过程控制课程设计—三容水箱液位控制系统的设计

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1、过程控制课程设计一三容水箱液位控制系统的设计过程控制系统课程设计报告三容水箱液位控制系统的设计指导教师：学 生：专 业：自动化班 级： 设计日期：20139 232013.10.111问题描述52建立模型72.1 被控量的选择2.2 操控量的选择2.3 模型的选择 2.3.1 单容水箱数学模型 82.3.2双容水箱的数学模型102.3.3三容水箱的数学模型113算法描述-12选择123.2 控制器设计133.2.2 单回路反馈调节14323 PID调节器15节器参数初值-153.232 PI调节器16襄# 一：护零遐必聯寸z & 幣护詈Id EWE1问题描述饮料工业是改革开放以后发展起来的新兴

2、行业，1982年列为国家计划管理 产品，当年全国饮料总产量40万吨。三十多年来，我国饮料工业从小到大，已 出具规模，成为有一定基础，并能较好地适应市场需要的食品工业重点行业之 一。饮料工业的快速发展，对国民经济建设和提高人民生活质量作出应有的贡 献，饮料已成为人民日常生活中不可缺少的消费食品。图1 2009年中国饮料人均消费量上图为2009年中国饮料人均消费量，其中软饮料的年人均消费量最多，严 格说来，软饮料包含了碳酸饮料、果蔬饮料和水饮料。所以软饮料占据了人们 日常消费的很大一部分，具有很大的发展潜力。如何生产出优质的饮料产品已 经成为饮料行业重要的任务。本次设计以软饮料中的植物蛋白饮料的生

3、产为背 景进行设计。植物蛋白饮料的生产工艺流程图如图2所示。生产过程大致为:原料选取T 浸泡T磨浆T过滤T调配T 一次均质T二次均质T封装T杀菌T成品。其 中过滤、调配、均质均可以在物料罐中进行。其中过滤，调配，均质等均可在 物料罐中进行。在过滤环节将植物如大豆浸泡去皮后加入适量水研磨成浆体， 经离心过滤机过滤分离，除去残余的豆渣和杂质等。调配环节将过滤后的浆体 先加水稀释，然后按比例加配料。均质环节将调配后的浆体经均质机均质，使 浆体进一步破碎，更加细腻。在生产过程中，可以将这三个环节看为一个三容水箱模型来进行相应的控制浸 磨 200目调一次均质泡 浆 过滤配（20MPa）缓二次均质灌装、冲

4、（38MPa）封铝膜罐杀菌图 2 植物蛋白饮料生产流程图现代生产过程中将检测技术，自动控制理论，通信技术和计算机技术结合 在一起组成一套完整的过程控制系统，三容水箱模型简化图如图 3 所示。均质罐F2图 3 三容水箱模型图1、物料从上级进料口进入过滤罐；2、三个物料罐从上至下分别为过滤罐，调配罐和均质罐，三个罐大小相同， 底面积均为 5m 2，高均为 6 m ；3、罐的出口均在罐体侧面底部且出料口直径均为100mm ；4、进料口的压强为定值，即只要控制V1的开度即可控制流进三容箱系统的 物料量，有如下关系：Q = K 卩；其中Q为进料口流入的物料量，K为比例in in系数，卩为阀门的开度。现要

5、设计控制系统控制物料罐F3内液位高度保持与设定值一致，对物料灌 F1 和物料灌 E2 中的液位高度无特殊要求，可将泵保持为全开状态。控制系统 参数如下：（1）三个水箱的截面积：A = A = A = 5m2 ；123（2） 三个水箱的最大深度：h = h = h= 6m ；1max 2 max 3max（3）三个水箱的初始液位：h = h = h = 2m ；4) 三个水箱从高到低依次安置，上一级出水口在下一级进水口上方5) 所有管道直径： d = 100mm, 管道长度对控制的延时影响忽略不计；6) 液位变送器采用 BTY-G 系列光纤液位变送器，测量范围： 0 65m ，输 出：420mA

6、，环境温度：-30100。C ；7) 调节阀采用 ZRQM 系列智能型电动调节阀，输入信号： 0 5V ，输出行程:0 100mm，环境温度：-40 450。C, k =0.012,线性阀阻 R=001229。2 建立模型2.1 被控量的选择被控量的选择是控制系统的方案设计中必须首先解决的重要内容，他的选 择对稳定生产，提高产品的产量和质量，节料节能，改善劳动条件，以及保护 环境都有决定性的意义。而被控量的选择要求设计人员必须根据工艺操作的要 求，找出那些对产品的产量和质量、安全生产、经济运行、环境保护等具有决 定性作用，能很好地反映工艺生产状态变化的参数。在植物蛋白饮料的生产过 程中，控制要

7、求就是使产品达到一定的浓度，充分发挥产品的营养作用。因而 在物料罐内均质后的物料浓度最能反映生产过程的要求，把它作为被控量最好。 但是由于，目前对于成分的检测还存在不少问题，例如，介质本身的物理、化 学性质及使用条件的限制，使准确检测还有困难，取样周期也长，这样往往满 足不了自动控制的要求，故本次设计采用物料罐内物料的液位这个间接参数作 为被控量。2.2 操控量的选择由于本次设计选用物料罐内物料液位作为被控量，故在整个液位控制系统 中最适合作为操纵量的便是物料的流速。它可以直接对均质物料罐内物料的液 位进行控制，同时由于两两相连的物料罐之间的管道长度有限，对生产的延时 影响忽略不计。故本次设计

8、选用物料的流量作为操纵量。2.3模型的选择2.3.1单容水箱数学模型图4所示的就是单容水箱的结构图，图中不断有液体流入水箱，同时也 有液体不断由水箱流出。被控参数为水箱水位hi,流入量Qin由改变阀V的 开度u加以控制流出量Q1则由用户根据需要改变阀2开度来改变。图4单容水箱结构图先分析控制阀开度u与液位hi的数学关系。设初始时刻t=0时，单容水箱 系统处于平衡状态，即有：= Qoin（2-1）血=如（2-2）t=0时刻控制阀开度阶跃增大，流入量Qin阶跃增大即（2-3）这就使馆宀4，液位hi开始上升。随着hi上升，阀V2两侧差压变大， 流出量（也增大，这样在不断的调节下，当少 5时，液位重新

9、稳定在一个全 新高度。在时间内，液体体积变化量为，由守恒定律可得：（/廿=（Qin _ Q= Aidfi（2-4） 化简为:月向I 可=2-5）再改写为增量形式:A也h = BQ阮一AQ2-6）液位hl变化时，设流出单容水箱的夜体的质量为m,流出单容水箱的液体流速 为v，则有rngh = ?nv2（2-7）可得流出单容水箱的液体流速为：i尹（2-8）则流出口的液体流速为：占j或0（2-9） 其中 ki| 7，A1为水箱的底面积这是一个非线性关系，在小偏差条件下可线性化为：兀（2-10）其中是流出阀门V2的流阻。代入式认|可得（2-11）取拉普拉斯变换得到单容水箱控制通道的传递函数，即(2-12

10、)ws）-昭 _砰其中打，小图5单容水箱液位控制框图2.3.2双容水箱的数学模型双容水箱机构图如图6所示，两只串联工作的水箱的流入量Qin由控制阀 V1的开度u加以控制，流出量Q2由用户根据需求改变控制阀3的开度而决定。(2-13)(2-14)(2-15)(2-16) 其中，山，为两个水箱的截面积，R、R为流阻， , 3,心，山1 2都以平衡状态为起始点计算的增量。对以上方程组取拉普拉斯变换得到双容水 箱控制通道的传递函数，即(217)其中；j 7。再根据其传递函数可得双容水箱的控制方框图，如图7所示。图7双容水箱液位控制框图町2.3.3三容水箱的数学模型三容水箱的结构图如图3所示，h3为第三

11、个水箱的液位高度。在双容水箱的控制方框图的基础上可以推导出三容水箱的控制方框图，如 图8所示。与单容水箱液位控制框图对比可以清晰地看出第二级水箱加入到控制系统 中，只是在第一级水箱的液位输出端加入液位与流出流量的传递函数，然后串 接第二级的液位控制的传递函数即可。得到模型后，利用上述参数计算，可得 到如图9的三容水箱控制系统的具体过程传递函数的框图图9三容水箱过程传递函数的框图 以上就是三容水箱数学模型的建立。3算法描述3.1算法选择在过程控制中，液位控制一般采用P调节足够。但是，在本次设计中，三 个水箱（三个一阶惯性环节）依次串联，构成三阶系统，如果仅使用P调节，存在动态响应速度慢、有稳态误

12、差，因而不满足题设中对h进行精确控制的要3求。为消除稳态误差，要采用PI调节，兼顾响应时间，因此算法选择PID。另外，还有一个必须注意的地方：在对h进行控制的同时，h、h也要得到312有效的调节。尤其是容器都有高度限制，因此，h、h的动态响应不能有过大1 2的超调量，否则，液体会溢出容器，严重影响实际生产过程，更达不到对h调3节效果。为了对h、h进行有效控制，本次设计将尝试采用多回路串级调节。1 2其中，内环调节的目的是控制h、h响应更快，超调量更小，从而使提高对h的123控制效果。因此，我们的控制方案是串级控制：对于控制精度要求不高的内环，采用P 调节或超前校正以提高响应速度；对于品质要求高

13、的外环，采用PID或者PI调 节，消除静差，减小调节时间。3.2控制器设计利用MATLAB的Simulink对三容水箱的模型进行仿真，如图9分析阶跃响 应特性。单位阶跃输入作用下，三个水箱液位变化如下图：图10 h阶跃响应曲线图11 h 2阶跃响应曲线图12 h阶跃响应曲线3从图中可以看出，h、h、h的响应时间依次增加，分别为2000s、3000s、1233500s左右。但是h、h、h稳态误差基本相等，对于单位阶跃而言，ess0.02。123可见三容水箱具有由于三个惯性环节串联，响应速度慢，有稳态误差但无超调。 并不符合实际生产的要求。3.2.2单回路反馈调节1、将液位测量装置、控制器、调节阀

14、和三容水箱组成单回路控制系统。仿 真模型如图13,其中控制器设为1。图13三容水箱单回路负反馈控制系统引入反馈之后，阶跃输入下响应效果如图：图14单回路h阶跃响应曲线图15单回路h2阶跃响应曲线图16单回路h阶跃响应曲线3从图中可以看出，h、h、h的调节时间都很长分别为3000s、3750s、4000s123左右，并且都有较大超调量，h的超调量为40%，h的超调量为24%，h的超调123量为12%。并且也没有消除稳态误差，反而是稳态误差增大。对于单位阶跃信号而言三者的稳态误差基本相等，e0.5。可见，单纯的引进反馈回路而不设计s控制器，并不能提高系统性能。3.2.3 PID调节器3.2.31 PID调节器参数初值用Ziegler-Nichols ultimate method设计PID调节器参数初值，利用matlab仿真平台编写程序如下，绘制根轨迹图：G1=tf(0.012,5*81.35 1);G2=tf(1,5*81.35 1);G3=tf(81.35,5*81.35 1);G=G1*G2*G3; rlocus(G) hold onPSrtiiEV flliKW I图17三容水箱模型根轨迹图根