过程控制—上水箱液位与进水流量串级控制系统

目录1 过程控制系统简介 (2)1.1 系统组成 (2)1.2 电源控制台 (3)1.3 总线控制柜 (3)2 实验原理 (4)2.1 单容水箱设备工作原理 (4)2.2 双容水箱设备工作原理 (7)2.3 系统工作原理 (9)2.4 控制系统流程图 (9)3实验结果分析 (11)3.1 实验过程 (11)3.2实验分析 (12)3.2.1单容水箱实验结果分析 (12)3.2.2双容水箱实验结果分析 (14)3.2.3单容双容水箱比较 (16)3.3实验结论 (17)总结 (18)参考文献 (19)1 过程控制系统简介1.1 系统组成本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。

系统动力支路分两路：一路由三相（380V交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、PA电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

1、被控对象水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。

储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。

管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。

2、检测装置压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。

本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。

3、执行机构调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。

它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。

变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。

水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。

可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。

输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。

电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。

电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃。

4、控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型号为315-2DP，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。

5、空气压缩机1.2 电源控制台电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。

仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。

1.3 总线控制柜总线控制柜有以下几部分构成：(1) 控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单元和DP从站供电。

(2) 控制站：控制站主要包含CPU、以太网通讯模块、DP链路、分布式I/O DP从站和变频器DP从站构成。

(3) 温度变送器：PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。

2 实验原理2.1 单容水箱设备工作原理单容实验系统结构图和方框图如图1所示。

被控量为中水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。

将压力传感器LT1检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI 或PID 控制。

图2.1 单容水箱图 (a)结构图 (b)方框图所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。

单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。

一、自衡过程的建摸所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。

图2-1所示为一个单容液位被控过程，其流入量1Q ，改变阀1的开度可以改变1Q 的大小。

其流出量为2Q ，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变2Q 。

液位h 的变化反映了1Q 与2Q 不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程.若1Q 作为被控过程的输入变量,h为其输出变量,则该被控过程的数学模型就是h 与1Q 之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有dt dhA Q Q =-21 (2-1)将公式（2-1）表示成增量式为dt hd A Q Q ∆=∆-∆21 (2-2)在静态时，21Q Q =；当1Q 发生变化时，液位h 随之变化，贮蓄出口处的静压随之变化，2Q 也发生变化。

由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h 与流量之间为非线形关系[2]。

但为了简化起见，经线形变化，则可近似认为2Q 与h 成正比关系，而与阀2的阻力2R 成反比。

为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量2Q 。

消去中间变量的方法很多，如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。

这里，介绍后一种方法。

（a ）图2-2液位被控过程及其阶跃响应单容液位过程的传递函数为：X t 0 0211)()()(001210+=+==s T K Cs R R s Q s H s W (2-3)式中：0T ——过程的时间常数，c 20R T =；0K ——过程的放大系数，20R K =；C ——过程的容量系数，或称过程容量。

被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。

其物理意义:是：引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大小。

图2-2（b ）所示为单容液位被控过程的阶跃响应曲线。

从上述分析可知，液阻2R 不但影响过程的时间常数0T ，而且还影响过程的放大系数0K ，而容量系数C 仅影响过程的时间常数。

在工业生产过程中，过程的纯时延问题是经常碰到的。

如皮带运输机的物料传输过程，管道输送、管道反应和管道的混合过程等。

下面讨论纯时延过程的建模。

图2-3 纯时延单容过程及其响应曲线图2-3所示，流量1Q 通过长度为l 的管道流入贮罐。

当进水阀开度产生扰动后，1Q 需要流经管道长度为l 的传输时间0t 后才流入贮罐，才使液位h 发生变化。

具有纯时延单容过程的阶跃响应曲线如图2-2曲线2所示，它与无时延单容过程的阶跃响应曲线在形状上完全相同，仅差一纯时延0t 。

具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为)(0100t T Q K h dt h d T -=∆+∆s t s 0e 1T K (s)Q H(s)(s)W 0010-+==(2-4)式中：0T ——过程的时间常数，c 20R T =；0K ——过程的放大系数，20R K =；0t ——过程的纯时延时间。

二、无自衡过程的建模所谓无自衡过程，是指过程在扰动的作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身能力不能重新恢复平衡的过程。

2.2 双容水箱设备工作原理双容实验系统结构图和方框图如图1所示。

被控量为上水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。

将压力传感器LT1检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI 或PID 控制。

图2.5 双容水箱图 (a)结构图 (b)方框图主调节器 电动阀 上水箱 中水箱 液位变送器h （液位） 一次干扰 二次干扰 给定值 + - + Q1在工业生产过程中，被控过程往往是由多个容积和阻力构成，这种过程称为多容过程。

现在，以具有自衡能力的双容过程为例，来讨论其建立数学模型的方法。

其被控量是第二只水箱的液位2h ，输入量为1Q 与上述分析方法相同，根据物料平衡关系可以列出下列方程 dth d C Q Q 1121∆=∆-∆ (2-5) 212R h Q ∆=∆ (2-6) dt h d C Q Q 2232∆=-∆ (2-7) 323R h Q ∆=∆ (2-8)为了消去双容过程的中间变量1h 、2Q 、3Q ，将上述方程组进行拉氏变换。

)1)(1()()()(210120++==s T s T K s Q s H s W (2-9) 式中：1R ——第一只水箱的时间常数，121C R T =；2T ——第二只水箱的时间常数，322R C T =；0K ——过程的放大系数，30R K =；21C ,C ——分别是两只水箱的容量系数。

流量1Q 有一阶跃变化时，被控量2h 的响应曲线。

与单容过程比较，多容过程受到扰动后，被控参数2h 的变化速度并不是一开始就最大，而是要经过一段时延之后才达到最大值。

即多容过程对于扰动的响应在时间上存在时延，被称为容量时延。

产生容量时延的原因主要是两个容积之间存在阻力，所以使2h 的响应时间向后推移。

容量时延可用作图法求得，即通过2h 响应曲线的拐点D 作切线，与时间轴相交与A ，与2h 相交与C ，C 点在时间轴上的投影B ，OA 即为容量时延时间c t ，AB 即为过程的时间常数T 。

对与无自衡能力的双容过程，被控量为2h ，输入量为1Q 。

1Q 产生阶跃变化时，液位2h 并不立即以最大的速度变化，由于中间具有容积和阻力。

2h 对扰动的响应有他、一定的时延和惯性。

)1(11)()()(0120+==Ts s T s Q s H s W (2-10) 式中：T 0——过程积分时间常数，T 0 = C 2；T ——第一只水箱的时间常数。

同理，无自衡多容过程的数学模型为n Ts s T s W )1(11)(00+= (2-11) 当然无自衡多容过程具有纯时延时，则其数学模型为s t n e Ts s T s W 0)1(11)(00-+=(2-12) 2.3 系统工作原理本系统的主控量为上水箱的液位高度H ，副控量为气动调节阀支路流量Q ，它是一个辅助的控制变量。

系统由主、副两个回路所组成。

主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量H 等于给定值，因而系统的主调节器应为PI 或PID 控制。

副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量H 的控制目的，因而副调节器可采用P 控制。

但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI 控制规律。