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1、<p> 題 目:水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p> 系 別:電氣工程系</p><p> 專(zhuān) 業(yè):電氣自動(dòng)化</p><p><b> 目 錄</b></p><p><b> 任務(wù)書(shū)2</b></p><p><b> 摘
2、要 3</b></p><p><b> 1 緒論4</b></p><p> 1.1 過(guò)程控制的定義4</p><p> 1.2 過(guò)程控制的目的4</p><p> 1.3 過(guò)程控制的特點(diǎn)5</p><p> 1.4 過(guò)程控制的發(fā)展與趨勢(shì)5</p>
3、<p> 2 水箱液位控制系統(tǒng)的原理6</p><p> 2.1 人工控制與自動(dòng)控制6</p><p> 2.2 水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖 7</p><p> 2.3 水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 8</p><p> 3 水箱液位控制系統(tǒng)的組成11</p><p> 3.1 被控
4、制變量的選擇 11</p><p> 3.2 執(zhí)行器的選擇11</p><p> 3.3 PID控制器的選擇15</p><p> 3.4 液位變送器的選擇17</p><p> 4 PID控制規(guī)律 18</p><p> 4.1 比例控制 18</p><p>
5、4.2 積分控制21</p><p> 4.3 微分控制 21</p><p> 4.4 比例積分控制21</p><p> 4.5 比例積分微分控制22</p><p><b> 5 應(yīng)用實(shí)例22</b></p><p> 5.1 液位控制在廁所中的應(yīng)用22</p&g
6、t;<p> 5.2 液位控制在汽車(chē)上的應(yīng)用23</p><p><b> 總結(jié)24</b></p><p><b> 致謝25</b></p><p><b> 參考文獻(xiàn)25</b></p><p> 濟(jì)南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)
7、</p><p> 摘要 在人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問(wèn)題, 例如居民生活用水的供應(yīng), 飲料、食品加工, 溶液過(guò)濾, 化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過(guò)程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要維持合適的高度, 既不能太滿(mǎn)溢出造成浪費(fèi), 也不能過(guò)少而無(wú)
8、法滿(mǎn)足需求。因此液面高度是工業(yè)控制過(guò)程中一個(gè)重要的參數(shù),特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下,采用適合的方法對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)、控制,能收到很好的效果。 PID控制(比例、積分和微分控制)是目前采用最多的控制方法。 本文主要是對(duì)一水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程,涉及到液位的動(dòng)態(tài)控制、控制系統(tǒng)的建模、PID算法、傳感器和調(diào)節(jié)閥等一系列的知識(shí)。作為單容水箱液位的控制系統(tǒng),其模型為一階慣性函數(shù),控制方式采
9、用了PID算法,調(diào)節(jié)閥為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。選用合適的器件設(shè)備、控制方案和算法,是為了能最大限度地滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。</p><p> 關(guān)鍵詞 PID控制 過(guò)程控制 液位控制</p><p><b> 1 緒論</b></p><p> 1.1過(guò)程控制的定義</p><p>
10、; 生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化,一般是指石油、化工、冶金、煉焦、造紙、建材、陶瓷及電力發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定程序進(jìn)行的生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。電力拖動(dòng)及電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等過(guò)程的自動(dòng)控制一般不包括在內(nèi)。凡是采用模擬或數(shù)字控制方式對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制通稱(chēng)為過(guò)程控制。過(guò)程控 制是自動(dòng)控制學(xué)科的一個(gè)重要分支,是對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合。</p><p> 1.2過(guò)程控制的目的</
11、p><p> 生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)各個(gè)工藝過(guò)程的物理量(或稱(chēng)工藝變量)有著一定的控制要求。有些工藝變量直接表征生產(chǎn)過(guò)程,對(duì)產(chǎn)品的數(shù)量與質(zhì)量起著決定性的作用。例如,精餾塔的塔頂或塔釜溫度,一般在操作的壓力不變的情況下必須保持一定,才能得到合格的產(chǎn)品;加熱爐出口溫度的波動(dòng)不能超出允許范圍,否則將影響后一段的效果;化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)溫度必須保持平穩(wěn),才能使效率達(dá)到指標(biāo)。有些工藝變量雖不直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量,然而保持其平穩(wěn)卻是
12、使生產(chǎn)獲得良好控制的前提。例如,用蒸汽加熱反應(yīng)器或在沸器,如果在蒸汽總壓波動(dòng)劇烈的情況下,要把反應(yīng)溫度或塔釜溫度控制好將極為困難;中間儲(chǔ)槽的液位高度與氣柜壓力,必須維持在允許的范圍之內(nèi),才能使物料平衡,保持連續(xù)的均衡生產(chǎn)。有些工藝變量是決定安全生產(chǎn)的因素。例如,鍋爐汽包的水位、受壓容器的壓力等,不允許超出規(guī)定的限定否則將威脅生產(chǎn)安全。還有一些工藝變量直接鑒定產(chǎn)品的質(zhì)量。例如,某些混合氣體環(huán)境的污染,因此,減小工業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響也已納入
13、過(guò)程控制的目標(biāo)范圍。</p><p> 綜上所述,過(guò)程控制的主要目標(biāo)包括一下幾個(gè)方面:</p><p> 保障生產(chǎn)過(guò)程的安全和平穩(wěn);</p><p> 達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)量和質(zhì)量;</p><p> 盡可能地減少原材料和能源損耗;</p><p> 把生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的危害降低到最小程度。</p><
14、p> 由此可見(jiàn),生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、降低成本、改善勞動(dòng)條件、促進(jìn)文明生產(chǎn)、保證生產(chǎn)安去和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要手段,使20世紀(jì)科學(xué)與進(jìn)步的特征,市工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。</p><p> 1.3過(guò)程控制的特點(diǎn)</p><p> 生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制一般要求保持過(guò)程進(jìn)行中的有關(guān)參數(shù)為一定值或按一定規(guī)律變化。顯然,過(guò)程參數(shù)的變化,不但受外界條件的影響,它們之間往往也
15、相互影響,這就增加了某些參數(shù)自動(dòng)控制的復(fù)雜性和難度,過(guò)程控制有如下特點(diǎn):</p><p><b> 被控對(duì)象的多樣性;</b></p><p><b> 對(duì)象存在滯后;</b></p><p><b> 對(duì)象特性的非線性;</b></p><p><b> 控
16、制系統(tǒng)比較復(fù)雜。</b></p><p> 由于對(duì)象的特性不同,其輸入與輸出可能不止一個(gè),控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在于適應(yīng)這些不同的特點(diǎn),以確定控制方案和控制其的設(shè)計(jì)或選型,以及控制器特性參數(shù)的計(jì)算與設(shè)定。這些都要以對(duì)象的特性為依據(jù),而對(duì)象的特性復(fù)雜且難以認(rèn)識(shí),所以要完全通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與整定至今仍不可能。目前已設(shè)計(jì)出的各種各樣的控制系統(tǒng)(如簡(jiǎn)單的位式控制系統(tǒng)、單回路及多回路控制系統(tǒng),以及前饋控制、計(jì)
17、算機(jī)控制系統(tǒng)等),都是通過(guò)必要的理論計(jì)算,采用現(xiàn)場(chǎng)的方法達(dá)到過(guò)程控制的目的。</p><p> 1.4過(guò)程控制的發(fā)展與趨勢(shì)</p><p> 20世紀(jì)40年代開(kāi)始形成的控制理論被成為“20世紀(jì)上半葉三大偉績(jī)之一”,在人類(lèi)社會(huì)的各個(gè)反面有著深遠(yuǎn)的影響。與其他任何學(xué)科一樣,控制理論源于社會(huì)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)踐。自動(dòng)化技術(shù)的前驅(qū),可以追溯到我國(guó)古代,如指南車(chē)的出現(xiàn)。</p><
18、p> 至于工業(yè)上的應(yīng)用,一般以瓦特的蒸汽機(jī)調(diào)速器作為起點(diǎn)。有人把直到20世紀(jì)30年代末這段時(shí)期的控制理論成為第一代控制理論,第一代控制理論分析的主要問(wèn)題是穩(wěn)定性,主要的數(shù)學(xué)方法是微分方程解析方法。這時(shí)候的系統(tǒng)(包括過(guò)程控制系統(tǒng))是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng),儀表是基地式、大尺寸的、滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)的需要。到第二次時(shí)間大戰(zhàn)前后,控制理論有了很大發(fā)展,Nyquist(1932)和Bode(1945)頻率法分析技術(shù)及穩(wěn)定判據(jù)、Evens根軌跡分析方法的建立
19、,使經(jīng)典控制理論發(fā)展到了成熟的階段,這是第二代控制理論。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始,隨著工業(yè)的發(fā)展、控制需求的提高,除了簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)以外,各種復(fù)雜控制系統(tǒng)也發(fā)展起來(lái)了,而且取得了顯著的功效。20世紀(jì)60年代,現(xiàn)代控制理論迅猛發(fā)展,它以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)、以極小值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)控制理論為特征的而以在隨機(jī)干擾下采用Kalman濾波器的線性二次型系統(tǒng)(LOG)設(shè)計(jì)宣告了時(shí)域方法的完成,這是第三代控制理論。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始,為了解決大規(guī)
20、模復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化與控制問(wèn)題,現(xiàn)代控制理論和優(yōu)化與控制相結(jié)合,逐步發(fā)發(fā)展成了大系統(tǒng)理論。過(guò)程控制是隨著控制理論的發(fā)展而發(fā)展的,從系統(tǒng)機(jī)構(gòu)</p><p> 當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的一些主要特點(diǎn)是:生產(chǎn)裝置實(shí)施先進(jìn)控制成為發(fā)展主流,過(guò)程優(yōu)化受到普遍關(guān)注,傳統(tǒng)的DCS正在走向國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式系統(tǒng),綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(CPIS)發(fā)展方向。</p><p> 綜合自動(dòng)化系統(tǒng),就是包括生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度
21、、操作優(yōu)化、先進(jìn)控制和基層等內(nèi)容的遞階控制系統(tǒng),亦稱(chēng)管理控制一體化系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)管控一體化系統(tǒng))。這類(lèi)自動(dòng)化是靠計(jì)算機(jī)的組成特征,過(guò)程系統(tǒng)指明了它的工作對(duì)象,正好與計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)相應(yīng),有人也稱(chēng)之為過(guò)程工業(yè)的CIMS。可以說(shuō),綜合自動(dòng)化是當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要潮流。它以整體優(yōu)化為目標(biāo),以計(jì)算機(jī)為主要技術(shù)工具,以生產(chǎn)過(guò)程的管理和控制的自動(dòng)化為主要內(nèi)容,將各個(gè)自動(dòng)化“孤島”綜合集成為一個(gè)整體的系統(tǒng)。</p><p
22、> 2 水箱液位控制系統(tǒng)的原理</p><p> 2.1 人工控制與自動(dòng)控制</p><p> 下圖為水箱液位控制系統(tǒng)示意圖,在人工控制示意圖中,為保持水箱液位恒定,操作人員應(yīng)根據(jù)液位高度的變化情況控制凈水量。手工控制的過(guò)程主要分為三步:</p><p> 用眼睛觀察水箱液位的高低以獲取測(cè)量值,并通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)傳到大腦;</p><
23、p> 大腦根據(jù)眼睛看到的水位高度,與設(shè)定值進(jìn)行比較,得出偏差大小和方向,然后根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)發(fā)出控制命令;</p><p> 根據(jù)大腦發(fā)出的命令,用雙手去改變給水閥(或進(jìn)水閥)的開(kāi)度,使水箱液位包持在工藝要求的高度上。</p><p> 在整個(gè)手工控制過(guò)程中,操作人員的眼、腦、手、三個(gè)器官,分別擔(dān)負(fù)了檢測(cè)、判斷、和運(yùn)算、執(zhí)行三個(gè)作用,來(lái)完成測(cè)量、求偏差、在施加控制操作以糾正偏差的工
24、作過(guò)程,保持水箱液位的恒定。</p><p> 如果采用檢測(cè)儀表和自動(dòng)控制裝置來(lái)代替人工控制,就成為過(guò)程控制系統(tǒng)。在自動(dòng)控制示意圖中,當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后,被控變量(液位)發(fā)生變化,通過(guò)檢測(cè)變送儀表得到其測(cè)量值;控制器接受液位測(cè)量變送器送來(lái)的信號(hào),與設(shè)定值相比較得出偏差,按某種運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算并輸出控制信號(hào);控制閥接受控制器的控制信號(hào),按其大小改變閥門(mén)的開(kāi)度,調(diào)整給水量,以克服擾動(dòng)的影響,使被控變量回到設(shè)定值,
25、最終達(dá)到水箱液位的恒定。這樣就完成了所要求的控制任務(wù)。這些自動(dòng)控制裝置和被控的工藝設(shè)備組成了一個(gè)沒(méi)有人直接蔡玉的自動(dòng)控制系統(tǒng)。</p><p> 2.2 水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖</p><p> 本論文對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng),所謂簡(jiǎn)單液位控制系統(tǒng)通常是指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)變送單元(檢測(cè)元件及變送器)、以個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器(控制閥)所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋
26、控制系統(tǒng),也稱(chēng)為單回路控制系統(tǒng)。</p><p> 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)有著共同的特征,它們均有四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成,即被控對(duì)象、測(cè)量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。對(duì)于不同對(duì)象的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng),盡管其具體裝置與變量不相同,但都可以用相同的方框圖表示:</p><p> 由這個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通用的框圖設(shè)計(jì)出水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖如下:</p><p> 這是單回路水箱液位控制系
27、統(tǒng),單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象上用一個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)保持一個(gè)參數(shù)的恒定,而調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測(cè)量信號(hào),其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定高度,即控制的任務(wù)是控制水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖,這是一個(gè)閉環(huán)反饋單回路液位控制,采用工業(yè)智能儀表控制。</p><p> 2.3 水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型</p><p> 該系統(tǒng)主要是自衡的非振蕩
28、過(guò)程,即在外部階躍輸入信號(hào)作用下,過(guò)程原有的平衡狀態(tài)被破壞,并在外部信號(hào)作用下自動(dòng)的非震蕩地穩(wěn)定到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài),這一大類(lèi)是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)的過(guò)程。</p><p> ?。?) 確定過(guò)程的輸入變量和輸出變量</p><p> 如下圖所示,流入水箱的流量是由進(jìn)料閥1來(lái)控制的;流出水箱的流量取決于水箱液位L和出料閥2的開(kāi)度,而出料閥的開(kāi)庫(kù)是隨用戶(hù)的需要而改變的。這里,液位L是被控變量(即
29、輸出變量),進(jìn)料閥1為控制系統(tǒng)中的控制閥,它所控制的進(jìn)料流量是過(guò)程的控制輸入(即操縱量),出料流量是外部擾動(dòng)。本設(shè)計(jì)以進(jìn)料流量作為輸入變量。</p><p> (2)根據(jù)過(guò)程內(nèi)在機(jī)理,列寫(xiě)原始方程</p><p> 根據(jù)物料平衡關(guān)系,當(dāng)過(guò)程處于原有穩(wěn)定狀態(tài)是,水箱液位保持不變,其靜態(tài)方程為:-=0(1—6),、分別為原穩(wěn)定狀態(tài)下水箱的進(jìn)料流量和出料流量,當(dāng)進(jìn)料流量突然增大是,水箱原來(lái)的
30、平衡狀態(tài)被破壞,此時(shí)進(jìn)料量大于出料量,多余的液體在水箱內(nèi)儲(chǔ)存起來(lái),使其液位升高。設(shè)水箱液體的儲(chǔ)存量為V,則單位時(shí)間內(nèi)出料流量與進(jìn)料流量之差等于水箱液體儲(chǔ)存量的凈增量。其動(dòng)態(tài)方程為:-=(1—7)=、,、分別為和的增量。設(shè)水箱截面積為A,則有V=AL,其增量形式為dV=AdL,即:(1—8)。將=、和式(1—8)代入式(1—7),得 (1—9)。 將式(1—9)減去式(1—6)可得用新增量形式表示的動(dòng)態(tài)方程式,為:</p>
31、<p><b> ?。?—10)</b></p><p> (3)消去中間變量,簡(jiǎn)化,求的微分方程式</p><p> 中間變量式原始方程式中出現(xiàn)的一些既不是輸入變量也不是輸出變量的工藝變量。式(1—10)中,為中間變量。與輸出變量L的關(guān)系可表示為:</p><p> = :比例系數(shù) (1—11)</p&g
32、t;<p> 當(dāng)只考慮液位與流量均在有限小的范圍內(nèi)變化式,就可以認(rèn)為出料流量與液位變化呈線性關(guān)系。將式(1—11)改寫(xiě)成增量形式: 令,則有:</p><p><b> ?。?—12)</b></p><p> 將式(1—12)代入式(1—10)中,即得</p><p><b> ?。?—13)</b>&
33、lt;/p><p> 式(1—13)即為水箱液位過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。由此可見(jiàn),這是一個(gè)一階微風(fēng)方程,液位過(guò)程為一階過(guò)程。將該式寫(xiě)成的一階過(guò)程的微風(fēng)方程的標(biāo)準(zhǔn)形式:</p><p><b> ?。?—14)</b></p><p> 或 (1—15)</p><p> 為一階過(guò)程的時(shí)間常數(shù),,具有時(shí)
34、間量綱;為一階過(guò)程的放大系數(shù),具有放大倍數(shù)的量綱;為一階過(guò)程的輸出變量;為一階過(guò)程的輸入變量;</p><p> 為阻力系數(shù),=液位的變化量 / 出料流量的變化量;為容量系數(shù),=儲(chǔ)存的物料變化量/ 液位的變化量。</p><p> 當(dāng)被控變量的檢測(cè)地點(diǎn)與產(chǎn)生擾動(dòng)的地點(diǎn)之間由一段物料傳輸距離時(shí),就會(huì)出現(xiàn)滯后。在控制過(guò)程中,若進(jìn)料閥安裝在與水箱進(jìn)料口有一段距離,則當(dāng)進(jìn)料閥開(kāi)度變化而引起進(jìn)料
35、流量變化后,液體需要經(jīng)過(guò)一段傳輸時(shí)間才能流入水箱,使液位發(fā)生變化并被檢測(cè)出來(lái)。顯然液體流經(jīng)這段距離所需時(shí)間完全是傳輸滯后造成的。純滯后一階過(guò)程的微風(fēng)方程為:</p><p> 具有純滯后的一階過(guò)程的特性與放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間有關(guān)</p><p> 綜上所述,水箱液位控制系統(tǒng)是一個(gè)一階自衡過(guò)程,其特性可用放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間這三個(gè)特性參數(shù)來(lái)全面表征。</p>
36、;<p> 3 水箱液位控制系統(tǒng)的組成</p><p> 本設(shè)計(jì)研究的水箱液位控制系統(tǒng)是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng),是使用的族普遍的、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種過(guò)程控制系統(tǒng)。所謂的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng),通常是指一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)變送單元(檢測(cè)元件及變送器)、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器(控制閥)所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。</p><p> 3.1 被控制變量的選擇</p><
37、;p> 被控變量的選擇是控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題,被控變量選擇的正確與否是決定控制系統(tǒng)有無(wú)價(jià)值的關(guān)鍵。對(duì)于任何一個(gè)控制系統(tǒng),總是希望其能夠在穩(wěn)定生產(chǎn)操作、增加產(chǎn)品產(chǎn)量、保證生產(chǎn)安全及改善勞動(dòng)條件等方面發(fā)揮作用,如果被控變量學(xué)則不當(dāng),配備再好的自動(dòng)化儀表,使用在復(fù)雜、先進(jìn)的控制規(guī)律也無(wú)用的,都不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。</p><p> 對(duì)于水箱液位控制系統(tǒng),其被控變量是顯而易見(jiàn)的,液位就是其被控變量,是直接參數(shù)
38、控制。</p><p> 3.2 執(zhí)行器的選擇</p><p> 執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中起著極其重要的作用??刂葡到y(tǒng)的控制性能指標(biāo)與執(zhí)行器的性能和正確選用有著十分密切的關(guān)系。執(zhí)行器接受控制其輸出的控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)操縱變量的改變,從而使被控變量向設(shè)定值靠攏。執(zhí)行器位于控制回路的最總端,因此又稱(chēng)為最終元件。</p><p> 本設(shè)計(jì)所使用的執(zhí)行器為控制閥,也稱(chēng)調(diào)節(jié)閥。
39、控制閥發(fā)裝現(xiàn)場(chǎng),通常在高溫、高壓、高粘度、強(qiáng)腐蝕、易滲透、易結(jié)晶、易燃易爆、劇毒等場(chǎng)合下工作。如果選擇不當(dāng)或維修不妥,就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)作。經(jīng)驗(yàn)表明,控制系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的原因,多數(shù)發(fā)生在控制閥上。對(duì)于系統(tǒng)控制閥的選擇很重要。</p><p> 控制閥接受控制器輸出的控制信號(hào),通過(guò)改變閥的開(kāi)度來(lái)達(dá)到控制流量的目的??刂崎y有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是根據(jù)可能稚氣的控制信號(hào)產(chǎn)生推力或位移的裝置,
40、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)去改變能量或物料輸送量的裝置。</p><p> 控制閥按其能源形式可分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三大類(lèi)。液動(dòng)控制閥推力最大,但比較笨重,目前已經(jīng)極少使用。電動(dòng)控制閥的能源取用方便,信號(hào)傳遞迅速,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、防爆性能差。氣動(dòng)控制閥采用壓縮空氣作為能源,其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、平穩(wěn)、輸出推力較大、維修方便、防火防爆而且價(jià)格較低,因此得到廣泛應(yīng)用。氣動(dòng)控制閥可以方便的與電動(dòng)儀表配套使用,即使
41、是采用電動(dòng)儀表或計(jì)算機(jī)控制時(shí),只要經(jīng)過(guò)電—?dú)廪D(zhuǎn)換閥門(mén)定位器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為20—100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)仍可采用氣動(dòng)控制閥。</p><p> 調(diào)節(jié)閥基型產(chǎn)品即普通產(chǎn)品按基型結(jié)構(gòu)特征分為幾大類(lèi)產(chǎn)品,它們是:直通單座閥、直通雙座閥、套筒閥、角形閥、三通閥、隔膜閥、蝶閥、球閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥,其中前6種為直行程調(diào)節(jié)閥,后3種為角行程調(diào)節(jié)閥,選擇購(gòu)買(mǎi)控制閥時(shí),必須首先弄清楚基型產(chǎn)品的特點(diǎn)、使用注意事項(xiàng)、各類(lèi)變型產(chǎn)品、改進(jìn)
42、產(chǎn)品。</p><p> (1)直通單座調(diào)節(jié)閥</p><p> 該閥具有泄漏小、許用壓差小、流路復(fù)雜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn),適用于泄漏要求嚴(yán)、工作壓差小的干凈介質(zhì)場(chǎng)合,但小規(guī)格的閥(如DN15、20、25)亦可用于壓差較大的場(chǎng)合,是應(yīng)用最廣泛的閥之一。</p><p> ?。?)直通雙座調(diào)節(jié)閥</p><p> 與單座閥相反,具有泄漏大、許
43、用壓差大的特點(diǎn),適用于泄漏要求不嚴(yán)、工作壓差大的干凈介質(zhì)場(chǎng)合,是應(yīng)用最為廣泛的閥之一。</p><p><b> ?。?)套筒閥</b></p><p> 套筒閥具有單密封、雙密封兩種結(jié)構(gòu),前者相當(dāng)于單座閥,后者相當(dāng)于雙座閥,適用于雙座閥場(chǎng)合,除此之外,套筒閥還具有穩(wěn)定性好、裝卸方便的特點(diǎn),但價(jià)格比單雙座閥貴50%~200%,還需要專(zhuān)門(mén)的纏繞密封墊。是僅次于單、雙座
44、閥應(yīng)用較為廣泛的閥。</p><p><b> ?。?)角形閥</b></p><p> 節(jié)流型式相當(dāng)于單座閥,但閥體流路簡(jiǎn)單,適用于泄漏要求小、壓差不大的不干凈介質(zhì)場(chǎng)合以及要求直角配管的場(chǎng)合。</p><p><b> ?。?)三通閥</b></p><p> 具有3個(gè)通道,可代替兩個(gè)直通單座
45、閥用于分流和合流及兩相流溫度差成≤150℃的場(chǎng)合,當(dāng)DN<80mm,儀表工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)工作。</p><p><b> ?。?)隔膜閥</b></p><p> 隔膜閥流路簡(jiǎn)單,隔膜具有一定的耐蝕性能,適用于不干凈介質(zhì)和弱腐蝕性介質(zhì)的兩位切斷場(chǎng)合。</p><p><b> (7)蝶閥</b></p>
46、<p> 相當(dāng)于取一段直管來(lái)做閥體,且閥體又相當(dāng)于閥座,自潔性能好、體積小、重量輕,適用于不干凈介質(zhì)和大口徑、大流量、低壓差的場(chǎng)合。當(dāng)DN>300mm時(shí),通常采用蝶閥。</p><p><b> (8)球閥</b></p><p> “O"形球閥全開(kāi)時(shí)為無(wú)阻調(diào)節(jié),自潔性能最佳,適用于特別不干凈、含纖維介質(zhì)的兩位切斷場(chǎng)合?!癡&quo
47、t;形球閥具有近似等百分比的調(diào)節(jié)特性,適用于不干凈、含纖維介質(zhì)可調(diào)比較大的調(diào)節(jié)場(chǎng)合。球閥價(jià)格較貴。</p><p><b> ?。?)偏心旋轉(zhuǎn)閥</b></p><p> 該閥介于蝶閥和球閥之間,自潔性能好,調(diào)節(jié)性能好,亦可切斷,適用于不干凈介質(zhì)和泄漏要求小的調(diào)節(jié)場(chǎng)合,但該閥價(jià)格較貴。</p><p><b> 選型注意事項(xiàng)<
48、;/b></p><p><b> 閥體材料選擇</b></p><p> 閥體耐壓等級(jí)、使用溫度和耐腐蝕性能等方面不低于工藝連接管道的要求,并應(yīng)優(yōu)先選用制造廠定型產(chǎn)品,遇有水蒸汽或含水較差的濕氣體和易燃易爆介質(zhì),或當(dāng)壞境溫度低于-30℃時(shí),不宜選用鑄鐵閥。選型注意事項(xiàng)</p><p><b> 閥內(nèi)件材質(zhì)選擇</b
49、></p><p> ?。?)非腐蝕性介質(zhì)一般選用1Cr18Ni9Ti或其它不銹鋼。 (2)在汽蝕、沖蝕較為嚴(yán)重的情況下,以及在介質(zhì)溫度與壓差構(gòu)成的直角坐標(biāo)中。溫度為300℃,壓差為1.5MPa的兩點(diǎn)連線以外的區(qū)域,應(yīng)選用耐磨材料,如鉆基合金或表面堆焊史泰萊合金。 (3)要求泄漏很小時(shí),應(yīng)選用軟密封,如四氟、橡膠。</p><p><b> 耐
50、蝕材料選擇</b></p><p> (1)對(duì)腐蝕性介質(zhì),應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的種類(lèi)、濃度、溫度、壓力的不同,選擇合適的耐腐蝕材料,同時(shí),還要考慮閥的經(jīng)濟(jì)性。</p><p> (2)選擇襯里材料(橡膠、塑料)時(shí),工作介質(zhì)的溫度、壓力、濃度都必須滿(mǎn)足該材料的使用范圍,并考慮閥動(dòng)作時(shí)對(duì)它的物理和機(jī)械破壞。 (3)真空閥不宜選用閥體內(nèi)襯橡膠、塑料結(jié)構(gòu)。 (4
51、)水處理系統(tǒng)的兩位切斷閥不宜選用襯橡膠材料,如襯膠蝶閥、隔膜閥。 高低溫材料選擇</p><p> ?。?)-200~-60℃時(shí),選用銅或1Cr18Ni9Ti; (2)-450~+600℃,選用含鈦鉬不銹鋼。</p><p><b> 其它注意事項(xiàng)</b></p><p> 在滿(mǎn)足使用的必要功能前提下,所選閥應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、可靠?jī)r(jià)廉、壽
52、命長(zhǎng)、維修方便,備件有來(lái)源。需考慮的主要因素如下:</p><p> ?。?)最基本的條件是應(yīng)該滿(mǎn)足工藝的壓力、流量、溫度的要求。 (2)閥的密封性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。 (3)閥的工作壓差小于閥的許用壓差。 (4)對(duì)通過(guò)閥內(nèi)不潔介質(zhì),易結(jié)垢介質(zhì),強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的考慮。 (5)對(duì)閥動(dòng)作速度,閥流量特性,作用方式,流向的考慮。
53、 (6)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式、輸出力、剛度及彈簧范圍的考慮。 (7)對(duì)附件及其成套性及特殊閥之特殊性能及要求的考慮。</p><p><b> 安裝注意事項(xiàng)</b></p><p> ?。?)宜垂直、正立安裝在水平管道上,公稱(chēng)通徑DN>50mm的調(diào)節(jié)閥,其閥 前后管道上最好有永久性支架。 (2)調(diào)節(jié)閥配
54、管應(yīng)組合緊湊,上、下部分應(yīng)留有足夠的空間,必要時(shí)應(yīng)設(shè)置平臺(tái),便于操作、維修和排液,配管通徑盡量與閥通徑一致。連接形式應(yīng)符合制造廠產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的規(guī)定。 (3)調(diào)節(jié)閥用于高粘度、易結(jié)晶、易汽化以及低溫流體時(shí),應(yīng)采取保溫和防凍措施。使用環(huán)境溫度一般不高于60℃,不低于-30℃,未安裝閥門(mén)定位器的調(diào)節(jié)閥,當(dāng)閥安裝在有振動(dòng)場(chǎng)合時(shí),應(yīng)考慮防振措施。 (4)未安裝閥門(mén)定位器的調(diào)節(jié)閥,膜頭上最好安裝指示控制信號(hào)的小型壓力表。
55、160;(5)安裝前應(yīng)先對(duì)閥檢查校驗(yàn),并在管道吹掃后安裝。用于懸浮物、高粘度介質(zhì)時(shí),應(yīng)配沖洗管線。 (6)入口管段長(zhǎng)度應(yīng)盡量長(zhǎng),對(duì)于小通徑閥門(mén),應(yīng)大于10倍管道通徑,調(diào)節(jié)閥出口直管段應(yīng)有3~5倍管道通徑。調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口取壓點(diǎn)位置,閥前為2倍管道通徑處,閥后為3倍管道通徑處。 (7)對(duì)小流量調(diào)節(jié)閥前應(yīng)安裝過(guò)濾裝置。 (8)務(wù)必按流動(dòng)方向箭頭安裝,安裝時(shí)應(yīng)避免過(guò)大的應(yīng)力。環(huán)境塵埃較多時(shí),應(yīng)采取保護(hù)閥桿的措施
56、,避免磨損或卡死。</p><p> 調(diào)節(jié)閥的使用效果反映在裝置上,好壞不只是產(chǎn)品自身出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題,它與設(shè)計(jì)院、用戶(hù)、生產(chǎn)廠家3方面有關(guān).水箱液位控制系統(tǒng)選擇何種型號(hào)的控制閥要根據(jù)系統(tǒng)在實(shí)際生活中的應(yīng)用。</p><p> 3。3 PID控制器的選擇</p><p> 控制器是控制系統(tǒng)的核心部件,它將安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送裝置送來(lái)的測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比
57、較產(chǎn)生偏差,并按預(yù)先設(shè)置好的控制規(guī)律對(duì)該偏差進(jìn)行預(yù)算,產(chǎn)生輸出型號(hào)去操縱執(zhí)行器,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制變量的控制。</p><p> 常見(jiàn)的PID控制器形式主要有三中:(1)硬件型,通用PID溫控氣;(2)軟件型,使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器上做PID控制器;(3)使用變頻器內(nèi)置PID控制功能,相對(duì)兩種來(lái)說(shuō),這種叫內(nèi)置型。這三種控制器形式各具特點(diǎn)。</p><p><b&
58、gt; PID溫控器</b></p><p> 現(xiàn)在PID溫控器多為數(shù)字型控制器,具有位空方式、數(shù)字PID控制方式以及模糊控制方式,有的還具有自整定功能,如富士PWX系列溫控器、歐陸800系列溫控器就屬此類(lèi)型。此類(lèi)溫控器的輸入輸出類(lèi)型都可通過(guò)設(shè)置參數(shù)來(lái)改變,考慮到抗干擾性,一般將輸入輸出類(lèi)型都設(shè)定位4—20mA電流類(lèi)型。這種PID形式的主要優(yōu)點(diǎn)有:操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能號(hào),適用于選用能過(guò)
59、的變頻器性能不是很高的應(yīng)用場(chǎng)合,同時(shí)控制器還具有傳感器斷線和故障自動(dòng)檢測(cè)功能。缺點(diǎn)是:PID調(diào)節(jié)過(guò)于頻繁,穩(wěn)態(tài)性能稍差,布線工作量多。調(diào)試注意要點(diǎn):P參數(shù)值不應(yīng)太大,一般為0.5—1;參數(shù)和D參數(shù)的比值大約位4:1參數(shù)的值一般位6s—16s;由于PID溫控器的響應(yīng)快,為了防止調(diào)整過(guò)程中壓力波動(dòng)過(guò)大,變頻器的上升和下降時(shí)間應(yīng)調(diào)大些,推薦30s—80s;設(shè)定PID溫控器的顯示標(biāo)尺斜率,校正壓力顯示值;設(shè)定適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波時(shí)間,抑制干擾的輸入。
60、</p><p><b> ?。?)軟件型PID</b></p><p> 這種類(lèi)型可以使用PLC指令編程編寫(xiě)PID算法程序,可以充分利用PLC的功能。優(yōu)點(diǎn)是控制性能號(hào),柔性好,在調(diào)節(jié)結(jié)束后,壓力十分穩(wěn)定,信號(hào)干擾小,調(diào)試簡(jiǎn)單,接線工作量少,可靠性高。缺點(diǎn)是編程工作量增加,需增加硬件成本。調(diào)試時(shí)要盡量設(shè)置短的變頻器的上升時(shí)間和下降時(shí)間。在編程設(shè)計(jì)中必須防止計(jì)算結(jié)果值
61、溢出,造成控制失控,而且還要編寫(xiě)校正傳感器零點(diǎn)和判斷是否正常的功能程序。</p><p> ?。?)變頻器內(nèi)置PID</p><p> 現(xiàn)在的大多數(shù)變頻器,無(wú)論是專(zhuān)用型,還是通用型都內(nèi)置了PID控制功能,這對(duì)節(jié)省系統(tǒng)的成本很有利使用變頻器的內(nèi)置PID功能,首先必須設(shè)定PID功能有效,然后確定PID控制器的信號(hào)輸入類(lèi)型,如采用有反饋信號(hào)輸入,則要求有設(shè)定值信號(hào),設(shè)定值可以是外部信號(hào),也可以
62、是面板設(shè)定值;如采用偏差輸入信號(hào),則無(wú)須輸入設(shè)定值信號(hào)。內(nèi)置型PID優(yōu)點(diǎn)是成本低,控制性能號(hào),設(shè)置的參數(shù)少,接線工作量較少,抗干擾性最好。缺點(diǎn)是這種PID也屬軟件型PID,響應(yīng)較慢,易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象;壓力的設(shè)置和顯示不直觀。調(diào)試應(yīng)盡量設(shè)置短的變頻器的上升時(shí)間和下降時(shí)間,使用面板設(shè)定設(shè)置值是,設(shè)定的是設(shè)置值與傳感器量程的相對(duì)值,設(shè)置正確的PID動(dòng)作方向。</p><p> 當(dāng)然。PID控制器在實(shí)際應(yīng)用中有很多類(lèi)型,
63、就水箱液位控制系統(tǒng)可選用的也有很多,具體選用何種型號(hào),要看具體情況而定。</p><p> 3.4 液位變送器的選擇</p><p> 測(cè)量變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的參數(shù)經(jīng)過(guò)檢測(cè)、變送單元轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。在模擬儀表中,標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通常采用4—20mADC、1—5VDC、0—10mADC的電流(電壓)信號(hào),或20—100kPa的氣壓信號(hào);在現(xiàn)場(chǎng)總線儀表中,標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。下面是
64、生產(chǎn)過(guò)程中常用的液位變送器:</p><p><b> 浮球式液位變送器</b></p><p> 浮球式液位變送器由磁性浮球、測(cè)量導(dǎo)管、信號(hào)單元、電子單元、接線盒及安裝件組成。一般磁性浮球的比重小于0.5,可漂于液面之上并沿測(cè)量導(dǎo)管上下移動(dòng)。導(dǎo)管內(nèi)裝有測(cè)量元件,它可以在外磁作用下將被測(cè)液位信號(hào)轉(zhuǎn)換成正比于液位變化的電阻信號(hào),并將電子單元轉(zhuǎn)換成4~20mA或其它標(biāo)
65、準(zhǔn)信號(hào)輸出。該變送器為模塊電路,具有耐酸、防潮、防震、防腐蝕等優(yōu)點(diǎn),電路內(nèi)部含有恒流反饋電路和內(nèi)保護(hù)電路,可使輸出最大電流不超過(guò)28mA,因而能夠可靠地保護(hù)電源并使二次儀表不被損壞。</p><p><b> 浮簡(jiǎn)式液位變送器</b></p><p> 浮筒式液位變送器是將磁性浮球改為浮筒,它是根據(jù)阿基米德浮力原理設(shè)計(jì)的。浮筒式液位變送器是利用微小的金屬膜應(yīng)變傳感
66、技術(shù)來(lái)測(cè)量液體的液位、界位或密度的。它在工作時(shí)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)按鍵來(lái)進(jìn)行常規(guī)的設(shè)定操作。</p><p> ?。?)靜壓或液位變送器</p><p> 該變送器利用液體靜壓力的測(cè)量原理工作。它一般選用硅壓力測(cè)壓傳感器將測(cè)量到的壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再經(jīng)放大電路放大和補(bǔ)償電路補(bǔ)償,最后以4~20mA或0~10mA電流方式輸出。</p><p> ?。?)電容式物位變送器&l
67、t;/p><p> 電容式物位變送器適用于工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量和控制生產(chǎn)過(guò)程,主要用作類(lèi)導(dǎo)電與非導(dǎo)電介質(zhì)的液體液位或粉粒狀固體料位的遠(yuǎn)距離連續(xù)測(cè)量和指示。電容式液位變送器由電容式傳感器與電子模塊電路組成,它以?xún)删€制4~20mA恒定電流輸出為基型,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換,可以用三線或四線方式輸出,輸出信號(hào)形成為1~5V、0~5V、0~10mA等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。電容傳感器由絕緣電極和裝有測(cè)量介質(zhì)的圓柱形金屬容器組成。當(dāng)料位上升時(shí),
68、因非導(dǎo)電物料的介電常數(shù)明顯小于空氣的介電常數(shù),所以電容量隨著物料高度的變化而變化。變送器的模塊電路由基準(zhǔn)源、脈寬調(diào)制、轉(zhuǎn)換、恒流放大、反饋和限流等單元組成。采用脈寬調(diào)特原理進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是頻率較低,對(duì)周?chē)漕l干擾、穩(wěn)定性好、線性好、無(wú)明顯溫度漂移等。</p><p><b> ?。?)超聲波變送器</b></p><p> 超聲波變送器分為一般超聲波變送器(無(wú)表頭
69、)和一體化超聲波變送器兩類(lèi),一體化超聲波變送器較為常用。一體化超聲波變更新器由表頭(如LCD顯示器)和探頭兩部分組成,這種直接輸出4~20mA信號(hào)的變送器是將小型化的敏感元件(探頭)和電子電路組裝在一起,從而使體積更小、重量更輕、價(jià)格更便宜。超聲波變送器可用于液位。物位的測(cè)量和開(kāi)渠、明渠等流量測(cè)量,并可用于測(cè)量距離。</p><p> 4 PID控制規(guī)律</p><p><b&g
70、t; 4.1 比例控制</b></p><p> 比例控制規(guī)律是指:控制器的輸出信號(hào)(指變化量)與輸出信號(hào)(指偏差、當(dāng)設(shè)定值)變時(shí),偏差就是被控量測(cè)量值的變化量)之間成比例關(guān)系,即: 比例增益:某值在一定范圍內(nèi)可調(diào),在相同偏差輸入下,越大,輸出也越大,比例控制作用越強(qiáng),因此是衡量比例作用弱的一個(gè)重要參數(shù)。 比例控制器傳遞函數(shù):</p><p> 在階躍偏差作用下,比例控
71、制器響應(yīng)曲線:</p><p> 比例控制是最基本的控制規(guī)律,其特點(diǎn)是控制作用簡(jiǎn)單,調(diào)整方便,且負(fù)荷變化時(shí),克服擾動(dòng)能力強(qiáng),控制作用及時(shí),過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短,但因控制器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)之間在任何時(shí)刻都存在之比例關(guān)系,所以過(guò)程終了時(shí)存在偏差,且負(fù)荷變化越大,余差也越大。</p><p> 比例控制對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響</p><p> 比例控制的控制作用效果如何
72、,關(guān)鍵問(wèn)題在于選擇合適的比例度,比例度時(shí)指控制器輸入的變化相對(duì)值與輸出的相對(duì)變化值之比的百分?jǐn)?shù),即:</p><p> ?。?控制器的輸入信號(hào)的變化量,即偏差信號(hào)。</p><p> :控制器的輸出信號(hào)的變化量,即控制命令。</p><p> ?。嚎刂破鞯妮斎胄盘?hào)的變化范圍,即量程。</p><p> ?。嚎刂破鬏敵鲂盘?hào)的變化范圍。<
73、/p><p> 將比例控制器切入系統(tǒng),閉環(huán)運(yùn)行時(shí)其比例度對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響如圖:</p><p> 余差:在擾動(dòng)(如負(fù)荷)及設(shè)定值變化時(shí),控制系統(tǒng)有余差存在。在相同的負(fù)荷變化量的擾動(dòng)下,比例度越小,余差越小;在比例度相同的情況下負(fù)荷變化量越大,則余差越大。</p><p> 對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響:有圖可看出,比例度越大,過(guò)渡過(guò)程的曲線越平穩(wěn);隨著比例度的減少,系統(tǒng)
74、將發(fā)散振蕩程度增加,衰減比減少,穩(wěn)定性變差,當(dāng)減少到某一數(shù)值時(shí),系統(tǒng)將發(fā)散振蕩,十分危險(xiǎn),有時(shí)甚至造成重大事故。</p><p> 對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響:由圖可見(jiàn),隨比例度的減少,振蕩加劇,振蕩頻率提高,將被控量拉回到設(shè)定值所需時(shí)間就短。一般而言,在廣義對(duì)象的放大系數(shù)較小,時(shí)間常數(shù)較大,時(shí)滯較小的情況下,比例度選的小些,以提高系統(tǒng)靈敏度;反之,當(dāng)廣義對(duì)象的放大系數(shù)較大,時(shí)間常數(shù)較小,而時(shí)滯較大的情況下,必須適當(dāng)
75、增大比例度以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p> 對(duì)最大偏差的影響:最大偏差在兩類(lèi)外作用下不一樣,在擾動(dòng)作用下越小,最大偏差越?。辉谠O(shè)定作用下是系統(tǒng)處于衰減振蕩時(shí),越小,最大偏差越大。</p><p> 有上述可知,只有當(dāng)比例度的取值適當(dāng)是,才可能取得系統(tǒng)呈衰減振蕩、最大偏差和余差都不太大,過(guò)程穩(wěn)定快,回復(fù)時(shí)間短的控制效果,在工業(yè)生產(chǎn)中近長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),液位控制系統(tǒng)大致取值范圍為:%20
76、~%80、</p><p> 在控制器的控制規(guī)律中,比例作用是最基本、最主要也是應(yīng)用最普遍的控制規(guī)律,它能較為迅速地克服擾動(dòng)的影響,使系統(tǒng)很快的確定下來(lái),通常使用干擾幅度較小,負(fù)荷變化不大,過(guò)程時(shí)滯較小,控制要求不高,允許有余差存在的場(chǎng)合。</p><p> 在液位控制系統(tǒng)中,往往只要求液位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),并沒(méi)有嚴(yán)格要求即可采用比例控制。</p><p>
77、4.2積分控制(I)</p><p> 積分控制規(guī)律是指輸出變化量與輸入變化量積分成正比,即: :積分速度</p><p> 積分控制特點(diǎn):積分控制主要用于消除余差,但作用緩慢,總滯后與偏差的存在不能及時(shí)有效的克服擾動(dòng)的影響,致使被控變量的動(dòng)態(tài)偏差增大,控制過(guò)程拖長(zhǎng),甚至使系統(tǒng)難以穩(wěn)定,因此積分控制規(guī)律在工業(yè)生產(chǎn)上很少單獨(dú)使用,都是與比例作用組合來(lái)使用的。</p><
78、;p> 4.3微分控制(D)</p><p> 微分控制規(guī)律是指其輸出信號(hào)的變化量與偏差信號(hào)的變化速度成正比,即: :微分時(shí)間</p><p> 微分控制規(guī)律特點(diǎn):微分控制作用是按偏差的變化速度進(jìn)行控制的,因此它具有“超前控制”作用,其控制的結(jié)果不能消除偏差,所以控制規(guī)律不能單獨(dú)使用。它常與比例或比例積分組合構(gòu)成比例微分或比例積分微分控制規(guī)律,而從實(shí)際使用情況來(lái)看,比例微分
79、控制規(guī)律使用的較少,在生產(chǎn)上微分往往與比例積分結(jié)合在一起使用,組成PID控制。</p><p> 4.4比例積分控制(PI)</p><p> 比例積分控制規(guī)律是比例作用與積分作用的疊加,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為: :比例項(xiàng) :是積分項(xiàng) :積分時(shí)間 </p><p> 比例積分控制是在比例控制作用的基礎(chǔ)上引入積分作用來(lái)消除余差,故比例積分控制是使用最多、應(yīng)用最
80、廣的控制規(guī)律,在反饋控制系統(tǒng)中,約有75%是采用PI作用的。但是,加入積分作用后,會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低;要保持系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性,必須加大比例度(即削弱比例作用),這又會(huì)使2質(zhì)量有所下降,如最大偏差和振蕩周期相應(yīng)增大、過(guò)渡時(shí)間加長(zhǎng)。對(duì)于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不太大、工藝、參數(shù)不允許有余差的場(chǎng)合(如流量或壓力控制),采用比例積分控制規(guī)律可獲得較好的控制質(zhì)量。</p><p> 4.5比例積分微分控制(PID)&l
81、t;/p><p> 理想比例積分微分控制規(guī)律PID的表達(dá)式:</p><p> 雖然微分作用對(duì)于克服容量滯后有顯著的效果,但對(duì)克服純滯后是無(wú)能為力的。在比例作用的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,再加入積分作用可以消除余差。所以適當(dāng)調(diào)整、、三個(gè)參數(shù),可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。由于,PID控制規(guī)律集中了三種控制作用的優(yōu)點(diǎn),既能快速進(jìn)行控制,有能消除偏差,還可以根據(jù)被控制變量的變化
82、趨勢(shì)超前動(dòng)作,具有較好的控制性能,所以在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。</p><p><b> 5 簡(jiǎn)單實(shí)例</b></p><p> 水箱液位控制系統(tǒng)應(yīng)用很廣,浮子式液位控制是其中比較簡(jiǎn)單的一種應(yīng)用,浮子常用來(lái)測(cè)量液位,但是在日常生活中它卻常常發(fā)揮著其他用途,用它常常可以構(gòu)成簡(jiǎn)單的比例調(diào)節(jié)器,最常見(jiàn)的廁所水箱里面裝浮子并不是用來(lái)測(cè)水位,而是用來(lái)控制水位的;在汽車(chē)的
83、“化油器”中,用來(lái)控制油位的高低。</p><p> 5.1 液位控制在廁所中的應(yīng)用</p><p> 為了節(jié)省水,沖廁所必須用足夠多的水以足夠的沖力一次沖凈。為了有足夠的沖力,蓄水用的水箱中的水必須有足夠的水位,而控制這個(gè)水位的任務(wù)就交給了水箱中的浮子。其具體原理是:水箱里的浮子通過(guò)長(zhǎng)柄帶動(dòng)進(jìn)水閥門(mén),水位低時(shí)閥門(mén)開(kāi)大,當(dāng)水位到達(dá)足夠使用的高度時(shí),浮子就把進(jìn)水閥門(mén)關(guān)閉了。</p&
84、gt;<p> 裝置在水進(jìn)滿(mǎn)以后就不再工作了,這是因?yàn)閹鶝_水是不定期的,而且是一次性的。但是,假如水箱底部出水處的放水閥(空心橡皮塞)關(guān)閉不嚴(yán)的話,水位就不可能維持長(zhǎng)久,一旦水位稍低,浮子就會(huì)把進(jìn)水閥門(mén)微微的打開(kāi)一些。這時(shí)有了進(jìn)水補(bǔ)充,若進(jìn)水和出水能平衡,水位就不再下降,穩(wěn)定在一個(gè)新高度上。如果出水塞破損,水漏得太快,水位必然要下降,浮子也就要降低,進(jìn)水閥也就會(huì)開(kāi)大,進(jìn)水流量也就會(huì)增加,水位不至于下降太多。你若把出水塞
85、的漏水看成某人在用水,如果沒(méi)有任何控制進(jìn)水的裝置,肯定很快就要漏光。但現(xiàn)在就不同了。在連續(xù)用水的情況下,有了這套裝置也會(huì)是水位變化不致太大。換句話說(shuō),連續(xù)用水情況下,它對(duì)水位也有自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。水位偏差越大進(jìn)水閥的動(dòng)作幅度也越大,這種特性就叫“比例動(dòng)作”。只不過(guò)在廁所水箱正常使用中體現(xiàn)不出連續(xù)調(diào)節(jié)的作用,只看到它能控制進(jìn)水終了時(shí)的水位。</p><p> 5.2 液位控制在汽車(chē)上的應(yīng)用</p>&l
86、t;p> 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上的“化油器”(新式有電噴裝置的汽車(chē)沒(méi)有化油器),其功能是“化”汽油用的,但不是化合而是混合。</p><p> 活塞在汽缸里運(yùn)動(dòng)的吸氣過(guò)程,會(huì)使進(jìn)氣的喉管處形成氣流,氣流把汽油從浮子室里吸出來(lái)并沖成霧狀,再加上汽油的揮發(fā)作用就和空氣充分混合變成易燃?xì)怏w。為了混合均勻,要保持汽油在進(jìn)入氣流時(shí)有恒定的壓力,這就必須維持小室里的油位恒定。</p><p> 汽油
87、的消耗量隨載重量、車(chē)速、路況等因素而變,所以浮子室往外送出的汽油流量是會(huì)變的,但無(wú)論怎么變,浮子室的油位不應(yīng)該有太大的波動(dòng)。用浮子控制進(jìn)油流量就能達(dá)到這個(gè)要求。耗油多時(shí)油位低,浮子下降,把進(jìn)油針閥開(kāi)大,油位也就不會(huì)太低了。反之,耗油少時(shí)進(jìn)油減少,小室里的油也不會(huì)過(guò)滿(mǎn)。</p><p> 正是這種簡(jiǎn)單的水箱液位控制系統(tǒng)在我們?nèi)粘I钐峁┲鞣N實(shí)用的服務(wù).</p><p><b>
88、 總結(jié)</b></p><p> 經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力,本次畢業(yè)設(shè)計(jì)圓滿(mǎn)完成。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中通過(guò)查閱大量的資料,是我的知識(shí)得以擴(kuò)充,加深了對(duì)本專(zhuān)業(yè)的認(rèn)識(shí),這次畢業(yè)設(shè)計(jì)通過(guò)老師的指導(dǎo),同組同學(xué)的討論,以及自己的努力,我圓滿(mǎn)的完成了任務(wù),達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。我學(xué)會(huì)了過(guò)程控制設(shè)計(jì)的基本方法,對(duì)系統(tǒng)的整體分析。真正感受到所學(xué)知識(shí)與實(shí)際的應(yīng)用。</p><p> 通過(guò)這次設(shè)計(jì)使我明白到
89、有些東西看上去非常簡(jiǎn)單,當(dāng)自己置身其中去做時(shí),并不容易了。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里,我也發(fā)現(xiàn)了自己所應(yīng)該改進(jìn)或是較為缺乏的部分,其一是分析問(wèn)題的能力:可能是自己學(xué)習(xí)的不夠扎實(shí),實(shí)習(xí)中碰到了不少釘子,遇到問(wèn)題時(shí)頭腦很茫然;二是解決問(wèn)題的成熟度:這也許是個(gè)性使然,再加上缺少經(jīng)驗(yàn)的累積和歷練,所以在處理設(shè)計(jì)中的問(wèn)題時(shí),容易慌慌張張.這次設(shè)計(jì)也讓我再次體會(huì)到書(shū)本上學(xué)習(xí)到的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用起來(lái)是兩個(gè)完全不同的概念,所以在現(xiàn)階段的學(xué)習(xí)中,我們主要是
90、應(yīng)該去學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)理論知識(shí),學(xué)習(xí)掌握分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。在以后的工作中,把理論和實(shí)際相結(jié)合,努力實(shí)現(xiàn)大學(xué)所學(xué)習(xí)的理論知識(shí)。所以說(shuō),這次畢業(yè)設(shè)計(jì)也是對(duì)以前所學(xué)知識(shí)的一個(gè)初審吧!對(duì)于我以后學(xué)習(xí)、找工作也真是受益菲淺。我感性回到理性的重新認(rèn)識(shí),進(jìn)一步對(duì)社會(huì)的認(rèn)知,對(duì)于以后工作所應(yīng)把握的方向也有所啟發(fā)!</p><p><b> 致謝</b></p><p> 在這次畢
91、業(yè)設(shè)計(jì)中,我要感謝我的指導(dǎo)老師,他給予我許多的幫助和鼓勵(lì)。我還要感謝在設(shè)計(jì)過(guò)程中所有給予我真誠(chéng)熱情幫助的老師和同學(xué)。感謝百忙之中評(píng)閱論文和答辯的老師</p><p><b> 參考文獻(xiàn)</b></p><p> 過(guò)程控制系統(tǒng) 王永紅主編 電子工業(yè)出版社</p><p> 生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化儀表識(shí)圖 李
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