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 631224060332
2014 年 12 月
目录 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
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，可以将这三个环节看为一个三容水箱模型来进行相应的控制。
高位罐稳定剂白砂糖化糖罐浸泡磨浆200目过滤调配一次均质 (20MPa)缓冲罐二次均质 (38MPa)灌装、封铝膜杀菌
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。
进料口V1泵V2过滤罐F1V3调配罐F2V4出料口均质罐F2
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5m2，高均为6m；
3、罐的出口均在罐体侧面底部且出料口直径均为100mm；
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：Qin?K?u；其中Qin为进料口流入的物料量，K为比例
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三容水箱液位控制系统的设计
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：
（1） 三个水箱的截面积：A1?A2?A3?5m； （2） 三个水箱的最大深度：h1max?h2max?h3max?6m； （3） 三个水箱的初始液位：h1?h2?h3?2m；
（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：d?100mm，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：0~65m，输出：
4~20mA，环境温度：?30~100?C；
2（7） 调节阀采用ZRQM系列智能型电动调节阀，输入信号：0~5V，输出行
?40~450?C,K=0.012，0~100mm，程：环境温度：线性阀阻R=0.01229。 u
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
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。
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