1、過程控制系統課程設計報告三容水箱液位控制系統的設計指導教師：黃毅卿學 生：專 業： 自 動 化班 級： 目錄 1 問題描述12 建立模型32.1被控量的選擇32.2操控量的選擇32.3模型的選擇3單容水箱數學模型3雙容水箱的數學模型5三容水箱的數學模型73 算法描述83.1算法選擇83.2控制器設計8單回路反饋調節103.2.3 PID調節器11 PID調節器參數初值113.2.3.2 PI調節器12 PID調節器133.2.4 串級反饋調節154 參考文獻201 問題描述飲料工業是改革開放以后發展起來的新興行業，1982年列為國家計劃管理產品，當年全國飲料總產量40萬噸。三十多年來，我國飲料

2、工業從小到大，已出具規模，成為有一定基礎，并能較好地適應市場需要的食品工業重點行業之一。飲料工業的快速發展，對國民經濟建設和提高人民生活質量作出應有的貢獻，飲料已成為人民日常生活中不可缺少的消費食品。圖1 2009年中國飲料人均消費量上圖為2009年中國飲料人均消費量，其中軟飲料的年人均消費量最多，嚴格說來，軟飲料包含了碳酸飲料、果蔬飲料和水飲料。所以軟飲料占據了人們日常消費的很大一部分，具有很大的發展潛力。如何生產出優質的飲料產品已經成為飲料行業重要的任務。本次設計以軟飲料中的植物蛋白飲料的生產為背景進行設計。 植物蛋白飲料的生產工藝流程圖如圖2所示。生產過程大致為：原料選取浸泡磨漿過濾調配

3、一次均質二次均質封裝殺菌成品。其中過濾、調配、均質均可以在物料罐中進行。其中過濾，調配，均質等均可在物料罐中進行。在過濾環節將植物如大豆浸泡去皮后加入適量水研磨成漿體，經離心過濾機過濾分離，除去殘余的豆渣和雜質等。調配環節將過濾后的漿體先加水稀釋，然后按比例加配料。均質環節將調配后的漿體經均質機均質，使漿體進一步破碎，更加細膩。在生產過程中，可以將這三個環節看為一個三容水箱模型來進行相應的控制。 圖2 植物蛋白飲料生產流程圖現代生產過程中將檢測技術，自動控制理論，通信技術和計算機技術結合在一起組成一套完整的過程控制系統，三容水箱模型簡化圖如圖3所示。 圖3 三容水箱模型圖1、物料從上級進料口進

4、入過濾罐；2、三個物料罐從上至下分別為過濾罐，調配罐和均質罐，三個罐大小相同，底面積均為5，高均為6；3、罐的出口均在罐體側面底部且出料口直徑均為；4、進料口的壓強為定值，即只要控制V1的開度即可控制流進三容箱系統的物料量，有如下關系：；其中為進料口流入的物料量，為比例系數，為閥門的開度。現要設計控制系統控制物料罐F3內液位高度保持與設定值一致，對物料灌F1和物料灌E2中的液位高度無特殊要求，可將泵保持為全開狀態。控制系統參數如下：（1） 三個水箱的截面積：；（2） 三個水箱的最大深度：；（3） 三個水箱的初始液位：；（4） 三個水箱從高到低依次安置，上一級出水口在下一級進水口上方（5） 所有

5、管道直徑：，管道長度對控制的延時影響忽略不計；（6） 液位變送器采用BTY-G系列光纖液位變送器，測量范圍：，輸出：，環境溫度：；（7） 調節閥采用ZRQM系列智能型電動調節閥，輸入信號：，輸出行程：，環境溫度：,=0.012，線性閥阻R=0.01229。2 建立模型2.1被控量的選擇 被控量的選擇是控制系統的方案設計中必須首先解決的重要內容，他的選擇對穩定生產，提高產品的產量和質量，節料節能，改善勞動條件，以及保護環境都有決定性的意義。而被控量的選擇要求設計人員必須根據工藝操作的要求，找出那些對產品的產量和質量、安全生產、經濟運行、環境保護等具有決定性作用，能很好地反映工藝生產狀態變化的參數

6、。在植物蛋白飲料的生產過程中，控制要求就是使產品達到一定的濃度，充分發揮產品的營養作用。因而在物料罐內均質后的物料濃度最能反映生產過程的要求，把它作為被控量最好。但是由于，目前對于成分的檢測還存在不少問題，例如，介質本身的物理、化學性質及使用條件的限制，使準確檢測還有困難，取樣周期也長，這樣往往滿足不了自動控制的要求，故本次設計采用物料罐內物料的液位這個間接參數作為被控量。2.2操控量的選擇由于本次設計選用物料罐內物料液位作為被控量，故在整個液位控制系統中最適合作為操縱量的便是物料的流速。它可以直接對均質物料罐內物料的液位進行控制，同時由于兩兩相連的物料罐之間的管道長度有限，對生產的延時影響忽

7、略不計。故本次設計選用物料的流量作為操縱量。2.3模型的選擇2.3.1單容水箱數學模型圖4所示的就是單容水箱的結構圖，圖中不斷有液體流入水箱，同時也有液體不斷由水箱流出。被控參數為水箱水位h1，流入量Qin由改變閥V1的開度u加以控制流出量Q1則由用戶根據需要改變閥2開度來改變。圖4 單容水箱結構圖先分析控制閥開度u與液位h1的數學關系。設初始時刻t=0時，單容水箱系統處于平衡狀態，即有： （2-1） （2-2）t=0時刻控制閥開度階躍增大，流入量Qin階躍增大即 （2-3）這就使 ，液位h1開始上升。隨著h1上升，閥V2兩側差壓變大，流出量也增大，這樣在不斷的調節下，當時，液位重新穩定在一個

8、全新高度。在時間內，液體體積變化量為，由守恒定律可得： （2-4）化簡為： （2-5）再改寫為增量形式： （2-6）液位h1變化時，設流出單容水箱的夜體的質量為m，流出單容水箱的液體流速為v，則有 （2-7）可得流出單容水箱的液體流速為： （2-8）則流出口的液體流速為：或 （2-9）其中，A1為水箱的底面積這是一個非線性關系，在小偏差條件下可線性化為： （2-10）其中 是流出閥門V2的流阻。將 ， 代入式 可得 （2-11）取拉普拉斯變換得到單容水箱控制通道的傳遞函數，即 （2-12）其中， 圖5 單容水箱液位控制框圖雙容水箱的數學模型雙容水箱機構圖如圖6所示，兩只串聯工作的水箱的流入量Q

9、in由控制閥V1的開度u加以控制，流出量Q2由用戶根據需求改變控制閥3的開度而決定。圖6 雙容水箱結構圖參考單容水箱的數學模型，根據守恒定律可列出下列方程： （2-13） （2-14） （2-15） （2-16）其中，為兩個水箱的截面積,、為流阻，都以平衡狀態為起始點計算的增量。對以上方程組取拉普拉斯變換得到雙容水箱控制通道的傳遞函數，即 （2-17）其中， 。再根據其傳遞函數可得雙容水箱的控制方框圖，如圖7所示。 Q2(s) H2(s)Kuu(s) Q1(s) - - Q3(s)圖7 雙容水箱液位控制框圖2.3.3三容水箱的數學模型三容水箱的結構圖如圖 3所示，h3為第三個水箱的液位高度。在

10、雙容水箱的控制方框圖的基礎上可以推導出三容水箱的控制方框圖，如圖 8所示。H3Ku Qin(s) Q1(s) Q2(s) u(s) + + + - - - 圖8 三容水箱液位控制框圖與單容水箱液位控制框圖對比可以清晰地看出第二級水箱加入到控制系統中，只是在第一級水箱的液位輸出端加入液位與流出流量的傳遞函數，然后串接第二級的液位控制的傳遞函數即可。得到模型后，利用上述參數計算，可得到如圖9的三容水箱控制系統的具體過程傳遞函數的框圖圖9 三容水箱過程傳遞函數的框圖以上就是三容水箱數學模型的建立。3 算法描述3.1算法選擇在過程控制中，液位控制一般采用P調節足夠。但是，在本次設計中，三個水箱（三個一

11、階慣性環節）依次串聯，構成三階系統，如果僅使用P調節，存在動態響應速度慢、有穩態誤差，因而不滿足題設中對進行精確控制的要求。為消除穩態誤差，要采用PI調節，兼顧響應時間，因此算法選擇PID。另外，還有一個必須注意的地方：在對進行控制的同時，、也要得到有效的調節。尤其是容器都有高度限制，因此，、的動態響應不能有過大的超調量，否則，液體會溢出容器，嚴重影響實際生產過程，更達不到對調節效果。為了對、進行有效控制，本次設計將嘗試采用多回路串級調節。其中，內環調節的目的是控制、響應更快，超調量更小，從而使提高對的控制效果。因此，我們的控制方案是串級控制：對于控制精度要求不高的內環，采用P調節或超前校正以

12、提高響應速度；對于品質要求高的外環，采用PID或者PI調節，消除靜差，減小調節時間。3.2控制器設計 利用MATLAB的Simulink 對三容水箱的模型進行仿真，如圖9分析階躍響應特性。單位階躍輸入作用下，三個水箱液位變化如下圖：圖10 階躍響應曲線圖11 階躍響應曲線圖12 階躍響應曲線 從圖中可以看出，、的響應時間依次增加，分別為2000s、3000s、3500s左右。但是、穩態誤差基本相等，對于單位階躍而言，ess0.02。可見三容水箱具有由于三個慣性環節串聯，響應速度慢，有穩態誤差但無超調。并不符合實際生產的要求。3.2.2單回路反饋調節1、.將液位測量裝置、控制器、調節閥和三容水箱

13、組成單回路控制系統。仿真模型如圖13，其中控制器設為1。圖13 三容水箱單回路負反饋控制系統引入反饋之后，階躍輸入下響應效果如圖：圖14 單回路階躍響應曲線圖15 單回路階躍響應曲線圖16 單回路階躍響應曲線從圖中可以看出，、的調節時間都很長分別為3000s、3750s、4000s左右，并且都有較大超調量，的超調量為40%，的超調量為24%，的超調量為12%。并且也沒有消除穩態誤差，反而是穩態誤差增大。對于單位階躍信號而言三者的穩態誤差基本相等，。可見，單純的引進反饋回路而不設計控制器，并不能提高系統性能。 PID調節器.1 PID調節器參數初值用Ziegler-Nichols ultimat

14、e method 設計PID調節器參數初值，利用matlab仿真平臺編寫程序如下，繪制根軌跡圖：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 on圖17 三容水箱模型根軌跡圖根據三容水箱模型的根軌跡圖可知臨界增益，臨界頻率.所以。.2 PI調節器在過程控制中，通常只需要在設定液位的某個范圍內保持液位恒定就可以了。流速并不是一個值得很關心的因素。在過程中，它自身就有一個積分行為。而且，如果流動速率被當做操控變量，那么控制器的設定必須要限制流動速率以避免突然的溢出。

15、因此簡單的P調節控制器通常就適用了。但是由于本次設計中，對于的控制要求精確，故采用PI調節來達到實際生產目的。 根據Ziegler-Nichols ultimate method可知 (3-1) (3-2)故控制器的傳遞函數為： (3-3)其仿真框圖如圖18所示：圖18 PI調節的仿真框圖圖19 PI調節的響應曲線圖20 PI調節的響應曲線圖21 PI調節的響應曲線從圖19、20、21中可以得到，響應時間太長，完全不符合實際生產的要求，、超調也很大，分別為70%和30%。效果不如不加控制器的好。.3 PID調節器本次設計采用NO OVERSHOOT這種情況，即 (3-4) (3-5) (3-6

16、)在實際生產過程中，制造商一般并不使用 (3-7)而使用 (3-8)其中為系數，取值范圍為，本次設計中，取，則 (3-9)其仿真框圖如圖22所示：圖22 PID調節的仿真框圖得到其階躍響應曲線如下所示：圖23 PID調節H1的響應曲線圖24 PID調節H2的響應曲線圖25 PID調節H3的響應曲線從圖中看到，雖然實現了無靜差控制，但響應時間比較長，、的響應時間分別為3000s、2750s、2900s。超調量分別為15%、18%、5%。相對于單回路控制而言，明顯提高了動態響應過程，使得系統性能有了較大的改善，控制效果相對理想。3.2.4 串級反饋調節為提高的響應速度，采用串級控制方法，由于對、的

17、調節品質沒有很高要求，因此，使用具有“粗調”作用的副控制器調節、，具有“細調”作用的主控制器調節要求較高的。利用內環調節、，使得、調節時間更短，從而間接提高的響應品質。串級調節器的設計方法使用兩步法：先整定內環，在整定外環。1、加一級水箱的液位的負反饋由于對、的調節品質沒有很高要求，允許有余差，故內環調節可以使用P調節，而液位是生產過程中的重要指標，要求很高，故在外環調節仍使用PID調節，但由于在單回路中PID調節的動態調節不滿意，故在串級調節中適當增加，即。在本次設計中，內環比例調節的比例系數。圖27 串級控制的仿真框圖圖28 串級控制的H1響應曲線圖29 串級控制的H2響應曲線圖30 串級

18、控制的H3響應曲線由仿真結果可知，、的響應時間得到明顯的改善，分別為1000s、1500s、1750s。雖然的動態響應過程不理想，超調過大，但是在實際生產過程中并不會溢出物料罐，同時的超調減少了，而響應時間有了很大的改善。說明串級控制作用很理想。2、加二級水箱的液位的負反饋進行進一步的調節，加入二級水箱的液位負反饋。內環使用p調節，比例度為0.6；外環使用PI調節，傳遞函數。圖31 串級控制加入二級水箱液位的負反饋仿真框圖內環使用p調節，比例度為0.6；外環使用PI調節，傳遞函數。單位階躍響應如下圖：圖32 二級負反饋的H1響應曲線圖33 二級負反饋的H2響應曲線圖34 二級負反饋的H3響應曲線從圖中可以