双容液位单回路控制系统设计

中北大学
课 程 设 计 说 明 书
学生姓名： 学 专 题 院： 业： 目：
学 号： 机械工程与自动化学院 过程装备与控制工程 双容液位单回路控制系统设计
指导教师： 刘广璞
刘波 崔宝珍
职称: 副教授 职称: 副教授 职称: 副教授
2011 年 12 月 19 日

中北大学
课程设计任务书
2011/2011 学年第 1 学期
学 专
院： 业：
机械工程与自动化学院 过程装备与控制工程 学 号：
学 生 姓 名： 课程设计题目：
双容液位单回路控制系统设计
起 迄 日 期：2011 年 12 月 19 日～2012 年 01 月 5 日 课程设计地点： 中北大学
指 导 教 师： 刘广璞 刘波 崔宝珍 系 主 任： 姚竹婷
下达任务书日期: 2011 年 12 月 19 日

课 程 设 计 任 务 书
1．设计目的：
（1） 培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识， 结合毕业实习 中学到的实践知识，独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计一个过程控 制系统的能力。 （2）运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制 系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。 （3）培养学生独立工作能力和创造力；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）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力； （5）培养编写技术报告和编制技术资料的能力。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等） ：
经过《过程检测仪表与控制》课程的学习和生产实习后，对现场的实际过程控制策 略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。在此基础上，针对实践环节中的被控 对象（控制装置） ，独立完成控制系统的设计，并通过调节系统控制参数，达到较好的控 制效果。 1. 2. 3. 4. 5. 6. 确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，给出控制流程图； 现场仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件； 给出控制系统方框图； 分析被控对象特性，选择控制算法； 进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能； 写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计
思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并 对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。

3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、 实物样品等〕 ：
1．确定系统整体控制方案、仪表选型、系统控制流程图、选择控制算法。 2．撰写课程设计说明书一份（A4 纸） 。
4．主要参考文献：
[1]《过程装备控制技术及其应用》 [2]《过程自动化及仪表》 [3]《工业过程控制工程》 [4]《控制仪表及装置》 [5]《过程控制仪表》 [6]《过程装备成套技术设计指南工程》 [7]《过程控制装置》 [8]《化工单元过程及设备课程设计》 [9]《化工设备设计设计手册》 （上、下） [10]《工业过程检测与控制》 王毅 主编 化学工业出版社 俞金寿 王树青 吴勤勤 徐春山 黄振仁 张永德 匡国柱 朱有庭 孟华 主编 主编 主编 主编 主编 主编 主编 主编 主编 化学工业出版社 化学工业出版社 化学工业出版社 冶金工业出版社 化学工业出版社 化学工业出版社 化学工业出版社 化学工业出版社 化学工业出版社

5．设计成果形式及要求：
提供课程设计说明书一份，要求内容与设计过程相符，且格式要符合规定要求； 系统控制流程图一份；
6．工作计划及进度：
201 年 月 日 - 月 日 确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，画出控制
流程图，完成仪表选型，接线图； 月 日 月 月 日 日 月 答辩 日 控制系统方框图，分析被控对象特性，选择控制算法； 进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能； 编写课程设计说明书
日- 月
月 日 月 日
系主任审查意见：
签字： 年 月 日

目录
1.课程设计任务书..................................................1 2.被控对象基本内容及结构..........................................2 3.设计任务........................................................2 4.设计要求........................................................2 5.设计任务分析....................................................3 6.设计内容........................................................4 7.设计总结........................................................7 8.参考文献........................................................8

1. 被控对象基本内容及结构
液位控制系统是生产过程中的一类常见问题。在双容水箱中，我们需要实时检测 和调节水箱水位， 为为了最大程度上减轻了人们工作负担，需要设计一个组态王 液位控制系统对水箱的水位进行实时检测。双位水箱串级控制系统是被测对象由 两个不同容积的水箱串联组成， 故称其为双容水箱，控制原理是通过水泵将储水 箱中的水送上水箱，通过阀门对其控制，使其可以合理的进行储水，当然，如果 进水量大于出水量，则自动通过溢水口排入储水箱 2.
设计任务
图 1 所示双容水箱液位系统， 由水泵 1、 分别通过支路 1、 向上水箱注水， 2 2
在支路一中设置调节阀， 为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱 液位施加干扰。试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。
第二支路 引入干扰
变频 泵2 第一支路 泵1
图 1 双容水箱液位控制系统示意图
3.
设计要求
1） 已知上下水箱的传递函数分别为：
G p1 ( s ) ? ?H 1(s) ?U 1(s) ? 2 5s ? 1
，G p2 (s) ?
?H 2 (s) ?Q2 (s)
?
?H 2 (s) ?H 1(s)
?
1 20 s ? 1
。
要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过 程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运 10s 后施加的均值为 0、方 差为 0.01 的白噪声） ； 2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别 对控制系统在有、 无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中 PID 参数的整定要求

写出整定的依据（选择何种整定方法，P、I、D 各参数整定的依据如何） ，对仿 真结果进行评述； 4.设计任务分析 系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种， 机理法建模主要用于生 产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况； 测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到， 测 试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。对于本设 计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。 在该液位控制系统中，建模参数如下： 控制量：水流量 Q； 被控量：下水箱液位； 控制对象特性：
G p1 ( s ) ? ?H 1(s) ?U 1(s) ? 2 5s ? 1
（上水箱传递函数） ；
G p2 (s) ?
?H 2 (s) ?Q2 (s)
?
?H 2 (s) ?H 1(s)
?
1 20 s ? 1
（下水箱传递函数） 。
控制器：PID； 执行器：控制阀； 干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行 10s 后，施加均值为 0、方差为 0.01 的白噪声 为保持下水箱液位的稳定， 设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位 检测器送至控制器（PID） ，控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作 用于执行器（控制阀） ，从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断 调整 PID 参数， 单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好 的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果 采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱， 会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果 干扰频繁出现，无论如何调整 PID 参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级 控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水 箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控 制效果。 设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下：

在无干扰情况下，整定主控制器的 PID 参数，整定好参数后，分别改变 P、 I、D 参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声） ，比 较有无干扰两种情况下系统稳定性的变化。
5.设计内容
单回路 PID 控制的设计 MATLAB 仿真框图如下（无干扰） ：
先对控制对象进行 PID 参数整定，这里采用衰减曲线法，衰减比为 10：1。 A. 将积分时间 Ti 调为最大值，即 MATLAB 中 I 参数为 0，微分时间常数 TD 调 为零，比例带δ 为较大值，即 MATLAB 中 K 为较小值。 B. 待系统稳定后，做阶跃响应，系统衰减比为 10：1 时，阶跃响应如下图：

参数：K1=9.8，Ti=无穷大，TD=0 经观测，此时衰减比近似 10：1，周期 Ts=14s，K=9.8 C．根据衰减曲线法整定计算公式，得到 PID 参数： K1=9.8*5/4=12.25，取 12； Ti=1.2Ts=16.8s（注：MATLAB 中 I=1/Ti=0.06） ；TD=0.4Ts=5.6s. 使用以上 PID 整定参数得到阶跃响应曲线如下：
参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6 观察以上曲线可以初步看出，经参数整定后，系统的性能有了很大的改善。 现用控制变量法，分别改变 P、I、D 参数，观察系统性能的变化，研究 各调节器的作用。 A． 保持 I、D 参数为定值，改变 P 参数，阶跃响应曲线如下：
参数：K1=16，Ti=16.8，TD=5.6

参数：K1=20，Ti=16.8，TD=5.6 比较不同 P 参数值下系统阶跃响应曲线可知， 随着 K 的增大， 最大动态偏差增大， 余差减小，衰减率减小，振荡频率增大。 B． 保持 P、D 参数为定值，改变 I 参数，阶跃响应曲线如下：
参数：K1=12，Ti=10，TD=5.6
参数：K1=12，Ti=1，TD=5.6

比较不同 I 参数值下系统阶跃响应曲线可知，有 I 调节则无余差，而且随着 Ti 的 减小，最大动态偏差增大，衰减率减小，振荡频率增大。 C． 保持 P、I 参数为定值，改变 D 参数，阶跃响应曲线如下：
参数：K1=12，Ti=16.8，TD=8.6
参数：K1=12，Ti=16.8，TD=11.6 比较不同 D 参数值下系统阶跃响应曲线可知，而且随着 D 参数的增大，最大动 态偏差减小，衰减率增大，振荡频率增大。
6.设计总结
1）通过本次设计，学会了系统建模的一般步骤，掌握了分析简单系统特性的一 般方法，并对系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认 识。 2）基本掌握了简单系统模型的 PID 参数整定方法，对 PID 调节器中的 P、I、D 各个参数的功能、特性有了更加深刻的认识，通过实验验证的方式，很多内容印 象非常深刻。 3）从设计内容来讲，或许学习的是仅仅过程控制，学习的仅仅是 MATLAB 的操 作，但设计过程中，从设计思想，到研究方法，再到结论总结都培养了自己的学

习研究能力，这也许更重要。 4）通过指导老师细心辅导和同学们的大力支持和帮助下，我对整个过程控制系 统的设计有了很深的体会， 也学会了很多与设计相关的知识。此次课程设计使我 对组态王软件的认识与了解及应用,深入地了解到科学的严谨性，自己从中受益 匪浅，不但扩大了我的视野，提高了我的认识和认知能力，同时，我也让我深刻 的认识到，在此次课程设计中暴露出来不少问题：我们所掌握的相关知识很少， 很多需要用到的知识都是我们平常都没学过或是我们没见过的， 这就要求我们必 须学会很好的查资料，并且很快将资料转化成可用的东西，会用的人不是很多， 参考资料也很少，设计过程中难免有些困难；但是，我们作为一个学生，但我想 这些问题都是暂时的，只要我们努力，问题一定会解决的。通过发现问题、解决 问题的过程我们锻炼了自己的实践能力，并从中总结规律，为以后我们在实践工 作中打下坚实的基础。
7.参考文献
[1]《过程装备控制技术及其应用》 [2]《过程自动化及仪表》 [3]《工业过程控制工程》 [4]《控制仪表及装置》 [5]《过程控制仪表》 [6]《过程装备成套技术设计指南工程》 [7]《过程控制装置》 [8]《化工单元过程及设备课程设计》 [9]《化工设备设计设计手册》 （上、下） [10]《工业过程检测与控制》 王毅 主编 化学工业出版社 俞金寿 王树青 吴勤勤 徐春山 黄振仁 张永德 匡国柱 朱有庭 孟华 主编 主编 主编 主编 主编 主编 主编 主编 主编 化学工业出版社 化学工业出版社 化学工业出版社 冶金工业出版社 化学工业出版社 化学工业出版社 化学工业出版社 化学工业出版社 化学工业出版社