【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目：水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目 錄任務(wù)書 2摘要 31 緒論 4 過程控制的定義 4 過程控制的目的 4 過程控制的特點(diǎn) 5 過程控制的發(fā)展與趨勢(shì) 52 水箱液位控制系統(tǒng)的原理 6 人工控制與自動(dòng)控制 6 水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖 7 水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 83 水箱液位控制系統(tǒng)的組成 11 被控制變量的選擇 11 執(zhí)行器的選擇 11 PID控制器的選擇 15 液位變送器的選擇 174 PID控制規(guī)律 18 比例控制 18 積分控制 21 微分控制 21 比例積分控制 21 比例積分微分控制 225 應(yīng)用實(shí)例 22 液位控制在廁所中的應(yīng)用 22 液位控制在汽車上的應(yīng)用 23總結(jié) 24致謝 25參考文獻(xiàn) 25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題,例如居民生活用水的供應(yīng),飲料、食品加工,溶液過濾,化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程,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,既不能太滿溢出造成浪費(fèi),也不能過少而無法滿足需求。因此液面高度是工業(yè)控制過程中一個(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。關(guān)鍵詞 PID控制 過程控制 液位控制1 緒論1．1過程控制的定義生產(chǎn)過程自動(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)過程的自動(dòng)控制。電力拖動(dòng)及電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等過程的自動(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)過程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制通稱為過程控制。過程控 制是自動(dòng)控制學(xué)科的一個(gè)重要分支，是對(duì)過程控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合。1．2過程控制的目的生產(chǎn)過程中，對(duì)各個(gè)工藝過程的物理量（或稱工藝變量）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)境的影響也已納入過程控制的目標(biāo)范圍。綜上所述，過程控制的主要目標(biāo)包括一下幾個(gè)方面：① 保障生產(chǎn)過程的安全和平穩(wěn)；② 達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)量和質(zhì)量；③ 盡可能地減少原材料和能源損耗；④ 把生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的危害降低到最小程度。由此可見，生產(chǎn)過程自動(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。1．3過程控制的特點(diǎn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制一般要求保持過程進(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，過程參數(shù)的變化，不但受外界條件的影響，它們之間往往也相互影響，這就增加了某些參數(shù)自動(dòng)控制的復(fù)雜性和難度，過程控制有如下特點(diǎn)：① 被控對(duì)象的多樣性；② 對(duì)象存在滯后；③ 對(duì)象特性的非線性；④ 控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。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)算機(jī)控制系統(tǒng)等），都是通過必要的理論計(jì)算，采用現(xiàn)場的方法達(dá)到過程控制的目的。1．4過程控制的發(fā)展與趨勢(shì)20世紀(jì)40年代開始形成的控制理論被成為“20世紀(jì)上半葉三大偉績之一”，在人類社會(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)，可以追溯到我國古代，如指南車的出現(xiàn)。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)（包括過程控制系統(tǒng)）是簡單控制系統(tǒng)，儀表是基地式、大尺寸的、滿足當(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，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年代開始，隨著工業(yè)的發(fā)展、控制需求的提高，除了簡單控制系統(tǒng)以外，各種復(fù)雜控制系統(tǒng)也發(fā)展起來了，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年代開始，為了解決大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化與控制問題，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)來看，過程控制已經(jīng)經(jīng)歷了四個(gè)階段：基地式控制階段（初級(jí)階段）、單元組合儀表自動(dòng)化階段、計(jì)算機(jī)控制的初級(jí)階段、綜合自動(dòng)化階段。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，過程優(yōu)化受到普遍關(guān)注，傳統(tǒng)的DCS正在走向國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng)，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(CPIS)發(fā)展方向。綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，就是包括生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度、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)，亦稱管理控制一體化系統(tǒng)（簡稱管控一體化系統(tǒng)）。這類自動(dòng)化是靠計(jì)算機(jī)的組成特征，過程系統(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)（C