精确调节控制

2. 直通低流阻单座为无底盖顶导向结构，它只有一个阀座和一个柱塞形阀芯具有密闭性能好、泄漏量小、动作灵敏、流体通道呈S 流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、可调比大，阀芯导向部分的导向面积大，具有抗振性能强等特点，适用于对介质泄漏量及调节精度有严格要求的场合，但由于阀结构上的原因，阀杆上的不平衡力较大，尤其在公称通径大的工况下更为明显，因而该阀只适合于工作压差较小的场合。

3．通过改变阀芯形状的设计，不同的阀芯形状会得到不同流量特性：等百分比（对数）性、直线性、快开特性。

传递函数：

4.差压变送器

选用罗斯蒙特3051C 差压变送器，其主要参数如下:

总体性能：±0.15%

精度：±0.075%

差压：校验量程从0.5inH2O 至2000psi

表压：校验量程从2.5inH2O 至2000psi

绝对压力：校验量程从0.167psia 至4000psia

过程隔离膜片：不锈钢，哈氏合金C ，蒙乃尔，钽（仅限CD ，CG ）及镀金蒙乃尔 设计小巧、坚固而质轻，易于安装

特点：罗斯蒙特3051压力变送器具有无可比拟的操作性能、灵活的CoPlanarTM 平台，而且可以升级。新型罗斯蒙特3051C 压力变送器的性能指标保证了在不同工况下的精度和稳定性。

c

c K s W )(调节阀：

七、参数的整定及仿真结果

1.经验法（现场实验整定法）

按照先比例、后积分、再微分的顺序进行整定

①T I=∞，T D=0，δ由大到小调节，使过渡过程达到4:1，且静差较小，若能满

足要求，则用比例控制。

②若静差不能满足要求，则需要加积分环节。比例度δ增加10-20%，由大到小

调节积分时间T I，在保持动态特性的基础上，减小或者消除误差。

③若动态特性不能满足要求，由大到小调节T D，同时适当调节T I、δ。

（满足要求的参数不是唯一的，某个参数的减小可以用其它参数的增大来补偿）2.常见被控量的PID参数选择范围：

3.控制器各校正环节的作用如下：

K越大，系统①比例环节：用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。

P

的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。

K取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系P

统静态、动态特性变坏。

T越小，系统的静态误差消除越快，②积分环节：主要用来消除系统的稳态误差。

I

T过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超但

I

T过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。

调。若

I

③微分环节：能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任

T过大，会使响应过程提前制动，何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但

D

从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。

4.仿真结果

输入（给定）信号曲线（单位阶跃）：

①只采用比例P控制

K=30，T I=∞，T D=0

Simulink仿真曲线：

②采用比例积分PI控制

K=30，T I=5，T D=0 Simulink仿真曲线：

八、分析总结

在这次课程设计中，我们组的设计题目是：贮槽液位控制系统设计。根据设计任务的要求，我们通过组员的分工合作，设计出了贮槽液位自动过程控制方案。这套方案有以下的优点：不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。此控制系统有较高的控制精度和较好的适应能力，并且结构简单，投资少，易于调整，操作维护比较方便，又能满足多数工业生产的控制要求，其应用范围非常广泛。这套方案的缺点是：该控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生，当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。通过这次的课程设计，我们对课本上的知识有了更深刻的了解，特别是培养了我们的设计思维，增强了我们的实际操作能力，更使我们认识到团队合作的重要性。

设备清单

参考文献

【1】王再英．刘淮霞．陈毅静．过程控制系统与仪表．北京：机械工业出版社，2005 【2】卢子广．林靖宇．周永华．自动控制理论．北京：机械工业出版社，2009

【3】海涛．李啸骢．韦善革．陈苏．现代检测技术．重庆：重庆大学出版社，2010 【4】王海英．袁丽英．吴勃．控制系统的MATLAB仿真与设计．北京：高等教育出版社，2009