前馈反馈水箱控制系统设计

课程设计

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目录

一设计方案的介绍 (4)

二、工艺流程 (5)

三、前馈反馈控制的理论 (5)

四、设仪器仪表的选型 (5)

1、控制装置的选择 (5)

2、监测仪表 (6)

3、控制阀的选型 (6)

五、测量与控制端连接表 (7)

六、参数的整定 (7)

1、静态放大系数K F的整定 (7)

2、控制器参数的选择 (8)

七、总结 (9)

八、参考文献 (10)

九、附录

一设计方案的介绍

设计采用前馈反馈控制来实现水箱的液位控制。其中前馈控制可以补偿干扰对被控变量的扰动，前馈控制之后产生的余差则可以通过反馈控制进行修正，达到要求的控制精度。被控变量为水箱的液位，控制变量为水的流量。

采用两个支路，其中第一个支路为主回路，包括一个水泵（采用变频器变频控制电机模拟流量扰动），涡轮流量计；第二个支路为控制补偿回路，包括一个水泵（输出流量恒定），电动控制阀。除此之外在反馈回路中还需要一个液位测量仪表和PID控制仪表一台。前馈控制在不考虑控制通道与对象通道延迟，而且支路一流量可以准确的测量，需要一个PID控制仪表。前馈控制信号和反馈控制信号通过一个加法器连接，实现对控制阀的控制。

前馈反馈系统结构框图 1

前馈反馈控制系统原理图 2

二工艺流程

水箱液位的控制主要是控制水箱中的液位在要求的精度范围内。

一号水泵作为动力源给水的输送提供动力，进入水箱。并用变频器控制一号水泵用来模拟流量上产生的扰动。

二号水泵为补偿回路提供动力，为水箱提供水补偿。当扰动产生后，通过前馈控制调节阀对扰动产生补偿。补偿后产生的余差再通过反馈控制控制调节阀进行调节。

三前馈反馈控制的原理

前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现并能被测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者在被调量发生偏差之前抵消。因此，前馈调节对干扰的客服比反馈调节及时。但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。如果前馈支路出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在反馈支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。而不需要经过调节器。

四仪器仪表的选型

1、控制装置的选择

由于不是大型生产过程，对自动化水平要求不高，所以选择采用常规仪表控制。考虑到价格、实用性等因素，选择数字化、智能化的国产电动控制仪表。如果考虑控制仪

表要满足工艺对生产过程的监测、控制和安全保护等方面的要求，需要考虑安全栅的使用。此处选用白城市顺达仪表有限公司生产的SD-600型智能数显PID调节仪表，关于SD-600调节仪表的详细说明如下：

2.性能特点：

全功能信号输入；可为变送器提供DC24V馈电输出；高性能开关电源供电。；用户可以对参数进行自由设定；两路独立报警器，拥有多种基本报警方式。；具有掉电保护功能，用户设置的参数掉电后能长期保存。掉电时保存输出功率，上电时从仪表输出的功率为前一次掉电时保存的输出功率；全数字自动调校保证长期稳定性；自修正A/D转换器、高精度、低漂移、长期稳定性好；可实现手动/自动控制的切换，切换是无扰动的。

2、监测仪表

根据设计的需要的检测仪表类型为：流量测量仪表，液位测量仪表。

1、流量监测仪表的选择

设计中将选用涡轮流量计来测量流量。选用北京华德世纪科技发展有限公司生产的LWGY-15型涡轮流量传感器。LWGY型涡轮流量传感器是一种精密液体流量仪表，适用于测量低粘度的介质如水，柴油，汽油等，广泛用于石油、化工、冶金、供水、造纸、科研等领域的计量与控制。关于LWGY-15型涡轮流量传感器的详细介绍如下：高精度：0.5%FS，1%FS，部分产品最高可达0.2%FS；最小口径可达：2mm, 测量准确稳定；有耐磨型和耐腐蚀型可供选择；耐压型：最高耐压可达35Mpa,解决工业过程中大压力的难题；标准产品适用于测量与不锈钢iCr18Ni9Ti、2Cr13及刚玉、硬质合金不起腐蚀作用，且无纤维、颗粒等杂质的液体；高粘度液体可现场进行实液标定后使用，以便保证最高精度；可根据要求定做非标准产品，如低温、高压、高温产品

2、液位测量仪表

在设计需要中，介质为水，所以选用差压式的测量仪表即可。其中差压式的测量仪表可分为投入式、法兰式、插入杆式三种。投入式的适用于非密闭场合液体液位的检测；法兰式的适用于非密闭场合，尤其是粘稠或浆状介质和浆状强腐蚀性液体液位的测量。根据设计的需要，可选用投入式差压液位测量仪表。

设计中采用北京泰威智达仪表科技有限公司生产的TV815投入式静压液位计。有关TV815投入式静压液位计的详细介绍如下：TV815两线制静压投入式静压液位计采用进口高稳定性硅压阻传感器，配合高性能专用集成电路，经严格的工艺过程装配而成。具有精度高、抗过载力强、稳定性好等特点。该系列变送器还具有标准的保护功能，以防

止浪涌电压、射频干扰、过电压和反极性保护，以确保高可靠性。从而可以广泛地用于非密封场合（敞口容器）的液位测量，如大坝、水电站、高层水箱、冷却塔、污水处理池、泵站、水厂、水文地质、石油化工、河流监测等领域。

3、控制阀的选型

1.合理选用阀型和阀体、阀内件的材质。主要从被控流体的种类、腐蚀性和粘度、流体的温度、压力、最大和最小流量及正常流量时的压差等因素来确定。

2.正确确定控制阀的口径。阀的口径确定是根据工艺提供的有关参数，计算出流量系数来确定。

3.选择合适的流量特性。控制阀的流量特性，考虑对系统的补偿及管路阻力情况来确定。

4.控制阀的开闭形式确定。开闭形式的确定主要是从生产安全角度出发来考虑。当阀上控制信号或气源中断时，应避免损坏设备和伤害人员。如事故情况下控制阀处于关闭位置时危害较小，则选用气开式，反之，应选用气闭式。

综上所述，控制阀选用直通单座阀，设计中选用上海标柏阀门有限公司生产的ZDLP 电子式电动单座调节阀。 ZDLP精小型电子式电动单座调节阀,由PS系列和3610系列直行程电动执行机构和低流阻直通单座阀组成。电动执行机构为电子式一体化结构，内有伺服放大器,输入控制信号(4-20mADC或1-5VDC)及电源即可控制阀门开度,达到对压力、流量、液位、温度等工参数的调节。具有动作灵敏、连线简单、流量大、体积小、调节精度高等特点。

五测量与控制端连接表

六参数的整定

1、静态放大系数K F的整定

1)开环整定法