过程控制之液位流量串级控制系统

1.1控制系统在实际应用中的重要意义

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。但在复杂的控制系统中，则需在单回路的基础上，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。而串级控制系统则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。

1.2 系统结构设计

过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次为流量回路控制，即为闭环控制系统，结构组成如下图1.1所示。

图1.1 液位单回路控制系统框图

当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。其过程控制系统图如图1.2所示。

图1.2 控制系统框图

1.3控制系统的总体方框图及工作过程

图1.3控制系统框图

单容水箱如图1.2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：

()1

i o dH Q Q dt F

=- （1.1）其中 i Q k μμ= （1.2）

o Q =（1.3）

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。

液位对象的传递函数: ()(

)i H s Q s =

2.1 控制规律的比较与选择

2.1.1 常见控制规律的类型及优缺点比较

PID 控制的各种常见的控制规律如下：一、比例调节（P 调节）

在P 调节中，调节器的输出信号()u t 与偏差信号()e t 成比例，即