自动控制课程设计三容水箱液位控制系统设计 大学学位论文.doc

自动控制课程设计 指导老师 李 斌 专 业 电气工程与自动化 姓 名 周 欢 学 号 631224060332 2014 年 12 月1 问题描述 1 2 建立模型 2 2.1被控量的选择 2 2.2操控量的选择 2 2.3模型的选择 3 2.3.1单容水箱数学模型 3 2.3.2双容水箱的数学模型 5 2.3.3三容水箱的数学模型 6 3 算法描述 7 3.1算法选择 7 3.2控制器设计 7 3.2.1 PID调节器 7 3.2.1.1 PID调节器参数初值 9 3.2.1.2 PI调节器 9 3.2.1.3 PID调节器 13 3.2.2 串级反馈调节 13 4 参考文献 19  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，为比例系数，u为阀门的开度。 现要设计控制系统控制物料罐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： 三个水箱的截面积：； 三个水箱的最大深度：； 三个水箱的初始液位：； 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 所有管道直径：，管道长度对控制的延时影响忽略不计； 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：； 调节阀采用ZRQM系列智能型电动调节阀输入信号：，环境温度,=0.012，线性阀阻29。 2 建立模型 2.1被控量的选择 被控量的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 2.3模型的选择 2水箱数学模型 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 （2-1） （2-2） （2-3） ，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） （2-5） （2-6） 1变化时，设流出单