自动控制课程设计-—三容水箱液位控制系统设计

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1、自动控制课程设计——三容水箱液位控制系统设计指导老师李斌专业电气工程与自动化姓名周欢学号6312240603322014年12月目录1问题描述12建立模型22.1被控量的选择22.2操控量的选择22.3模型的选择32.3.1单容水箱数学模型32.3.2双容水箱的数学模型52.3.3三容水箱的数学模型63算法描述73.1算法选择73.2控制器设计73.2.1PID调节器73.2.1.1PID调节器参数初值93.2.1.2PI调节器93.2.1.3PID调节器133.2.2串级反馈调节134参考文献19三容水箱液位控制系统的设计1三容水箱液位控制系统的设计三容水箱液位控

2、制系统的设计1三容水箱液位控制系统的设计22三容水箱液位控制系统的设计1问题描述本次设计以软饮料中的植物蛋白饮料的生产为背景进行设计。植物蛋白饮料的生产工艺流程图如图1所示。生产过程大致为：原料选取浸泡磨浆过滤调配一次均质二次均质封装杀菌成品。其中过滤、调配、均质均可以在物料罐中进行。其中过滤，调配，均质等均可在物料罐中进行。在过滤环节将植物如大豆浸泡去皮后加入适量水研磨成浆体，经离心过滤机过滤分离，除去残余的豆渣和杂质等。调配环节将过滤后的浆体先加水稀释，然后按比例加配料。均质环节将调配后的浆体经均质机均质，使浆体进一步破碎，更加细腻。在生产过程中，可以将这三个环

3、节看为一个三容水箱模型来进行相应的控制。图1植物蛋白饮料生产流程图现代生产过程中将检测技术，自动控制理论，通信技术和计算机技术结合在一起组成一套完整的过程控制系统，三容水箱模型简化图如图2所示。图2三容水箱模型图1、物料从上级进料口进入过滤罐；2、三个物料罐从上至下分别为过滤罐，调配罐和均质罐，三个罐大小相同，底面积均为5，高均为6；3、罐的出口均在罐体侧面底部且出料口直径均为；4、进料口的压强为定值，即只要控制V1的开度即可控制流进三容箱系统的物料量，有如下关系：；其中为进料口流入的物料量，22三容水箱液位控制系统的设计为比例系数，u为阀门的开度。现要设计控制系统

4、控制物料罐F3内液位高度保持与设定值一致，对物料灌F1和物料灌F2中的液位高度无特殊要求，可将泵保持为全开状态。控制系统参数如下：（1）三个水箱的截面积：；（2）三个水箱的最大深度：；（3）三个水箱的初始液位：；（4）三个水箱从高到低依次安置，上一级出水口在下一级进水口上方（5）所有管道直径：，管道长度对控制的延时影响忽略不计；（6）液位变送器采用BTY-G系列光纤液位变送器，测量范围：，输出：，环境温度：；（7）调节阀采用ZRQM系列智能型电动调节阀，输入信号：，输出行程：，环境温度：,=0.012，线性阀阻R=0.01229。2建立模型2.1被控量的选择被控量的

5、选择是控制系统的方案设计中必须首先解决的重要内容，他的选择对稳定生产，提高产品的产量和质量，节料节能，改善劳动条件，以及保护环境都有决定性的意义。而被控量的选择要求设计人员必须根据工艺操作的要求，找出那些对产品的产量和质量、安全生产、经济运行、环境保护等具有决定性作用，能很好地反映工艺生产状态变化的参数。在植物蛋白饮料的生产过程中，控制要求就是使产品达到一定的浓度，充分发挥产品的营养作用。因而在物料罐内均质后的物料浓度最能反映生产过程的要求，把它作为被控量最好。但是由于，目前对于成分的检测还存在不少问题，例如，介质本身的物理、化学性质及使用条件的限制，使准确检测还有

6、困难，取样周期也长，这样往往满足不了自动控制的要求，故本次设计采用物料罐内物料的液位这个间接参数作为被控量。2.2操控量的选择由于本次设计选用物料罐内物料液位作为被控量，故在整个液位控制系统中最适合作为操纵量的便是物料的流速。它可以直接对均质物料罐内物料的液位进行控制，同时由于两两相连的物料罐之间的管道长度有限，对生产的延时影响忽略不计。故本次设计选用物料的流量作为操纵量。22三容水箱液位控制系统的设计2.3模型的选择2.3.1单容水箱数学模型图4所示的就是单容水箱的结构图，图中不断有液体流入水箱，同时也有液体不断由水箱流出。被控参数为水箱水位h1，流入量Qin由改

7、变阀V1的开度u加以控制流出量Q1则由用户根据需要改变阀2开度来改变。图4单容水箱结构图先分析控制阀开度u与液位h1的数学关系。设初始时刻t=0时，单容水箱系统处于平衡状态，即有：（2-1）（2-2）t=0时刻控制阀开度阶跃增大，流入量Qin阶跃增大即（2-3）这就使，液位h1开始上升。随着h1上升，阀V2两侧差压变大，流出量也增大，这样在不断的调节下，当时，液位重新稳定在一个全新高度。在时间内，液体体积变化量为，由守恒定律可得：（2-4）化简为：（2-5）再改写为增量形式：（2-6）液位h1变化时，设流出单容水箱的液体22三容水箱液位控制系统的设计的质量为m，