液体流量串级控制系统设计方案

前言

过程控制是指在生产过程中，运用合适的控制策略，采用自动化仪表及系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动，使生产过程在不同程度上自动地运行，所以过程控制又被称为生产过程自动化，广泛应用于石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、建材、原子能等领域。过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度以及PH值等这样一些过程变量的控制系统。过程控制是提高社会生产力的有力工具之一。它在确保生产正常运行，提高产品质量，降低能耗，降低生产成本，改善劳动条件，减轻劳动强度等方面具有巨大的作用。

单回路控制系统是过程控制中结构最简单、最基本、应用最广泛的一种形式，它解决了工业生产过程中大量的参数定值控制问题。但是，随着现代工业生产过程向着大型、连续、和强化方向发展，对操作条件、控制精度、经济效益、安全运行、环境保护等提出了更高的要求。此时，单回路控制系统往往难以满足这些要求。为了提高控制品质，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统。而串级控制就是其中一种提高控制品质的有效方案。

本毕业设计课题针对液位对象浅述了串级控制系统的主要设计方法和步骤，虽然只是串级控制系统的一个简单的应用例子，但也初步综合了自动控制原理、过程控制、检测与转换技术、组态软件等自动控制专业的知识，对于提高对专业知识的认识水平、培养实践动手能力有重要意义。

本论文共分为五章：第一章为概述；第二章为总体方案的设计；第三章叙述了控制系统的控制规律的确定；第四章介绍了实际控制系统的运行与调试；第五章为论文的结论、讨论和建议。

本课题的设计和论文的编写得到了尹绍清老师的指导，在此表示衷心的感谢。

第一章概述

§1.1 本毕业设计课题研究的意义

随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下，简单的单回路控制已经难以满足一些复杂的控制要求。在单回路控制方案基础上提出的串级控制方案，则对提高过程控制的品质有极为明显的效果。串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好，而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现，所以，串级控制是一种易于实现且效果又较好的控制方法，在生产过程中的应用也比较普遍。

本毕业设计课题讨论了一个简单的液位—流量串级控制系统的设计方法及步骤。液位和流量是工业生产过程中最常用的两个测控参数，因此本毕业设计课题具有较大的现实意义。而且通过综合应用自动控制专业的各门课程知识，有助于加深对专业知识的理解，提高专业理论水平，并培养实践动手能力，为今后走上工作岗位打下坚实的基础。

§1.2 本论文的目的和内容

1.2.1 目的

通过毕业设计，加深对所学传感器技术、转换技术、电子技术、自动控制原理以及过程控制的基本原理、基本知识的理解和应用，掌握串级控制系统的设计步骤和方法，掌握工程整定参数方法，培养创新意识，增强动手能力，为今后工作打下一定的理论和实践基础。

1.2.2 内容

一、题目

液位——流量串级控制系统

二、设计指标

液位在0～500mm内给定一个值， ＜5%，稳定时间＜300s,稳态误差≤∣±2mm∣。

三、作者的主要任务

以严谨的态度对待毕业设计，认真复习有关基础理论和技术知识，认真查阅参考资料，仔细分析被控对象的工作原理、特性以及控制要求。能在指导老师的帮助下解决设计中的各种问题，按计划完成毕业设计各阶段的任务，使设计的系统的各项指标达到要求。重视理论与实际结合，写好毕业论文。并以积极、认真的态度参加毕业设计答辩。

第二章总体方案的设计

§2.1 本控制系统在实际应用中的重要意义及现有的一些方案进行比较与选择的论述

单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求，因此，它是一种最基本的、使用最广泛的控制系统。但是也有另外一些情况，譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制，而工艺对调节质量的要求又很高；或者调节对象的动态特性虽然并不复杂，但控制的任务却比较特殊，则单回路控制系统就无能为力了。另外，随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，而串级控制系统就是其中一种改善和提高控制品质的极为有效的控制系统。

液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。液位的时间常数T一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。而串级控制系统可以用一般常规仪表来实现，成本增加也不大，却可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。一般情况下，流量是影响液位的主要因素，其时间常数较小，将它纳入副回路进行控制，不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰，而且使系统工作频率提高，能够对液位实行较快的控制。

当然，还有一些其它的克服大容积迟延的控制方案，例如前馈控制、大迟延滞后补偿控制。但这两种控制方案较难用一般常规仪表来实现，在经济性和简便性上不如串级控制，一般用在其它有特殊要求的控制系统中。

§2.2 本控制系统的总体方框图及工作过程

2.2.1 被控对象的分析

一、被控对象的构成图

被控对象为图2.1中所示液位对象。

图2.1

二、被控对象的工作原理、传递函数及理论推导如下：

单容水箱如图2.1所示，Qi 为入口流量，由调节阀开度μ加以控制，出口流量则由电磁阀控制产生干扰。被调量为水箱中的水位H,它反映水的流入与流出量之间的平衡关系。现在分析水位在电磁阀开度扰动下的动态特性。显然，在任何时刻水位的变化均满足下述物料平衡方程：

()1i o dH Q Q dt F

=- （2.1） 其中 i Q k μμ= （2.2）

o Q = （2.3）

F 为水箱的横截面积；k μ是决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；k 是与电磁阀开度有关的系数，在固定不变的开度下，k 可视为常数。

将（2.2）、（2.3）两式代入式（2.1）得

(1dH k dt F μμ=- （2.4） 上式是一个非线性微分方程。这个非线性给下一步的分析带来很大的困难，但如果水位始终保持在其稳态值附近很小的范围内变化，那就可以将上式加以线性化。为此，首先把原始的平衡方程改写成增量形式，其方法如下。

在过程控制中，描述各种动态环节的动态特性最常用的方式是阶跃响应，这意味着在扰动发生以前，该环节原处于稳定平衡状态，对于上述水箱来说，在起始的稳定平衡状态下，平衡方程（2.1）变为

()0010i o Q Q F

=- （2.5） 上式说明在稳定平衡状态下，因入口流量0i Q 必然等于出口流量0o Q ，故水位变化速度为零。

将（2.1）、（2.5）两式相减，并以增量形式表示各个量偏离其起始稳态值的程度，即

0H H H ?=-，0i i i Q Q Q ?=-，0o o o Q Q Q ?=- （2.6）

那么就得到

()1i o d H Q Q dt F

?=?-? （2.7） 它就是平衡方程（2.1）的增量形式。考虑水位只在其稳态值附近的小范围变化，故由式（2.3）可以近似认为

o Q H ?=

（2.8） 则式（2.7）变为

1i d H Q H dt F ???=? ? ???

或

i d H F H Q dt ??+?=????

（2.9） 如果各变量都以自己的稳态值为起算点，即

000i H Q ==

则可去掉上式中的增量符号，直接写成

i dH F H dt ?+=????

（2.10） 因假定000i H Q ==，则对微分方程（2.10）进行拉普拉斯变换可得

(

)()1i Fs H s s ?+=????

（2.11） 将式（2.11）改写成如下形式

()(

)i H s Q s = （2.12） 式（2.12）即液位对象的传递函数。

2.2.2 检测转换元件的选择、性能参数

本系统需要使用的检测转换元件为流量检测转换元件和液位检测转换元件，下面分别讨论两种检测转换元件的类别及对其的选择。

一、流量检测转换元件

在工程上，流量是指单位时间内通过管道某一截面的物料数量，其常用的计量单位有以下三种：

1）体积流量Q 单位时间内通过某一截面的物料体积，用立方米每小时（m 3/h ）,升每小时（l/h ）等单位表示。

2）重量流量G 单位时间内通过某一截面的物料的重量，一般用公斤力每小时（Kgf/h ）表示。

3）质量流量M 单位时间内通过某一截面的物料的质量，可用公斤每小时（Kg/h ）表示。

上述三种流量之间的关系为

M=ρQ (2.13)

G Q gQ gM γρ=== (2.14)

式中，ρ是流体密度；γ是流体重度；g 是重力加速度。

流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多。下面按照目前最流行、

最广泛的分类法,即分为:容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计来分别阐述各种流量计的原理、特点。

（1）差压式流量计

差压式流量计由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件形式对差压式流量计分类,如孔板流量计、文丘利流量计、均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计,差压变送器及流量显示仪表。差压式流量计的检测件按其作用原理可分为:节流装置、水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式几大类。

差压式流量计的原理是：根据伯努利能量方程，当流体流经管道中的节流装置(如孔板)时,流束将在节流装置处形成局部收缩,流速增加,静压力降低,在节流装置前后产生微小的静压力差（称为差压）。流体的流速越快，节流装置前后产生的差压也越大,从而可以通过测量差压来间接测量流量的大小。

图2.2

图2.2所示为孔板式的节流元件，理论分析与实验表明，孔板两侧的压力差，即ΔP=P1-P2与质量流量M之间有如下关系：

==(2.15)

M c p

其中K c

=(2.16)

式(2.15)表明，流量M 与差压ΔP 的平方根成正比。式(2.16)中的ρ为流体密度；β与S 为孔板的尺寸参数;c 为流出系数，由实验决定。

式(2.15)与式(2.16)均指液体介质。而对于蒸汽或气体，也有类似的关系。只是需要改写液体密度ρ为气体密度1ρ并加入气体膨胀修正系数ε。但在具体的应用条件下，这些参数都是固定不变的，所以归结于式(2.16)的常系数K 。

优点:(1)应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长；(2)应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟；

缺点:(1)测量精度普遍偏低；(2)范围度窄,一般仅3:1～4:1；(3)现场安装条件要求高；(4)压损大(指孔板、喷嘴等)。

（2）浮子流量计

浮子流量计,又称转子流量计,是变面积式流量计的一种, 它主要由两个部分组成，一个是由下往上逐渐扩大的锥形管；另一个是锥形管内的可自由运动的转子。利用流体通过转子和管壁之间的间隙时产生的差压来平衡转子的重量，流量愈大，转子被托起得愈高，使其有更大的环隙面积，也即环隙面积随流量变化，所以一般称为面积法。

图2.3

若用0A 代表转子与锥形管间环隙的截面积，用R C 代表校正因素，流过转子流量计的流体的体积流量为:

0V R Q uA C A == (2.17)

质量流量为:

0m R Q u A C A ρ== (2.18)

对于一定的转子流量计，R C 为常数。

测量液体的转子流量计，制造厂是在常温下用水标定的，若使用时被测介质不是水而是其它液体，则由于密度不同必须对流量计的刻度进行修正或重新标定。对一般介质，当温度和压力改变时，流体的粘度变化不大，故可通过下式对流体的体积流量进行修正：

V V =标实 (2.19)

式中：V 实：被测介质实际流量，单位m 3/s ；V 标：用水标定时的刻度流量，

单位m 3/s ；f ρ：转子材料的密度，单位kg/m 3；ρ：被测流体的密度，单位kg/m 3；ρ水：标定条件下（20℃）水的密度，单位kg/m 3。

浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计,特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。

特点:(1)玻璃锥管浮子流量计结构简单,使用方便，缺点是耐压力低,有玻璃管易碎的较大风险；(2)适用于小管径和低流速；(3)压力损失较低。

（3）容积式流量计

容积式流量计,又称定排量流量计,简称PD 流量计,在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,

根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。 容积式流量计按其测量元件分类,可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。

图2.4

图2.4所示为椭圆齿轮流量计的原理图。椭圆齿轮流量计由金属壳体和一对