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水箱液位自动控制系统设计.doc
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水箱液位自动控制系统设计.doc
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水箱液位自动控制系统原理
摘 要 :水箱液位自动控制系统就是利用自身的水位变化进展调节和改变的系统,它自
身具平衡能力,并由电动机带动下自动完成水位恢复的功能。水箱液位是由传感器检测
水位变化并到达设定值时,水箱自己的阀门关闭,防止溢出,当检测液位低于设定值时,
阀门翻开,使液位上升,从而到达控制液位的目的。
关键词:有自平衡能力、无自平衡能力、电动机、单容对象、系统稳定
引言
液位自动控制是通过控制投料阀来控制液位的上下,当传感器检测到液位设定值时,
阀门关闭,防止物料溢出;当检测液位低于设定值时,阀门翻开,使液位上升,从而到
达控制液位的目的。在制浆造纸工厂常见有两种方式的液位控制:常压容器和压力容器
的液位控制,例如浆池和蒸汽闪蒸罐。液位自动控制系统由液位变送器〔或差压变送
器〕、电动执行机构和液位自动控制器构成。根据用户需要也可采用控制泵启停或改变
电机频率方式来进展液位控制。构造简单,安装方便,操作简便直观,可以长期连续稳
定在无人监控状态下运行。
1 设计任务目的及要求
1.1 设计目的
通过课程设计,对自动控制原理的根本容有进一步的了解,特别是水箱液位系统的
设计。能把本学期学到的自动控制理论知识进展实践,操作。在提高动手能力的同时对
常用的开闭环控制有一定的了解,在系统设计方面有感性的认识。而且在进展系统设计
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的时候遇到问题,通过独立的思考有利于提高解决问题的能力。在经过课程设计后,更
明白自动控制原理设计的一般方法,以及在遇到困难怎么排除问题。
1.2 设计要求
我选择的课程任务是设计一个水箱液位自动控制系统。 设计要求包括:
1 有自平衡能力的单元原件以及无自平衡能力的单元原件;
2 控制器具有正反作用;
3 系统具有自校正系统。
2 系统元件的选择
2.1 有自平衡能力的单容元件
如果被控对象在扰动作用下偏离了原来的平衡状态,在没有外部干预的情况下〔指
没有自动控制或人工控制参与〕,被控变量依靠被控对象部的反响机理,能自发到达新
的平衡状态,我们称这类对象是有自平衡能力的被控对象。
具有自平衡能力的单容对象的传递函数为
这是个一阶惯性环节。描述这类对象的参数是时间常数 T 和放大系数 K。
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图 1 单容水箱
图 1 是单容水箱的示意图。我们已经推导过水箱的传递函数为
其中 T=RC,T 称为水箱的时间常数。K 称为水箱的放大系数。 一阶系统的
特性我们已经在时域分析中进展了详细的讨论,所有结论都适用于单容对象。作为过程
控制的被控对象,单容对象的时间常数比拟大。
2.2 无自平衡能力的单容元件
图 2 单容积分水箱
图 2 也是一个单容水箱。不同的是水箱的出口侧安装了一台水泵,这样一来,水箱
的流出水量就与水位无关,而是保持不变,即流出量的变化量 。在静态下,流入水
箱的流量与水泵的排水量一样都为 Q,水箱的水位 H 保持不变。在流入量有一个增量
时,静态平衡被破坏,但流出量并不变化,水箱的水位变化规律为
式中 C 为水箱的横截面积。对上式两端求取拉普拉斯变换,可得水箱的传递函数:
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这是一个积分环节。它的单位阶跃响应为
图 3 两种水箱变化的比拟
〔a〕单容积分水箱〔b〕有自平衡能力的单容水箱
图 3〔a〕是水位变化的曲线。为了比拟,我们把具有惯性环节特性的水箱在单位阶
跃输入下的水位响应曲线也画出来,如图 3〔b〕所示。很明显,具有惯性环节特性的单
容水箱,在输入作用下,水位经过一个动态过程后,可以重新到达一个新的稳定状态。
而具有积分环节的水箱在受到同样的扰动之后,水位那么无限地上升,永远不会到达一
个新的稳定状态。我们称这种水箱为单容水箱。具有积分环节特性的单容对象的传递函
数可以表示为 式中 称为飞升速度。其单位阶跃响应为
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