過程控制課程設計設計題目：貯槽液位控制系統設計學院：電氣工程學院摘要日新月異的自動化技術為傳統產業的改造、生產水平的提高和產品更新換代注入了強大活力。微電子技術和計算機、通信、網絡技術的崛起，給自動化技術假期了騰飛的雙翼，成為當代發展最快、影響最大、最引人注目的高技術之一，在百花爭艷的信息化舞臺上都靈風少。現在，自動化技術不僅滲透于國民經濟各行各業，對社會、經濟、文化、軍事、科技等各個領域都有著深刻的影響，而且正悄然地改變著人們的生產、工作、生活乃至思維方式。在現代工業生產過程中，隨著生產規模的不斷擴大、生產過程的強化、對產品質量的嚴格要求以及各公司之間的激烈競爭，人工操作與控制已遠遠不能滿足現代化生產的要求。過程控制系統以及成為工業生產過程必不可少的裝備，為保證現代企業安全、優質、低消耗和高效益生產提供了有效的技術手段。在本次課程設計中，給出液體貯槽的結構圖，要求液位貯槽內的液位需維持在某給定值上下，或在某一小范圍內變化，并保證物料不產生溢出。根據過程控制設計原則——用最簡單的系統實現過程控制。基于此，我們選用了單回路反饋控制系統。關鍵字：自動化技術過程控制系統液位控制單回路

Rapidautomationtechnologyfortraditionalindustryreformation,theimprovementofproductionandproductupgradinginjectedstrongvitality.Microelectronicstechnologyandtheriseofcomputer,communicationandnetworktechnologytotheautomationtechnologyvacationflywings,becomethefastestgrowing,mostaffected,oneofthemoststrikinghightechnologyinTurin,flowersbloominformationstageofthewind.Now,automationtechnologynotonlypenetratesintothenationaleconomyinallwalksoflifetosociety,economy,culture,military,scienceandtechnologyandotherfieldshaveaprofoundeffect,andisquietlychangingpeople'sproduction,work,lifeandeventhewayofthinking.Inmodernindustrialproductionprocess,withtheexpansionofthescaleofproduction,theproductionprocess,tostrengthenthestrictrequirementsofproductqualityandthefiercecompetitionbetweencompanies,manualoperationandthecontrolhasfarcannotsatisfytherequirementofmodernproduction.Processcontrolsystem,andbecometheindispensableequipmentinindustrialproductionprocess,toensurethesafetyofthemodernenterprise,highquality,lowconsumptionandhighbenefitproductionprovideseffectivetechnicalmeans.

Inthecurriculumdesignofliquidstoragetankstructure,demandlevelinthestoragetanktomaintaininagivenvalueofliquidlevelfluctuation,orchangeinasmallscope,andtoensurethatthematerialdoesnotproduceoverflow.Accordingtotheprocesscontroldesignprinciplewiththesimplestsystemimplementation,processcontrol.Basedonthis,wechoosethesingleloopfeedbackcontrolsystem.

目錄TOC\o"1-2"\h\u7406第一章設計任務書 3301351.1設計目的 3151711.2設計任務及要求 3229341.3工藝工程及要求 421925第二章前言 512433第三章系統總體方案的選擇及說明 630191第四章系統結構框圖與工作原理 864324.1系統結構框圖 8134684.2工作原理 8302514.3單容過程建模 919430第五章各單元軟硬件的選擇 12143825.1控制對象 12135295.2控制器 1272975.3調節閥 1297315.4差壓變送器 1231680第六章控制器的參數整定 13186036.1經驗法 13186116.2控制器各校正環節的作用 1324755第七章控制系統仿真與調試 14110367.1labVIEW實驗臺仿真 14175527.2A3000過程控制系統仿真 1815962第八章分析總結 2211772參考文獻 23設計任務書1.1設計目的過程控制課程設計是一項重要的實踐性教學環節。在設計過程中，通過一個工程實際課題的設計練習，學生可以初步實踐過程控制系統的設計過程、明確應完成的工作內容和采用的具體設計方法，達到鞏固、充實和綜合所學知識并解決實際問題的目的。通過課程設計，可以培養學生以下能力：獨立工作能力和創造力；查閱圖書資料、產品手冊和各種工具書的能力；綜合運用專業及基礎知識，解決實際工程技術問題的能力；編寫技術資料的能力。1.2設計任務及要求課程設計應充分運用過程控制技術及相關專業課的知識，針對某生產工藝過程實施自動過程控制方案。因此，既要充分掌握生產工藝過程及控制工程的基本知識，又要熟悉控制及檢測儀表的使用方法及型號、規格、價格等信息。設計任務主要包括以下方面：1.了解生產工況：研究過程控制單元的生產工藝及工作環境，在這一階段還需要收集工藝中有關的物性參數和重要數據。2.明確控制要求：找出被控對象，針對可能出現的干擾因素分析控制目的及其應達到的控制效果。3.擬定控制方案：按照現場的特點、控制室與現場的相對位置及系統的控制要求，確定合理的控制系統類型，定出各檢測點、控制點的實際位置，初步分析控制系統的性能。4.制定控制流程圖：根據工藝特點以及控制方案畫出系統的控制工藝流程圖及控制方框圖。5.選取被控變量和操縱變量：根據控制要求及工藝合理性進行選取，盡量選取容易檢測、無容量滯后或滯后小的變量。6.過程裝置及儀表的選型：根據工藝提供的數據及儀表選型的原則（根據工藝數據和有關計算方法對調節閥進行相應的計算），調研產品的性能、質量和價格，選定檢測、變送、顯示、控制等各類儀表的規格、型號。另外，對于儀表設備的輔助設備材料（儀表設備在安裝過程中，還需要選用一些有關的其它設備材料）也需根據施工要求，進行數量統計，編制儀表安裝材料表等。7.設計總結：對整個設計過程做客觀的評價，并闡述控制系統的優、缺點等。1.3工藝工程及要求在工業生產過程中，液體貯槽如進料罐、成品罐、中間緩沖容器、水箱等設備應用十分普遍，為了保證生產正常進行，物料進出需均衡，以保證過程的物料平衡。工藝要求液位貯槽內的液位需維持在某給定值上下，或在某一小范圍內變化，并保證物料不產生溢出。

系統總體方案的選擇及說明單回路反饋控制系統簡稱單回路控制系統，它在所有反饋控制系統中，單回路反饋控制系統是最基本、結構最簡單的一種，因此又稱為簡單控制系統。單回路控制系統雖然結構簡單，卻能解決生產過程中的大量控制問題，它是生產過程控制中應用最廣泛的一種控制系統，生產過程中70%以上的控制系統就是單回路控制系統。圖2.1液位貯槽控制系統圖2.1是一個液位貯槽，一種物料從閥門1中不斷流入貯槽中，而貯槽中的物料又通過閥門2流出，送至下一個工序進行加工或者包裝。當流入量Q1（或流出量Q2）波動時會引起貯槽內液位的波動，若波動嚴重會造成物料溢出或抽空。要解決這一問題最簡單的方法就是以貯槽內液位為操作指標，改變出口閥門Q2的開度以控制液位的波動，具體方法是：當液位上升時，將出口閥門Q2開大，液位上升越大，閥門開度越大；反之，當液位下降時，關小出口閥門Q2，液位下降越多，閥門開度越小。在傳統的人工控制中，必須時刻關注貯槽內液位的波動變化，手動開大或關小出口閥門Q2，需要工作人員高度集中，不允許絲毫分心，否則將造成生產過程中的不必要的損失。這種傳統的人工控制收到了人的主觀影響的限制，因此控制速度和精度都無法滿足大型現代化生產的需要。隨著自動化技術的發展，為了提高控制精度并減輕勞動強度，采用一系列自動化裝置可代替以上人工控制，形成自動控制。圖2.2單回路液位控制系統

系統結構框圖與工作原理系統結構框圖貯槽液位單回路控制系統如圖3.1控制器控制器電磁閥水槽（液位）液位測量裝置擾動+-圖3.1單回路控制系統框圖工作原理液位貯槽和自動化裝置在一起構成了一個自動控制系統。如圖3.1，用液位變送器LT檢測液位的高低并將其轉換為標準的電信號，如4~20mA直流信號。同時，采用液位控制器LC通過接受液位測量信號，并與其設定值進行對比。控制器根據偏差的正負、大小及變化情況發出標準的控制信號，如4~20mA直流信號。此外，采用控制閥門實施對出庫流量的控制。控制閥根據控制信號的變化，來控制出口閥門的開度以調節出水流量，最終使液位測量值接近或等于給定值。由此，構成一個典型的液位自動控制系統。圖3.2液位自動控制系統單容過程建模單容水箱模型如圖3.2系統的控制質量與組成系統的每個環節的特性都有密切關系，因此，在對過程控制系統進行分析、設計之前，必須先掌握構成系統的各個環節的特性，特別是被控過程的特性，即建立被控過程的數學模型。被控過程的數學模型是描述被控過程在輸入（控制輸入與擾動輸入）作用下，其狀態和輸出（被控參數）變化的數學表達式。建立被控過程數學模型的目的是用于過程控制系統的分析和設計，以及用于新型控制系統的開發和研究。建立控制系統中各組成環節和整個系統的數學模型，不僅是分析和設計控制系統方案的需要，也是過程控制系統投入運行、控制器參數整定的需要，它在操作優化、故障檢測和診斷、操作方案的制定等方面也是非常重要的。調節貯槽液位控制系統，其自衡的振蕩過程響應曲線如圖3.3，該控制過程具有自衡能力，在階躍作用下，輸出響應呈現衰減振蕩特性，最后過程會趨于新的穩態值，稱為有自衡的振蕩過程。圖3.3有自衡的振蕩過程如第二章中圖2.1貯槽液位對象，其液位流入量為，通過改變控制閥門1的開度，可以改變的大小。液位流出量為可根據用戶的需要，控制閥門2的開度改變。液位h代表貯槽中貯存液體的量，h的變化反映了由于液體流入量與流出量不等而引起貯槽中蓄水或出水的過程。先定義各變量的符號：：液位對象的輸入量（）：輸入流量相對于穩態值的增量（）：液位對象的輸出量（）：輸出流量相對于穩態值的增量（）h：液位（m）△h：穩態液位（m）A：貯槽的截面積（）圖2.1液位貯槽控制系統根據物料平衡的關系，液體流入量與流出量之差應等于貯槽中液體貯存量的變化率，即 (3-1)將式（3-1）表示為增量形式 (3-2)設某一平衡狀態下的流入量等于流出量，液位的平衡值為。是控制閥門1的開度變化而引起的。液位的流出量隨液位h變化，h越高，出口靜壓力越大，流出量也就越大。同時，還與控制閥的阻力有關，假設三者變化量之間的關系為 (3-3)式中：為閥門2的阻力，稱為液阻。液位在流動中總存在著阻力，圖2.1中液阻可定義為 (3-4)其物理意義是產生單位流量變化所必須的液位變化量。流體在一般流動情況下，液位h和流量之間的關系是非線性的。因此液阻在不同流量時是不同的。將式（3-3）代入式（3-2）可得： 或 (3-5)將上式改寫成一般形式 (3-6)或寫成拉氏變換式 (3-7)式中，T為對象的時間常數，；K為對象的放大系數，液位對象的時間常數T是反應對象在擾動作用下被控參數變化的快慢程度，即表示對象慣性大小的參數。

各單元軟硬件的選擇控制對象控制對象是指需要控制其工藝參數的生產設備或裝置，本設計中的被控對象為水箱控制器控制器又稱調節器，是構成控制系統的核心儀表，其作用是將參數測量值和規定的參數值（給定值）相比較后，得出被調量的偏差，再根據一定的調節規律產生輸出信號，從而推動執行器工作，對過程進行自動控制。根據系統需要我們選擇PID控制器，即比例、積分、微分控制。調節閥.差壓變送器控制對象差壓變送器用于測量液體、氣體和蒸汽的液位、密度和壓力，然后將其轉變成4-20mADC的電流信號輸出。本設計中差壓變送器用于測量水箱液體壓力，通過測得液體壓力通過變換得知液體的液位，并實時以電流信號輸出，并將其反饋至輸入系統中。以下為所選差壓變送器產品參數：產品：3351差壓變送器

型號：BL-C3051差壓變送器

規格：20-125

品牌：BL-C3051差壓變送器

使用對象：液體、氣體和蒸汽測量范圍：0～0.1kPa至0～40MPa輸出信號：4～20mADC供電電源：24VDC圖5.4BL-C3051差壓變送器

控制器的參數整定5.1經驗法這是一種經驗試湊法，是由工程技術人員在長期生產實踐中總結出來的。它不需要事先進行實驗和計算，而是根據運行經驗，先確定一組控制器參數的經驗數據，并將其投入系統運行，通過觀察人為地加入干擾后的過渡過程曲線，根據各種控制作用對過渡過程的不同影響來改變相應的參數值，進行反復試驗，直到獲得滿意的控制效果即可。經驗法主要通過調整比例度的大小來滿足品質指標，其途徑有兩種，選取其中一種如下：先用單純的比例作用，尋找合適的比例度，將人為加入干擾后的過渡過程調整為4:1的衰減振蕩過程。然后加入積分作用，一般先取積分時間為衰減振蕩周期的一半左右。由于積分作用使振蕩加劇，故在加入積分作用之前，要先減弱比例作用，通常將比例度增大10%~20%。然后調節積分時間的大小，直到出現4:1的衰減振蕩。5.2控制器各校正環節的作用5.2.1比例環節成比例地反映控制系統的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減小偏差。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差（Steady-stateerror）。P參數越小比例作用越強，動態響應越快，消除誤差的能力越強。由于實際系統是有慣性的，比例作用不宜太強，比例作用太強會引起系統振蕩不穩定。P參數的大小應在以上定量計算的基礎上根據系統響應情況，現場調試決定，通常將P參數由大向小調，以能達到最快響應又無超調(或無大的超調)為最佳參數。優點:調整系統的開環比例系數，提高系統的穩態精度，減低系統的惰性，加快響應速度。缺點:僅用P控制器,過大的開環比例系數不僅會使系統的超調量增大，而且會使系統穩定裕度變小。

5.2.2積分環節控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數T,T越大，積分作用越弱，反之則越強。比例作用的輸出與誤差的大小成正比，誤差越大，輸出越大，誤差越小，輸出越小，誤差為零，輸出為零。比例作用是有差調節，是有靜差的，加強比例作用只能減少靜差，不能消除靜差(靜差：即靜態誤差，也稱穩態誤差)。

為了消除靜差必須引入積分作用，積分作用可以消除靜差，以使被控的y(t)值最后與給定值一致。如果積分作用太強，積分輸出變化過快，就會引起積分過頭的現象，產生積分超調和振蕩。通常I參數也是由大往小調，即積分作用由小往大調，觀察系統響應以能達到快速消除誤差，達到給定值，又不引起振蕩為準。PI控制器不但保持了積分控制器消除穩態誤差的“記憶功能”，而且克服了單獨使用積分控制消除誤差時反應不靈敏的缺點。優點：消除穩態誤差。

缺點：積分控制器的加入會影響系統的穩定性，使系統的穩定裕度減小。

5.2.3.微分環節反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。

微分作用是事前預防控制，即一發現y(t)有變大或變小的趨勢，馬上就輸出一個阻止其變化的控制信號，以防止出現過沖或超調等。D越大，微分作用越強，D越小，微分作用越弱。系統調試時通常把D從小往大調，具體參數由試驗決定。優點：使系統的響應速度變快，超調減小，振蕩減輕，對動態過程有“預測”作用。在低頻段，主要是PI控制規律起作用，提高系統型別，消除或減少穩態誤差；在中高頻段主要是PD規律起作用，增大截止頻率和相角裕度，提高響應速度。因此，控制器可以全面地提高系統的控制性能。

控制系統仿真與調試labVIEW實驗臺仿真實驗設備與軟件軟件：中文Windows2000xp，LabVIEW8.2.1或以上版本，NIMAX7.4或以上版本。硬件：A3000高級過程控制系統、微型計算機、數據采集卡PCI-6221(68Pin)、連接器CB-68LP、電流-電壓轉換器。實驗工藝流程圖圖6.1labVIEW實驗流程圖本次課程設計在labVIEW試驗臺上做單回路反饋控制系統的仿真，實驗流程圖如6.1。仿真程序界面仿真結果（1）純比例控制P=10P=20（2）加入積分作用P=5,I=0.1P=5,I=0.015A3000過程控制系統仿真實驗設備與軟件1、A3000－FS現場總線型過程控制現場系統2、A3000－CS上位控制系統實驗工藝流程圖給定值給定值LTLT103圖3-1單容下水箱液位定值(隨動)控制系統實驗QohQiLIC101FV101干擾仿真程序界面仿真結果表6.1用臨界比例度δk整定PID調節器的參數調節器參數調節器名稱δTi(S)Td(S)P2δkPI2.2δkTk/1.2PID1.6δk0.5Tk0.125Tk純比例環節（記錄曲線當=5，10，20，60）圖1純比例環節=5,=10圖2純比例環節=20與=60比例積分環節（記錄曲線當=10時，=20，60）圖3比例積分環節=10;=20圖4比例積分環節=10;=60PID環節（記錄曲線當=10，=20時，=5，10）圖5PID環節=10，=20，=5圖6PID環節=10，=20，=10

分析總結

參考文獻王再英.過程控制系統與儀表[M].北京:機械工業出版社,2012潘立登.過程控制技術原理與應用[M].北京:中國電力出版社,2007蘇成利.黃越洋.李書臣.過程控制系統[M].北京:清華大學出版社,2014黃友銳.曲立國.PID控制器參數整定與實現[M].北京:科學出版社,2010施仁.自動化儀表與過程控制[M].北京:電子工業出版社,2003.王樹青.工業過程控制過程[M].北京:化學工業出版社,2005.黃德先,王京春,金以慧.過程控制系統[M].北京:清華大學出版社,2011.基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現的供暖系統最佳啟停自校正（STR）調節器單片機控制的二級倒立擺系統的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協議棧的實現基于單片機的蓄電池自動監測系統基于32位嵌入式單片機系統的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養診斷專家系統的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統研究與開發基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統開發基于單片機的液壓動力系統狀態監測儀開發模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數控系統的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環走絲方式研究基于單片機的機電產品控制系統開發基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統單片機系統軟件構件開發的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統的研制基于單片機的數字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調系統的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現基于單片機的電液伺服控制系統用于單片機系統的MMC卡文件系統研制基于單片機的時控和計數系統性能優化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數據采集系統基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數控改造基于單片機的溫度智能控制系統的設計與實現基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協議轉換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監測系統基于單片機網絡的振動信號的采集系統基于單片機的大容量數據存儲技術的應用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務器技術的研究及實現基于AT89S52單片機的通用數據采集系統基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統基于單片機的控制系統在PLC虛擬教學實驗中的應用研究基于單片機系統的網絡通信研究與應用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統設計與研究基于單片機的模糊控制器在工業電阻爐上的應用研究基于雙單片機沖床數控系統的研究與開發基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統研究基于TCP/IP協議的單片機與Internet互聯的研究與實現變頻調速液壓電梯單片機控制器的研究基于單片機γ-免疫計數器自動換樣功能的研究與實現基于單片機的倒立擺控制系統設計與實現單片機嵌入式以太網防盜報警系統基于51單片機的嵌入式Internet系統的設計與實現單片機監測系統在擠壓機上的應用MSP430單片機在智能水表系統上的研究與應用基于單片機的嵌入式系統中TCP/IP協議棧的實現與應用單片機在高樓恒壓供水系統中的應用HYPER