【文章內(nèi)容簡介】 特 別 是 一 些 被 控 量 是 溫度 等 參 數(shù) 時(shí) ， 控 制 要 求 較 高 ， 如 果 采 用 單 回 路 控 制 系 統(tǒng) 往 往 不 能 滿 足 生 產(chǎn) 工藝 的 要 求 。 利 用 串 級(jí) 控 制 系 統(tǒng) 存 在 二 次 回 路 而 改 善 過 程 動(dòng) 態(tài) 特 性 ， 提 高 系 統(tǒng)工 作 頻 率 ， 合 理 構(gòu) 造 二 次 回 路 ， 減 小 容 量 滯 后 對(duì) 過 程 的 影 響 ， 加 快 響 應(yīng) 速 度 。在 構(gòu) 造 二 次 回 路 時(shí) ， 應(yīng) 該 選 擇 一 個(gè) 滯 后 較 小 的 副 回 路 ， 保 證 快 速 動(dòng) 作 的 副 回路 。 被 控 過 程 中 存 在 純 滯 后 會(huì) 嚴(yán) 重 影 響 控 制 系 統(tǒng) 的 動(dòng) 態(tài) 特 性 ， 使 控 制 系 統(tǒng) 不能 滿 足 生 產(chǎn) 工 藝 的 要 求 。 使 用 串 級(jí) 控 制 系 統(tǒng) ， 在 距 離 調(diào) 節(jié) 閥 較 近 、 純 滯 后 較小 的 位 置 構(gòu) 成 副 回 路 ， 把 主 要 擾 動(dòng) 包 含 在 副 回 路 中 ， 提 高 副 回 路 對(duì) 系 統(tǒng) 的 控制 能 力 ， 可 以 減 小 純 滯 后 對(duì) 主 被 控 量 的 影 響 。 改 善 控 制 系 統(tǒng) 的 控 制 質(zhì) 量 。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級(jí)控制設(shè)計(jì)與仿真10 串 級(jí) 控 制 系 統(tǒng) 的 副 回 路 對(duì) 于 回 路 內(nèi) 的 擾 動(dòng) 具 有 很 強(qiáng) 的 抑 制 能 力 。 只 要 在設(shè) 計(jì) 時(shí) 把 變 化 劇 烈 幅 度 大 的 擾 動(dòng) 包 含 在 副 回 路 中 ， 即 可 以 大 大 削 弱 其 對(duì) 主 被控 量 的 影 響 。 在 過 程 控 制 中 ， 一 般 的 被 控 過 程 都 存 在 著 一 定 的 非 線 性 。 這 會(huì) 導(dǎo) 致 當(dāng) 負(fù)載 變 化 時(shí) 整 個(gè) 系 統(tǒng) 的 特 性 發(fā) 生 變 化 ， 影 響 控 制 系 統(tǒng) 的 動(dòng) 態(tài) 特 性 。 單 回 路 系 統(tǒng)往 往 不 能 滿 足 生 產(chǎn) 工 藝 的 要 求 ， 由 于 串 級(jí) 控 制 系 統(tǒng) 的 副 回 路 是 隨 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) ，具 有 一 定 的 自 適 應(yīng) 性 ， 在 一 定 程 度 上 可 以 補(bǔ) 償 非 線 性 對(duì) 系 統(tǒng) 動(dòng) 態(tài) 特 性 的 影 響[2]。北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級(jí)控制設(shè)計(jì)與仿真11第 3 章 液位和流量的檢測轉(zhuǎn)換元件在工程上，流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過管道某一截面的物料數(shù)量，其常用的計(jì)量單位有以下三種：1）體積流量 Q 單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的物料體積，用立方米每小時(shí)（m 3/h）,升每小時(shí)（l/h）等單位表示。2）重量流量 G 單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的物料的重量，一般用公斤力每小時(shí)（Kgf/h）表示。3）質(zhì)量流量 M 單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的物料的質(zhì)量，可用公斤每小時(shí)（Kg/h）表示。上述三種流量之間的關(guān)系為 M= Q ………………………………………()?………………………()GgM??式中， 是流體密度； 是流體重度；g 是重力加速度。? 流量計(jì)的種類繁多，各適合于不同的工作場合。 . 容積式流量計(jì)容積式流量計(jì)是直接根據(jù)排出體積進(jìn)行流量累計(jì)的儀表，它利用運(yùn)動(dòng)元件的往復(fù)次數(shù)或轉(zhuǎn)速與流體的連續(xù)排出量成比例對(duì)被測流體進(jìn)行連續(xù)的檢測。容積式流量計(jì)可以計(jì)量各種液體和氣體的累積流量，由于這種流量計(jì)可以精密測量體積量，所以其類型包括從小型的家用煤氣表到大容積的石油和天然氣計(jì)量儀表，廣泛地用作管理和貿(mào)易的手段。容積式流量計(jì)由測量室、運(yùn)動(dòng)部件、傳動(dòng)和顯示部件組成。它的測量主體為具有固定標(biāo)準(zhǔn)容積的測量室，測量室由流量計(jì)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)部件與殼體構(gòu)成。在流體進(jìn)、出口壓力差的作用下，運(yùn)動(dòng)部件不斷地將充滿在測量室中的流體從人口排向出口。假定測量室的固定容積為 V，某一時(shí)間間隔內(nèi)經(jīng)過流量計(jì)排出北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級(jí)控制設(shè)計(jì)與仿真12流體的固定容積數(shù)為，則被測流體的體積總量 Q 可知。容積流量計(jì)的流量方程式可以表示為：Q=nV。計(jì)數(shù)器通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)測出運(yùn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)數(shù)，n 即可知，從而給出通過流量計(jì)的流體總量。在測量較小流量時(shí)，要考慮泄漏量的影響，通常儀表有最小流量的測量限度。容積式流量計(jì)的運(yùn)動(dòng)部件有往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩種形式。往復(fù)運(yùn)動(dòng)式有家用煤氣表、活塞式油量表等。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)式有旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)、橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)等。各種流量計(jì)型式適用于不同的場合和條件。下面主要介紹齒輪流量計(jì)：橢圓齒輪流量計(jì)的測量本體由一對(duì)相互嚙合的橢圓齒輪和儀表殼體構(gòu)成，其工作原理如下圖所示。兩個(gè)橢圓齒輪 A、B 在進(jìn)出口流體壓力差的作用下，交替地相互驅(qū)動(dòng)，并各自繞軸作非勻角速度的轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中連續(xù)不斷地將充滿在齒輪與殼體之間的固定容積內(nèi)的流體一份份地排出。齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)可以通過機(jī)械的或其他的方式測出，從而可以得知流體總流量。兩個(gè)齒輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，流量計(jì)將排出 4 個(gè)半月形容積的流體。通過橢圓齒輪流量計(jì)的流體總量可表示為： Q=4nV0。式中 n 為橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)；Vo 為半月形容積，兩個(gè)半月形容積相等且恒定。齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)通過變速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)器來顯示總流量。也可以通過電磁轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈動(dòng)信號(hào)，由對(duì)脈動(dòng)信號(hào)的計(jì)數(shù)就可以反映出總流量的大小。橢圓齒輪流量計(jì)適用于高粘度液體的測量。流量計(jì)基本誤差為177。％～177。％；范圍度為 10：1；工作溫度要低于 120℃，以防止齒輪卡死。在使用時(shí)要注意防止齒輪的磨損與腐蝕，以延長儀表壽命。當(dāng)被測液體的粘度北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級(jí)控制設(shè)計(jì)與仿真13≤3010 3Pas 時(shí)，其壓力損失≤。優(yōu)點(diǎn):(1)計(jì)量精度高；(2)安裝管道條件對(duì)計(jì)量精度沒有影響；(3)可用于高粘度液體的測量；(4)范圍度寬；(5)直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計(jì)總量,清晰明了,操作簡便。缺點(diǎn):(1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大；(2)被測介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大；(3)不適用于高、低溫場合；(4)大部分儀表只適用于潔凈單相流體；(5)產(chǎn)生噪聲及振動(dòng)。(節(jié)流式流量計(jì))差壓式流量計(jì)基于在流通管道上設(shè)置流動(dòng)阻力件，流體通過阻力件時(shí)將產(chǎn)生壓力差，此壓力差與流體流量之間有確定的數(shù)值關(guān)系，通過測量差壓值可以求得流體流量。最常用的差壓式流量計(jì)是由產(chǎn)生差壓的裝置和差壓計(jì)組合而成。流體流過差壓產(chǎn)生裝置形成靜壓差，由差壓計(jì)測得差壓值，并轉(zhuǎn)換為流量信號(hào)輸出。產(chǎn)生差壓的裝置有多種型式，包括節(jié)流裝置：如孔板、噴嘴、文丘利管等，以及動(dòng)壓管、均速管、彎管等。其他型式的差壓式流量計(jì)還有靶式流量計(jì)、浮子流量計(jì)等。節(jié)流式流量計(jì)可用于測量液體、氣體或蒸汽的流量。這種流量計(jì)是應(yīng)用 歷史最長和最成熟的差壓式流量計(jì)，至今在生產(chǎn)過程所用的流量儀表中仍占有重要地位。節(jié)流式流量計(jì)中產(chǎn)生差壓的裝置稱節(jié)流裝置，其主體是一個(gè)局部收縮阻力件，稱為節(jié)流元件。通過節(jié)流元件改變流體流通截面，從而在節(jié)流元件前后形成壓力差。節(jié)流裝置分為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置和非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置兩大類，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的研究最充分，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最完善，其型式已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，只要根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，嚴(yán)格遵照加工要求和安裝要求，這樣的節(jié)流裝置不需進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)定就可以使用。非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置用以解決臟污和高粘度流體的流量測量問題，尚缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，故沒有標(biāo)準(zhǔn)化。節(jié)流式流量計(jì)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，無可動(dòng)部件；可靠性較高；復(fù)現(xiàn)性能好；適應(yīng)性較廣，它適用于各種工況下的單相流體，適用的管道直徑范圍寬，可以配用通用差壓計(jì)；裝置又標(biāo)準(zhǔn)化。其主要缺點(diǎn)是安裝要求嚴(yán)格；流量計(jì)前后要求較長直管段；測量范圍窄，一般范圍度為 3：1；壓力損失較大；對(duì)于較小直北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級(jí)控制設(shè)計(jì)與仿真14徑的管道測量比較困難(D50mm)；精確度不夠高(177。1％～177。2％)等。節(jié)流式流量計(jì)測量原理及流量方程式節(jié)流式流量計(jì)的測量原理以能量守恒定律和流動(dòng)連續(xù)性定律為基礎(chǔ)，在節(jié)流元件前后流體的靜壓和流速分布情況如下圖所示。圖中的節(jié)流元件為孔板。穩(wěn)定流動(dòng)的流體沿水平管道流經(jīng)孔板，在其前后產(chǎn)生壓力和速度的變化。流束在孔板前截面 1 處開始收縮，位于邊緣處的流體向中心加速，流束中央的壓力開始下降。在截面 2 處流束達(dá)最小收縮截面，此處流速最快，靜壓最低。之后流束開始擴(kuò)張，流速逐漸減慢，靜壓逐漸恢復(fù)。但由于流體流經(jīng)節(jié)流元件時(shí)會(huì)有壓力損失，所以靜壓不能恢復(fù)到收縮前的最大壓力值。常見的三中標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件如下圖所示。優(yōu)點(diǎn):(1)應(yīng)用最多的孔板式流量計(jì)結(jié)構(gòu)牢固,性能穩(wěn)定可靠,使用壽命長；(2)應(yīng)用范圍廣泛,至今尚無任何一類流量計(jì)可與之相比擬；缺點(diǎn):(1)測量精度普遍偏低；(2)范圍度窄,一般僅 3:1～4:1；(3)現(xiàn)場安裝條件要求高；(4)壓損大(指孔板、噴嘴等)。 渦輪流量計(jì), 渦輪流量計(jì)是以動(dòng)量矩守恒原理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的流量測量儀表，北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級(jí)控制設(shè)計(jì)與仿真15是速度式流量計(jì)中的主要種類,它采用多葉片的轉(zhuǎn)子(渦輪)感受流體平均流速,從而推導(dǎo)出流量或總量。 渦輪流量計(jì)由渦輪流量變送器和顯示儀表組成。渦輪流量變送器包括渦輪、導(dǎo)流器、磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器、外殼及前置放大器等部分。圖 渦輪流量計(jì)渦輪是用高導(dǎo)磁系數(shù)的不銹鋼材料制成，葉輪芯上裝有螺旋形葉片，流體作用于葉片上使之旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)流器用以穩(wěn)定流體的流向和支撐葉輪。磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器由線圈和磁鐵組成，用以將葉輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。渦輪流量計(jì)的外殼由非導(dǎo)磁不銹鋼制成，用以固定和保護(hù)內(nèi)部零件，并與流體管道連接。前置放大器用以放大磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器輸出的微弱電信號(hào)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送。渦輪流量計(jì)的工作原理：當(dāng)流體通過安裝有渦輪的管路時(shí)，流體的動(dòng)能沖擊渦輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)，流體的流速愈高，動(dòng)能越大，渦輪轉(zhuǎn)速也就愈高。在一定的流量范圍和流體粘度下，渦輪的轉(zhuǎn)速和流速成正比。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，渦輪葉片切割置于該變送器殼體上的檢測線圈所產(chǎn)生的磁力線，使檢測線圈磁電路上的磁阻周期性變化，線圈中的磁通量也跟著發(fā)生周期性變化，檢測線圈產(chǎn)生脈沖信號(hào)，即脈沖數(shù)。其值與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比，也即與流量成正比。這個(gè)電訊號(hào)經(jīng)前置放大器放大后，即送入電子頻率儀或渦輪流量積算指示儀，以累積和指示流量。渦輪流量計(jì)的實(shí)用流量方程為………………………………………（）VfQK?………………………………………（）m?式中 、 —分別為體積流量，m 3/s，質(zhì)量流量，kg/s；f—流量計(jì)輸出V信號(hào)的頻率 Hz；K—流量計(jì)的儀表系數(shù)，P/m 3。北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級(jí)控制設(shè)計(jì)與仿真16優(yōu)點(diǎn):(1) 測量精度高,其精度可以達(dá)到 級(jí)以上，在狹小范圍內(nèi)甚至可達(dá) %，故可作為校驗(yàn) ～ 級(jí)普通流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量儀表；(2) 對(duì)被測信號(hào)變化的反應(yīng)快，若被測介質(zhì)為水，渦輪流量計(jì)的時(shí)間常數(shù)一般只有幾毫秒到幾十毫秒，因此特別適用于對(duì)脈動(dòng)流量的測量；(3)重復(fù)性好；(4)無零點(diǎn)漂移,抗干擾能力好；(5)范圍度寬；(6)結(jié)構(gòu)緊湊。缺點(diǎn):(1)不能長期保持校準(zhǔn)特性；(2)流體物性對(duì)流量特性有較大影響 [3]。 液位檢測轉(zhuǎn)換元件物位包括液位和料位兩類。液位又包括液位信號(hào)器和連續(xù)液位測量兩種。液位信號(hào)器是對(duì)幾個(gè)固定位置的液位進(jìn)行測量，用于液位的上、下限報(bào)警等。連續(xù)液位測量是對(duì)液位連續(xù)地進(jìn)行測量，它廣泛地應(yīng)用于石油、化工、食品加工等諸多領(lǐng)域，具有非常重要的意義。 浮力式液位計(jì)浮力液位計(jì)是根據(jù)阿基米德原理工作的，即液體對(duì)一個(gè)物體浮力的大小，等于物體所排開液體的重量。浮力式液位計(jì)可分為兩種：一種為恒浮力式液位計(jì)，在整個(gè)測量過程中其浮力維持不變（如浮標(biāo)式、浮球式等液位計(jì)） ，在工作時(shí)浮標(biāo)隨液位高低而變化；另一種為變浮力式液位計(jì)（如沉筒式液位計(jì)） ，它根據(jù)浮筒在液體內(nèi)浸沒的深度不同而所受浮力不同來測量液位。圖 浮力液位計(jì)原理圖如圖所示為浮標(biāo)式液位計(jì)，浮標(biāo)置于被測介質(zhì)中，為了平衡浮標(biāo)的重量，北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級(jí)控制設(shè)計(jì)與仿真17設(shè)有平衡錘、浮標(biāo)，指針與平衡錘用鋼絲繩連接。當(dāng)液位變化時(shí)，浮標(biāo)隨著浮動(dòng)，通過指針便可直接指示出液位高度。如果把浮標(biāo)的位移轉(zhuǎn)換為電量的變化，則可以進(jìn)行液位的遠(yuǎn)距離指示或記錄。 靜壓式液位計(jì)對(duì)于不可壓縮的液體，液位高度與液體的靜壓力成正比，所以測出液體的靜壓力，即可知道液體的高度。圖 靜壓式液位計(jì)原理圖 如圖所示為用靜壓式液位計(jì)進(jìn)行開口容器的液位測量。壓力計(jì)與容器的底相連，根據(jù)壓力計(jì)指示的壓力大小，即可知道液位的高度，其關(guān)系為 ……………………………………（）pH??式中，H 是液位的高度； 是液體重度； 是容器內(nèi)取壓平面上的靜壓力。p 電容式液位計(jì)在平行板電容之間充以不同的介質(zhì)時(shí)，其電容量的大小是不同的。所以，可以用測量電容量的變化來檢測液位或兩種不同介質(zhì)的液位分界面?？衫貌迦肴萜髦械囊桓鶎?dǎo)線與容器