水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案選擇

李志惠 胡秋宇 符顥 丁瑞軒

摘? 要：在工業(yè)生產(chǎn)中，控制理論和方法的創(chuàng)新推動(dòng)了自動(dòng)控制系統(tǒng)的迅速發(fā)展。液位是現(xiàn)代控制工程中最重要的控制參數(shù)之一。為了保證生產(chǎn)安全，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、節(jié)能降耗，必須對(duì)生產(chǎn)過程中的液位參數(shù)進(jìn)行精確控制。在工業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)不同被控對(duì)象的特點(diǎn)，可以選擇簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)來(lái)滿足大多數(shù)控制的需要，但為了抗干擾和控制精度更好，可以選擇串級(jí)控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：液位控制系統(tǒng);串級(jí)控制;單回路控制;V103

一、設(shè)計(jì)背景

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，過程控制作為現(xiàn)代控制技術(shù)的重要組成部分，在生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要作用。在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化過程中，經(jīng)常需要對(duì)一些設(shè)備和容器的液位進(jìn)行測(cè)量和控制。雖然許多簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的要求不高，操作、整定和維護(hù)也相對(duì)簡(jiǎn)單，但工業(yè)生產(chǎn)正在向規(guī)模化方向發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)的要求越來(lái)越高，控制系統(tǒng)的功能越來(lái)越多樣化。傳統(tǒng)系統(tǒng)無(wú)法執(zhí)行復(fù)雜的控制任務(wù)，而串級(jí)控制系統(tǒng)能滿足嚴(yán)格的工藝條件要求。因此，本設(shè)計(jì)主要研究串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)液位的控制。

二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

（一）方案一

如上圖1人工控制液位方框圖，在研究如何控制立式儲(chǔ)罐V103的液位時(shí)，人的控制方式可以通過觀察液位的高度的情況如何，偏離了預(yù)先設(shè)定數(shù)值有多少。然后根據(jù)偏差的大小與正負(fù)，去人為手動(dòng)改變閥門的開度控制流量的流入使得液位重新回到預(yù)期數(shù)值。

（二）方案二

如上圖2單回路自動(dòng)控制液位方框圖，可以采用智能裝置來(lái)代替人對(duì)液位進(jìn)行控制，即用自動(dòng)測(cè)量裝置代替人的眼睛，用自動(dòng)控制器代替人的大腦，用自動(dòng)執(zhí)行器代替生產(chǎn)過程的手動(dòng)閥，立式儲(chǔ)罐V103作為被控對(duì)象，立式儲(chǔ)罐V103的液位量作為被控參數(shù)，形成單回路控制系統(tǒng)。

（三）方案三

如上圖3串級(jí)控制系統(tǒng)流程圖及圖4串級(jí)系統(tǒng)控制液位方框圖，主參數(shù)與單回路控制系統(tǒng)的被控參數(shù)選擇是一致的，為實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制，可以直接選取液位為被控參數(shù)。選擇用儲(chǔ)罐入口流量控制儲(chǔ)罐液位，因此入口流量為操縱變量。在此次液位工藝研究的問題上，如果進(jìn)料的源頭的壓力增大，此時(shí)入口流量也會(huì)相應(yīng)增大。為了使液位的變化平穩(wěn)，引入副回路，可以將入口液體流量作為副控制對(duì)象，先將入口流量的大小控制住，進(jìn)而控制主回路液位的大小。

三、方案論證

方案一采用人工控制的方式，浪費(fèi)人力且控制力度不強(qiáng)，難以實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)中大規(guī)模的控制。方案二實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制的便捷，大幅度的提高了控制效率，彌補(bǔ)了人工控制的不足，省時(shí)省力。但工藝過程中總會(huì)存在各種各樣的劇烈擾動(dòng)，例如進(jìn)料源頭的壓力改變了，造成了進(jìn)料流量的波動(dòng)，使控制質(zhì)量降低，而且液位變化是比較慢的，其時(shí)間常數(shù)比較大，容量滯后嚴(yán)重，所以采用單回路控制系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行控制的方案，難以達(dá)到生產(chǎn)要求。而方案三串級(jí)系統(tǒng)的副回路具有動(dòng)作速度快、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，如果在設(shè)計(jì)中把對(duì)主變量影響最嚴(yán)重、變化最劇烈、最頻繁的干擾包含在副環(huán)內(nèi)，就可以充分利用副環(huán)快速抗干擾性能，將干擾的影響抑制在最低限度。

四、方案選擇

基于方案三滿足方案一，方案二的大部分優(yōu)點(diǎn)，且相較于方案一，方案二可以充分利用副環(huán)快速抗干擾性能，將干擾的影響抑制在最低限度，所以選擇方案三。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，與手動(dòng)控制系統(tǒng)相比，它更方便、省力。因此，在動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜、各種干擾或幅值大、控制質(zhì)量要求高的生產(chǎn)過程中，可以考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)，以提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。本文實(shí)現(xiàn)了液位串級(jí)控制的基本功能。但是，液位串級(jí)控制系統(tǒng)還有待進(jìn)一步發(fā)展和完善。可以結(jié)合比例、滯后、前饋等不同的算法，實(shí)現(xiàn)更多的控制模式，為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊延西.過程控制與自動(dòng)化儀表.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2017

[2]李宜達(dá).控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2014

作者簡(jiǎn)介：

李志惠（1998-）女，漢，四川省達(dá)州市，本科，研究方向：自動(dòng)化

胡秋宇（1998-）男，漢，四川省宜賓市，本科，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化

符顥（2000-）男，漢，四川省達(dá)州市，本科，研究方向：自動(dòng)化

丁瑞軒（1999-）男，漢，四川省成都市，本科，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化