【正文】 水箱液位控制系統(tǒng)的原理2．1 人工控制與自動(dòng)控制下圖為水箱液位控制系統(tǒng)示意圖，在人工控制示意圖中，為保持水箱液位恒定，操作人員應(yīng)根據(jù)液位高度的變化情況控制凈水量。在整個(gè)手工控制過(guò)程中，操作人員的眼、腦、手、三個(gè)器官，分別擔(dān)負(fù)了檢測(cè)、判斷、和運(yùn)算、執(zhí)行三個(gè)作用，來(lái)完成測(cè)量、求偏差、在施加控制操作以糾正偏差的工作過(guò)程，保持水箱液位的恒定。在自動(dòng)控制示意圖中，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量（液位）發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)變送儀表得到其測(cè)量值；控制器接受液位測(cè)量變送器送來(lái)的信號(hào)，與設(shè)定值相比較得出偏差，按某種運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算并輸出控制信號(hào)；控制閥接受控制器的控制信號(hào)，按其大小改變閥門(mén)的開(kāi)度，調(diào)整給水量，以克服擾動(dòng)的影響，使被控變量回到設(shè)定值，最終達(dá)到水箱液位的恒定。這些自動(dòng)控制裝置和被控的工藝設(shè)備組成了一個(gè)沒(méi)有人直接蔡玉的自動(dòng)控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)有著共同的特征，它們均有四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象、測(cè)量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制水箱液位等于給定值所要求的高度。2．3 水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型該系統(tǒng)主要是自衡的非振蕩過(guò)程，即在外部階躍輸入信號(hào)作用下，過(guò)程原有的平衡狀態(tài)被破壞，并在外部信號(hào)作用下自動(dòng)的非震蕩地穩(wěn)定到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)，這一大類(lèi)是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)的過(guò)程。這里，液位L是被控變量（即輸出變量），進(jìn)料閥1為控制系統(tǒng)中的控制閥，它所控制的進(jìn)料流量是過(guò)程的控制輸入（即操縱量），出料流量是外部擾動(dòng)。2L1tL()L(t)L(0)水箱液位過(guò)程及其階躍響應(yīng)曲線(xiàn)（2）根據(jù)過(guò)程內(nèi)在機(jī)理，列寫(xiě)原始方程根據(jù)物料平衡關(guān)系，當(dāng)過(guò)程處于原有穩(wěn)定狀態(tài)是，水箱液位保持不變，其靜態(tài)方程為：=0（1—6），、分別為原穩(wěn)定狀態(tài)下水箱的進(jìn)料流量和出料流量，當(dāng)進(jìn)料流量突然增大是，水箱原來(lái)的平衡狀態(tài)被破壞，此時(shí)進(jìn)料量大于出料量，多余的液體在水箱內(nèi)儲(chǔ)存起來(lái)，使其液位升高。其動(dòng)態(tài)方程為：=（1—7）=、分別為和的增量。將=、和式（1—8）代入式（1—7），得 （1—9）。式（1—10）中，為中間變量。將式（1—11）改寫(xiě)成增量形式： 令，則有： （1—12）將式（1—12）代入式（1—10）中，即得 （1—13）式（1—13）即為水箱液位過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。將該式寫(xiě)成的一階過(guò)程的微風(fēng)方程的標(biāo)準(zhǔn)形式： （1—14）或 （1—15）為一階過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，,具有時(shí)間量綱；為一階過(guò)程的放大系數(shù)，具有放大倍數(shù)的量綱；為一階過(guò)程的輸出變量；為一階過(guò)程的輸入變量；為阻力系數(shù)，=液位的變化量 / 出料流量的變化量；為容量系數(shù)，=儲(chǔ)存的物料變化量/ 液位的變化量。在控制過(guò)程中，若進(jìn)料閥安裝在與水箱進(jìn)料口有一段距離，則當(dāng)進(jìn)料閥開(kāi)度變化而引起進(jìn)料流量變化后，液體需要經(jīng)過(guò)一段傳輸時(shí)間才能流入水箱，使液位發(fā)生變化并被檢測(cè)出來(lái)。純滯后一階過(guò)程的微風(fēng)方程為：具有純滯后的一階過(guò)程的特性與放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間有關(guān)綜上所述，水箱液位控制系統(tǒng)是一個(gè)一階自衡過(guò)程，其特性可用放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間這三個(gè)特性參數(shù)來(lái)全面表征。所謂的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，通常是指一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)變送單元（檢測(cè)元件及變送器）、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。對(duì)于任何一個(gè)控制系統(tǒng)，總是希望其能夠在穩(wěn)定生產(chǎn)操作、增加產(chǎn)品產(chǎn)量、保證生產(chǎn)安全及改善勞動(dòng)條件等方面發(fā)揮作用，如果被控變量學(xué)則不當(dāng)，配備再好的自動(dòng)化儀表，使用在復(fù)雜、先進(jìn)的控制規(guī)律也無(wú)用的，都不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。3．2 執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中起著極其重要的作用。執(zhí)行器接受控制其輸出的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)操縱變量的改變，從而使被控變量向設(shè)定值靠攏。本設(shè)計(jì)所使用的執(zhí)行器為控制閥，也稱(chēng)調(diào)節(jié)閥。如果選擇不當(dāng)或維修不妥，就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)作。對(duì)于系統(tǒng)控制閥的選擇很重要。控制閥有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成?？刂崎y按其能源形式可分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三大類(lèi)。電動(dòng)控制閥的能源取用方便，信號(hào)傳遞迅速，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、防爆性能差。氣動(dòng)控制閥可以方便的與電動(dòng)儀表配套使用，即使是采用電動(dòng)儀表或計(jì)算機(jī)控制時(shí)，只要經(jīng)過(guò)電—?dú)廪D(zhuǎn)換閥門(mén)定位器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為20—100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)仍可采用氣動(dòng)控制閥。（1）直通單座調(diào)節(jié)閥該閥具有泄漏小、許用壓差小、流路復(fù)雜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適用于泄漏要求嚴(yán)、工作壓差小的干凈介質(zhì)場(chǎng)合，但小規(guī)格的閥（如DN125）亦可用于壓差較大的場(chǎng)合，是應(yīng)用最廣泛的閥之一。（3）套筒閥套筒閥具有單密封、雙密封兩種結(jié)構(gòu)，前者相當(dāng)于單座閥，后者相當(dāng)于雙座閥，適用于雙座閥場(chǎng)合，除此之外，套筒閥還具有穩(wěn)定性好、裝卸方便的特點(diǎn)，但價(jià)格比單雙座閥貴50%~200%，還需要專(zhuān)門(mén)的纏繞密封墊。（4）角形閥節(jié)流型式相當(dāng)于單座閥，但閥體流路簡(jiǎn)單，適用于泄漏要求小、壓差不大的不干凈介質(zhì)場(chǎng)合以及要求直角配管的場(chǎng)合。（6）隔膜閥隔膜閥流路簡(jiǎn)單，隔膜具有一定的耐蝕性能，適用于不干凈介質(zhì)和弱腐蝕性介質(zhì)的兩位切斷場(chǎng)合。當(dāng)DN300mm時(shí)，通常采用蝶閥?！癡形球閥具有近似等百分比的調(diào)節(jié)特性，適用于不干凈、含纖維介質(zhì)可調(diào)比較大的調(diào)節(jié)場(chǎng)合。（9）偏心旋轉(zhuǎn)閥該閥介于蝶閥和球閥之間，自潔性能好，調(diào)節(jié)性能好，亦可切斷，適用于不干凈介質(zhì)和泄漏要求小的調(diào)節(jié)場(chǎng)合，但該閥價(jià)格較貴。選型注意事項(xiàng)5 閥內(nèi)件材質(zhì)選擇6 （1）非腐蝕性介質(zhì)一般選用1Cr18Ni9Ti或其它不銹鋼。溫度為300℃，應(yīng)選用耐磨材料，如鉆基合金或表面堆焊史泰萊合金。 （3）要求泄漏很小時(shí)，應(yīng)選用軟密封，如四氟、橡膠。（2）選擇襯里材料（橡膠、塑料）時(shí)，工作介質(zhì)的溫度、壓力、濃度都必須滿(mǎn)足該材料的使用范圍，并考慮閥動(dòng)作時(shí)對(duì)它的物理和機(jī)械破壞。 高低溫材料選擇8 （1）200~60℃時(shí)，選用銅或1Cr18Ni9Ti； （2）450~+600℃，選用含鈦鉬不銹鋼。需考慮的主要因素如下：10 （1）最基本的條件是應(yīng)該滿(mǎn)足工藝的壓力、流量、溫度的要求。 （2）閥的密封性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。 （3）閥的工作壓差小于閥的許用壓差。 （5）對(duì)閥動(dòng)作速度，閥流量特性，作用方式，流向的考慮。 （7）對(duì)附件及其成套性及特殊閥之特殊性能及要求的考慮。連接形式應(yīng)符合制造廠產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的規(guī)定。（3）調(diào)節(jié)閥用于高粘度、易結(jié)晶、易汽化以及低溫流體時(shí)，應(yīng)采取保溫和防凍措施。用于懸浮物、高粘度介質(zhì)時(shí)，應(yīng)配沖洗管線(xiàn)。（6）入口管段長(zhǎng)度應(yīng)盡量長(zhǎng)，對(duì)于小通徑閥門(mén)，應(yīng)大于10倍管道通徑，調(diào)節(jié)閥出口直管段應(yīng)有3~5倍管道通徑。環(huán)境塵埃較多時(shí)，應(yīng)采取保護(hù)閥桿的措施，避免磨損或卡死。13 3。常見(jiàn)的PID控制器形式主要有三中：（1）硬件型，通用PID溫控氣；（2）軟件型，使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器上做PID控制器；（3）使用變頻器內(nèi)置PID控制功能，相對(duì)兩種來(lái)說(shuō)，這種叫內(nèi)置型。（1） PID溫控器現(xiàn)在PID溫控器多為數(shù)字型控制器，具有位空方式、數(shù)字PID控制方式以及模糊控制方式，有的還具有自整定功能，如富士PWX系列溫控器、歐陸800系列溫控器就屬此類(lèi)型。這種PID形式的主要優(yōu)點(diǎn)有：操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能號(hào)，適用于選用能過(guò)的變頻