上水箱非线性液位前馈-反馈控制

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1、28过程控制综合实践上水箱非线性液位前馈反馈控制小组成员：尹国梁佐俊张素田风锐指导教师：徐宝昌许亚岚许锋聂建英28/2928目录前言说明2一、被控对象的系统分析21.1被控对象的工艺流程解析21.2控制需求31.3对象特性分析3二、上水箱非线性液位前馈-反馈控制系统设计的详细内容42.1被控变量、操纵变量、扰动变量的选择42.2控制回路、控制算法、安全联锁与报警等功能设计42.3I/O表5三、控制系统设备选型与电气控制图绘制53.1控制系统设备选型53.2电气控制图绘制P&ID图8四、组态王监控软件的详细设计1

2、0五、控制系统仿真研究15六、控制系统的投运与参数整定实验21七、实验结果及分析241．液位控制系统控制器参数整定242．实验结果243．控制方案优缺点，及如何改进控制方案1八、其他261．设计中的主要感受和建议262．资料与文献列表2628/2928说明：本题目进行复杂控制器的设计，这些设计难度比较高，实验需要的时间较长。可以较充分的锻炼学生进行复杂控制系统设计的能力。目的与要求：以A3000实验系统中的现场系统为基础，设计上水箱非线性液位前馈-反馈控制系统。要求学生以现有实验装置为基础自行设计，进行该液位控

3、制系统的设计。确定选用的检测点和操纵变量，分析说明理由。进行仪表的选型，利用实验室现有的计算机控制系统或模拟仪表控制系统来进行系统接线，完成系统的投运，设定合适的PID参数，以达到要求的控制系统性能指标。可进一步采用一些先进控制算法来提高控制系统的性能。综合考虑抗干扰问题、控制系统的稳定性、鲁棒性、动态性能、稳态偏差等，对所设计的控制系统进行分析，并分析PID的三个调整参数对控制系统的影响等。一、被控对象的系统分析1.1被控对象的工艺流程解析系统包括一个水泵，电磁流量计，电动调节阀，一个液位测量仪表。可以用控制

4、手阀的方式模拟流量上产生的扰动，从而会导致液位出现不稳定，破坏了稳态。在扰动进入水箱改变液位之前，电磁流量计将检测到的流量信号与给定液位值进行比较后送入调节器，经过PI运算后，其输出信号用来增大或减小电动调节阀的开度，使液位不会出现过大的改变，使扰动在产生偏差之前消除偏差。水箱液位是通过压力液位传感器测得，将检测到的液位信号与给定液位值进行比较后送入调节器，经过PI运算后，其输出信号作为调节器-电动调节阀阀门的开度信号，控制进水量的大小，从而控制液面高度。电磁流量计控制信号和压力液位传感器控制信号通过一个加法器

5、连接，实现对调节阀的控制。28/29281.2控制需求单容水箱的液位控制，就是控制进水量，使其与出水量相同，控制上水箱液位在工艺要求的范围内，并对干扰有比较快的响应速度，能在较短的时间内克服扰动，达到理想的控制效果。管路流量上产生的扰动，会导致液位出现超调，被控量在相应时间上落后，由于单回路控制在时间上滞后较大，所以扰动出现后的调节时间较长。前馈控制是按照扰动的大小和方向，产生相应的补偿作用，削弱扰动对被控过程的影响，从而减小超调，甚至没有超调。但是前馈控制属于开环控制，无法检验响应，通常无法单独使用，采用前馈

6、—反馈控制方法，通过反馈可以对控制效果加以检验。1.3对象特性分析系统特点：该系统即保留了反馈控制良好的跟随给定的优点，又弥补了抗扰特性的不足控制系统的扰动：管路流量波动控制难点：该系统水箱为非线性，不易使液位平衡28/2928二、上水箱非线性液位前馈-反馈控制系统设计的详细内容2.1被控变量、操纵变量、扰动变量的选择被控变量:水箱的液位操作变量:管路水的流量扰动变量:管路水的流量2.2控制回路、控制算法等功能设计利用A3000高级过程控制系统，控制系统回路由水泵，电磁流量计，电动调节阀，上水箱液位检测变送器以

7、及AS3010系统组成。AS3010子系统包括福光百特一台内给定智能调节仪，和一台外给定智能调节仪。下面说明系统工作过程:PID控制器液位检测变送上水箱电动调节阀流量检测变送前馈补偿器给定液位+1扰动输出液位-系统有自动和手动模式。当设置系统工作方式为自动时，可以设置水箱液位高度，通过PI控制器的设置，控制调节阀的开度，从而保持水箱的液位高度稳定。对于前馈控制，如果管路流量出现变化，过电磁流量计反馈，并与设定值进行比较，如果反馈值大于设定值，通过反作用方式控制器，使控制器输出为正，调节阀开度增大，使流量输出增大

8、，保证了管路流量保持稳定值不变。如果反馈值小于设定值，通过反作用方式控制器时控制器的输出为负，减小调节阀的开度，从而使水箱液位减小，同样能保证管路流量保持稳定值不变。28/2928对于反馈控制，如果液位出现变化，通过水箱液位检测器反馈，并与设定值进行比较，如果反馈值大于设定值，通过反作用方式控制器，使控制器输出为正，调节阀开度增大，使水箱液位输出增大，保证了液位高度保持稳定值不变。如果