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1、西北工业大学专科毕业论文,题 目：液位流量串级控制系统专 业：自动化控制学 生：皮家康指导老师：尹绍清,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，
2、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。,一、主要设计指标,液位在给定值：0500mm;超调量：5%；稳定时间：ts300s;稳态误差：ess2mm。,二、本控制系统的总体方框图及工作过程,1、被控对象的构成图,图2.1,2、控制系统的方框图,图2.2,三、控制系统的检测转换元件,1、流量检测转换元件 本系统所
3、使用的流量检测转换元件为涡轮流量计。涡轮流量计由涡轮流量变送器和显示仪表组成。涡轮流量变送器包括涡轮、导流器、磁电感应转换器、外壳及前置放大器等部分。涡轮流量计的工作原理：当流体通过安装有涡轮的管路时，流体的动能冲击涡轮发生旋转，流体的流速愈高，动能越大，涡轮转速也就愈高。在一定的流量范围和流体粘度下，涡轮的转速和流速成正比。当涡轮转动时，涡轮叶片切割置于该变送器壳体上的检测线圈所产生的磁力线，使检测线圈磁电路上的磁阻周期性变化，线圈中的磁通量也跟着发生周期性变化，检测线圈产生脉冲信号，即脉冲数。其值与涡轮的转速成正比，也即与流量成正比。这个电讯号经前置放大器放大后，即送入电子频率仪或涡轮流量
4、积算指示仪，以累积和指示流量。,涡轮流量计的实用流量方程为(3.1)(3.2)式中、分别为体积流量，m3/s，质量流量，kg/s；f流量计输出信号的频率Hz；K流量计的仪表系数，P/m3。,2、液位检测转换元件,本控制系统所使用液位检测转换元件为静压式液位计。对于不可压缩的液体，液位高度与液体的静压力成正比，所以测出液体的静压力，即可知道液体的高度。上图所示为用静压式液位计进行开口容器的液位测量。压力计与容器的底部相连，根据压力计指示的压力大小，即可知道液位的高度，其关系为(3.3)式(3.3)中，H是液位的高度；是液体重度；是容器内取压平面上的静压力。,图3.1,四、控制系统的执行元件,本系
5、统所使用执行机构为提升泵。提升泵为交流异步电动机构成。当系统运行时，由调节器根据偏差产生相应电压输送给变频器，变频器将一定频率信号输送给提升泵，从而改变其转速，使流量发生变化。,五、测试广义对象的响应曲线并辨识其传递函数,1、广义流量对象的阶跃响应曲线：对上图所示阶跃响应曲线，可用下式进行拟合：(5.1),图5.1,上式中表示该传递函数为副变量传递函数，、为对应的增益和时间常数。(5.2)对应2%的误差带，由图2.12可得：(5.3)所以(5.4)则(5.5),2、广义液位对象的阶跃响应曲线 对上图所示阶跃响应曲线，可用下式进行拟合：(5.6)上式中 表示该传递函数为主变量的传递函数，、分别为
6、对应的增益和时间常数。在 远小于 的情况下，可将式(5.6)改为：,图5.2,(5.7)(5.8)对应5%的误差带，由图2.13可得：(5.9)所以(5.10)式(5.10)所示为液位在自吸泵的作用下的传递函数，自吸泵通过流量而操纵液位，液位在流量作用下的传递函数可用下式表示：(5.11),六、不加校正装置的控制系统的性能分析,1、未加校正装置的闭环控制系统的方框图 系统未加校正，即未加入控制规律时，即图2.2 中主、副调节器的传递函数均为1，此时它们都不起控制作用。如图6.1,1,1,图6.1,2、未加校正的控制系统的仿真计算 在MATLAB命令窗口中输入以下程序并执行：num=14.21,
7、8.12;den=36329.9,825596.65,46482.35,47.79;g=tf(num,den);step(g)得到如下仿真结果：,图6.2,1、选择适合本系统的控制规律 一般来说，对于串级控制系统，主变量不允许有余差。而对副变量的要求一般都不是很严格，允许它有波动和余差。为了主变量的稳定，主调节器必须具有积分作用。因此，主调节器通常都选用比例积分规律。有时，对象控制通道容量滞后比较大（像温度对象和成分对象等），为了克服容量滞后，选用比例积分微分三作用的调节器作为主调节器。副调节器的给定值随主调节器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副调节器一般不设置积分作用，微分作用也不需要，因
8、为当副调节器有微分作用时，一旦主调节器的输出稍有变化，执行机构就将大幅度地变化。但副调节器容量滞后比较大时，可以适当加一点微分作用，一般情况下，副调节器只需用比例作用就可以了。本系统的液位对象容量滞后比较大，故主调节器选用比例积分微分调节作用，而流量对象时间常数很小，副调节器只用比例作用。,七、控制系统的控制规律确定,根据以上分析，加入控制规律后系统框图如下所示：,图7.1,2、由MATLAB仿真软件选择控制规律的参数（1）仿真程序编制P1=200;I1=0.2;D1=400;P2=0.3;num1=38.67*P2*D1,38.67*P2*P1,38.67*P2*I1;den1=1.75,3
9、8.67*P2+1,0;num2=0.3675,0.21;den2=20759.94,1171.33,1;num3,den3=series(num1,den1,num2,den2);num,den=cloop(num3,den3);g=tf(num,den);step(g),（2）仿真结果分析 改变P1、I1、D1、P2的值，直到得到满意的曲线。在P1=200，I1=0.2，D1=400，P2=0.3时，得到仿真结果如下图所示。由图可见，系统达到了较好的性能，各项指标如下：超调量：；调节时间：（对应5%误差带）；稳态误差：。,图7.2,1、实际控制系统的调试步骤 采用两步法进行调节器参数的调试
10、整定，具体步骤如下：（1）在主、副环路闭合的情况下，将主调节器比例度设定为100%，积分时间设定为最大，微分时间设定为最小，然后按衰减曲线法整定副调节器，找出副变量出现4：1振荡过程时的比例度及振荡周期。（2）将副调节器比例度设定为值，积分时间设定为最大，微分时间设定为最小。用衰减曲线法整定主调节器的比例度及振荡周期。（3）依据所得到的、值，结合主、副调节器的选型，按下面所给出的公式，可以计算出主、副调节器的参数。比例调节：比例积分微分调节：，（4）将上述计算所得调节器参数，按先副环后主环、先比例次积分最后微分的顺序在主、副调节器上设置好，观察控制过程曲线，如不够满意，可适当地进行一些微小的调
11、整。,八、实际控制系统的运行与调试,2、调试结果参数，3、调试后质量指标数据 给定液位值为300mm。超调量：；调节时间：tS=235s（对应5%的误差带）；稳态误差：eSS2mm。,九、结论、讨论、建议,经过认真设计和反复地实验，设计的系统的各项性能指标均达到了预期效果。其中稳定时间控制在300s内，而超调量小于1%，稳态误差则不大于2mm。这也证明串级控制系统具有很好的控制效果，特别是在快速性上具有比单回路控制系统更加显著的控制能力。它有效地克服了广义液位对象时间常数大（T=1153.33s）而造成的控制质量下降的问题。在实验过程中也发现，串级控制系统的调节器参数整定要比单回路控制系统更加
12、复杂，因为两个调节器串在一起，在一个系统中工作，互相之间或多或少有些影响，其中任何一个调节器的任一参数值发生变化时，对整个串级控制系统都具有影响.本论文论述了工业生产过程中最常见的液位流量串级控制系统，具有较大的实际意义。在设计中综合应用了过程控制技术、自动控制原理、组态软件控制技术、MATLAB仿真方法等相关知识，其中组态软件控制技术和MATLAB仿真均是自动控制系统设计的重要发展方向。在指导老师指导下，本人独立完成了论文的绝大部分，其中有些摘自参考文献，在此表示诚挚的谢意,当然，本论文只是对串级控制系统比较浅显的论述。由于设计的系统为高阶系统，为了避免十分繁琐的理论分析计算，采用了仿真软件
13、来计算其性能指标，但这样显然对自动控制原理的应用就想应减少了。另外，由于采用了组态软件进行控制，在计算机编程上也相应简化，未使用其他高级语言的编程方式。总之，本毕业设计只是对所学知识的一个简单应用，还有一些较为复杂和细化的问题有待于解决，因此，这次毕业设计是一个锻炼的开始。,致 谢,这次毕业设计对以前所学知识的综合应用程度较高，实践性较强，难度也比我以前的学习任务大，使我遇到了较大的困难。但我的指导老师尹绍清老师十分认真负责，对我所遇到的疑点讲解清楚详细，使我能够解决所遇到的问题，并顺利地完成毕业设计。他认真负责的工作态度和严谨的学风也是十分值得我学习的，在此对他表示诚挚的感谢。另外，我的毕业设计和论文也参考和摘录了一些文献资料，在此对那些作者和前辈表示感谢，是他们所编写的资料帮我解决了毕业设计中的一些疑惑。这次毕业设计对我有着重要的意义，在这期间我不仅巩固了以前所学的知识，对本专业有了更多、更深的了解，而且也培养了克服困难的品质，锻炼了实践动手的能力，这将是我今后工作学习中的一个良好开端。我要再次感谢那些在学习和生活上给予我帮助的良师益友。,
