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单容水箱液位检测仪设计
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水箱液位控制系统设计毕业设计
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2012年毕业设计_水箱液位控制系统设计
导读：控制器接受液位测量变送器送来的信号，按某种运算规律进行运算并输出控制信号，控制阀接受控制器的控制信号，最终达到水箱液位的恒定，这样就完成了所要求的控制任务，这些自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接蔡玉的自动控制系统，2．2锅炉进水流量定值控制系统的原理框图，本论文对锅炉进水流量定值控制系统的设计是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元
化，通过检测变送仪表得到其测量值；控制器接受液位测量变送器送来的信号，与设定值相比较得出偏差，按某种运算规律进行运算并输出控制信号；控制阀接受控制器的控制信号，按其大小改变阀门的开度，调整给水量，以克服扰动的影响，使被控变量回到设定值，最终达到水箱液位的恒定。这样就完成了所要求的控制任务。这些自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接蔡玉的自动控制系统。
锅炉进水流量定值控制系统的原理框图
本论文对锅炉进水流量定值控制系统的设计是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、以个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。
简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图表示：
由这个简单控制系统通用的框图设计出锅炉进水流量定值控制系统的原理框
这是单回路锅炉进水流量定值控制系统，单回路调节系统一般指在一个调
节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。
2．3 锅炉进水流量定值控制系统的数学模型
该系统主要是自衡的非振荡过程，即在外部阶跃输入信号作用下，过程原有的平衡状态被破坏，并在外部信号作用下自动的非震荡地稳定到一个新的稳态，这一大类是在工业生产过程中最常见的过程。
（1） 确定过程的输入变量和输出变量
如下图所示，流入锅炉的流量F1是由进料阀1来控制的；流出锅炉的流量
而出料阀的开库是随用户的需要而改F2取决于锅炉液位L和出料阀2的开度，
变的。这里，液位L是被控变量（即输出变量），进料阀1为控制系统中的控制阀，它所控制的进料流量F1是过程的控制输入（即操纵量），出料流量F2是外部扰动。本设计以进料流量F1作为输入变量。
（2）根据过程内在机理，列写原始方程
根据物料平衡关系，当过程处于原有稳定状态是，锅炉液位保持不变，其静态方程为：F10-F20=0（1―6），F10、F20分别为原稳定状态下锅炉的进料流量和出料流量，当进料流量F1突然增大是，锅炉原来的平衡状态被破坏，此时进料量大于出料量，多余的液体在锅炉内储存起来，使其液位升高。设锅炉液
体的储存量为V，则单位时间内出料流量与进料流量之差等于锅炉液体储存量的净增量。其动态方程为：F1-F2=dv（1―7）F1=F10??F1、F2?F20??F1，dt
?F1、?F2分别为F1和F2的增量。设锅炉截面积为A，则有V=AL，其增量形式
dVdL?A（1―8）。将F1=F10??F1、F2?F20??F1和式（1dtdt
d?L―8）代入式（1―7），得F10??F1?F20??F2?A （1―9）。 将式（1―9）dt为dV=AdL，即：
减去式（1―6）可得用新增量形式表示的动态方程式，为：
?F1??F2?Ad?L
（1―10） dt
（3）消去中间变量，简化，求的微分方程式
中间变量式原始方程式中出现的一些既不是输入变量也不是输出变量的工艺变量。式（1―10）中，?F2为中间变量。F2与输出变量L的关系可表示为：
k：比例系数
当只考虑液位与流量均在有限小的范围内变化式，就可以认为出料流量与液位变化呈线性关系。将式（1―11）改写成增量形式：?F2?
2L1，则有： R
（1―12） Rk2L0?L 令?
将式（1―12）代入式（1―10）中，即得
RAd?l??L?R?F1
（1―13） dt
式（1―13）即为锅炉液位过程的数学模型。由此可见，这是一个一阶微风方程，液位过程为一阶过程。将该式写成的一阶过程的微风方程的标准形式：
d?y(t)??y(t)?K?x(t)
（1―14） dt
d?y(t)??y(t)?K?x(t)
（1―15） 或
T为一阶过程的时间常数，T?RC,具有时间量纲；K为一阶过程的放大系数，具有放大倍数的量纲；y(t)为一阶过程的输出变量；x(t)为一阶过程的
输入变量；R
为阻力系数，R=液位的变化量 / 出料流量的变化量；C为容量系数，C=储存的物料变化量/ 液位的变化量。
当被控变量的检测地点与产生扰动的地点之间由一段物料传输距离时，就会出现滞后。在控制过程中，若进料阀安装在与锅炉进料口有一段距离，则当进料阀开度变化而引起进料流量变化后，液体需要经过一段传输时间?0才能流入锅炉，使液位发生变化并被检测出来。显然液体流经这段距离所需时间?0完全是传输滞后造成的。纯滞后一阶过程的微风方程为：
Td?y(t)??y(t)?K?x(t??0) dt
具有纯滞后的一阶过程的特性与放大系数K、时间常数T和纯滞后时间?0有关
综上所述，锅炉进水流量定值控制系统是一个一阶自衡过程，其特性可用放大系数K、时间常数T和纯滞后时间?0这三个特性参数来全面表征。 3
锅炉进水流量定值控制系统的组成
本设计研究的锅炉进水流量定值控制系统是简单控制系统，是使用的族普遍的、结构最简单的一种过程控制系统。所谓的简单控制系统，通常是指一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、一个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统。
3．1 被控制变量的选择
被控变量的选择是控制系统的核心问题，被控变量选择的正确与否是决定控制系统有无价值的关键。对于任何一个控制系统，总是希望其能够在稳定生产操作、增加产品产量、保证生产安全及改善劳动条件等方面发挥作用，如果被控变量学则不当，配备再好的自动化仪表，使用在复杂、先进的控制规律也无用的，都不能达到预期的控制效果。
对于锅炉进水流量定值控制系统，其被控变量是显而易见的，液位就是其被控变量，是直接参数控制。
3．2 执行器的选择
执行器在控制系统中起着极其重要的作用。控制系统的控制性能指标与执
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& & 3.3 实验原理：
& & 实验系统流程图如下图所示。被控量为液位水箱的液位高度，实验要求水箱的液位稳定在给定
& & 值的2%～5%范围内。本装置中共有三路液位同时检测液位水箱的液位高度，可任选一路作
& & 为控制器的反馈信号，本实验选用式压力变送器作为测量液位的反馈信号，与给定量比较后取
& & 得差值，调节器根据偏差来控制电动调节阀的开度，以达到控制水箱液位的目的。为了实现系统在
& & 阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI 或PID 控制，一般在变化量较快的
& & 液位、流量和压力控制参数中，不采用微分控制，微分虽然可以改善动态调节效果，但其对变化较
& & 快参数的抗干扰能力较差。
& & 7. 在实验界面中有&通讯成功&标志，表示计算机已和三块仪表同时建立了通讯关系;若显
& & 示&通讯失败&并闪烁，说明有仪表没有与上位机通讯成功，检查转换器、通讯线以及计算机COM
& & 端口设置是否正确;
& & 8.通讯成功后，按经验法或动态特性参数法等整定调节器参数，选择PI 控制规律，并按整定
& & 后的PI 参数进行调节器参数设置。
& & 9.点击实验界面中&设定值&的数值显示框，在弹出的对话框中填写液位设定值，然后点击&比
& & 例度&&积分时间&&微分时间&，在弹出的对话框中填写对应的比例度、积分时间和微分时间，在实
& & 验界面中点击&自动&按钮，智能调节仪Ⅰ被设置为&自动&状态，仪表内部控制算法启动，打开
& & 离心泵的开关，对被控参数进行闭环控制。
& & 10. 当液位稳定于给定值的2%～5%范围内，且不在超出这个范围后，通过以下几种方式加干
& & ① 突增(或突减)仪表设定值的大小，使其有一个正(或负)阶跃增量的变化(内部扰动);
& & ② 将阀F1-1 旁路阀F1-2 开至适当开度(外部扰动);
& & ③ 改变关联管路的阀门以对系统加入外部扰动，但注意外部扰动加入量应合理，不宜破坏系统
& & 的平衡，超出控制系统的调节能力范围。
& & 以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5%～15%，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不
& & 稳定。通过内部扰动加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位
& & 稳定至新的设定值(采用后面两种干扰方法仍稳定在原设定值)，记录此时的智能仪表的设定值、输
& & 出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图所示。
& & 11. 分别适量改变调节仪的P 及I 参数，重复步骤10，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响
& & 应曲线。
& & 12. 分别用 P、PD、PID 三种控制规律重复上述步骤，用计算机记录不同控制规律下系统的阶
& & 跃响应曲线。
& & 6.2.5 实验报告要求
& & 1.画出单容水箱液位定值控制实验的系统方框图。
& & 2.用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。
& & 3.比较不同PID 参数对系统控制品质产生的影响。
& & 4.分析P、PI、PD、PID 四种控制规律对本实验系统的作用。
& & 5.选择其中一种控制规律计算过渡过程的相关参数。
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