水箱液位控制系统设计方案.doc

毕业设计 题 目：水箱液位控制系统设计 系 别：电气工程系 专 业：电气自动化 目 录 任务书 2 摘要 3 1 绪论 4 1.1 过程控制的定义 4 1.2 过程控制的目的 4 1.3 过程控制的特点 5 1.4 过程控制的发展与趋势 5 2 水箱液位控制系统的原理 6 2.1 人工控制与自动控制 6 2.2 水箱液位控制系统的原理框图 7 2.3 水箱液位控制系统的数学模型 8 3 水箱液位控制系统的组成 11 3.1 被控制变量的选择 11 3.2 执行器的选择 11 3.3 PID控制器的选择 15 3.4 液位变送器的选择 17 4 PID控制规律 18 4.1 比例控制 18 4.2 积分控制 21 4.3 微分控制 21 4.4 比例积分控制 21 4.5 比例积分微分控制 22 5 应用实例 22 5.1 液位控制在厕所中的应用 22 5.2 液位控制在汽车上的应用 23 总结 24 致谢 25 参考文献 25 摘要????在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题,?例如居民生活用水的供应,?饮料、食品加工,?溶液过滤,?化工生产等多种行业的生产加工过程,?通常需要使用蓄液池,?蓄液池中的液位需要维持合适的高度,?既不能太满溢出造成浪费,?也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。?PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。????本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，调节阀为电动调节阀。选用的器件设备、控制方案和算法，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。 如果采用检测仪表和自动控制装置来代替人工控制，就成为过程控制系统。在自动控制示意图中，当系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，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。 2．2 水箱液位控制系统的原理框图 本论文对水箱液位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水箱液位控制系统的原理框图如下： 这是单回路水箱液位控制系统，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 水箱液位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，流入水箱的流量是由进料阀1来控制的；流出水箱的流量取决于水箱液位L和出料阀2的开度，而出料阀的开库是随用户的需要而改变的。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是过程的控制输入（即操纵量），出料流量是外部扰动。本设计以进料流量作为输入变量。 （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，水箱液位保持不变，其静态方程为：-=0（1—6），、分别为原稳定状态下水箱的进料流量和出料流量，当进料流量突然增大是，水箱原来的平衡状态被破坏，此时进料量大于出料量，多余的液体在水箱内储存起来，使其液位升高。设水箱液体的储存量为V，则单位时间内出料流量与进料流量之差等于水箱液体储存量的净增量。其动态方程为：-=（1—7）=、，、分别为和的增量。设水箱截面积为A，则有