过程控制课程设计 - 三容水箱

过程控制系统课程设计报告

三容水箱液位控制系统的设计

指导教师：黄毅卿 学 生：

专 业： 自 动 化 班 级：

设计日期： 2013.9.23—2013.10.11

目录

1 问题描述 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 2 建立模型 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3

2.1被控量的选择 ------------------------------------------------------------------------------------------ 3 2.2操控量的选择 ------------------------------------------------------------------------------------------ 3 2.3模型的选择 --------------------------------------------------------------------------------------------- 3

2.3.1单容水箱数学模型 --------------------------------------------------------------------------- 3 2.3.2双容水箱的数学模型 ----------------------------------------------------------------------- 5 2.3.3三容水箱的数学模型 ----------------------------------------------------------------------- 7

3 算法描述 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8

3.1算法选择------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 3.2控制器设计 --------------------------------------------------------------------------------------------- 8

3.2.2单回路反馈调节 ------------------------------------------------------------------------------ 9 3.2.3 PID调节器 ----------------------------------------------------------------------------------- 11

3.2.3.1 PID调节器参数初值 --------------------------------------------------------------- 11 3.2.3.2 PI调节器 ------------------------------------------------------------------------------- 12 3.2.3.3 PID调节器 ---------------------------------------------------------------------------- 14 3.2.4 串级反馈调节 ------------------------------------------------------------------------------- 16

4 参考文献 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 20

三容水箱液位控制系统的设计

1 问题描述

饮料工业是改革开放以后发展起来的新兴行业，1982年列为国家计划管理产品，当年全国饮料总产量40万吨。三十多年来，我国饮料工业从小到大，已出具规模，成为有一定基础，并能较好地适应市场需要的食品工业重点行业之一。饮料工业的快速发展，对国民经济建设和提高人民生活质量作出应有的贡献，饮料已成为人民日常生活中不可缺少的消费食品。

图1 2009年中国饮料人均消费量

上图为2009年中国饮料人均消费量，其中软饮料的年人均消费量最多，严格说来，软饮料包含了碳酸饮料、果蔬饮料和水饮料。所以软饮料占据了人们日常消费的很大一部分，具有很大的发展潜力。如何生产出优质的饮料产品已经成为饮料行业重要的任务。本次设计以软饮料中的植物蛋白饮料的生产为背景进行设计。

植物蛋白饮料的生产工艺流程图如图2所示。生产过程大致为：原料选取?浸泡?磨浆?过滤?调配?一次均质?二次均质?封装?杀菌?成品。其中过滤、调配、均质均可以在物料罐中进行。其中过滤，调配，均质等均可在物料罐中进行。在过滤环节将植物如大豆浸泡去皮后加入适量水研磨成浆体，经离心过滤机过滤分离，除去残余的豆渣和杂质等。调配环节将过滤后的浆体先加水稀释，然后按比例加配料。均质环节将调配后的浆体经均质机均质，使浆体进一步破碎，更加细腻。在生产过程中，可以将这三个环节看为一个三容水箱模型来进行相应的控制。

高位罐稳定剂白砂糖化糖罐浸泡磨浆200目过滤调配一次均质 (20MPa)缓冲罐二次均质 (38MPa)灌装、封铝膜杀菌

图2 植物蛋白饮料生产流程图

现代生产过程中将检测技术，自动控制理论，通信技术和计算机技术结合在

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三容水箱液位控制系统的设计

一起组成一套完整的过程控制系统，三容水箱模型简化图如图3所示。

进料口泵

过滤罐 F1 出料口调配罐F2 均质罐F2

图3 三容水箱模型图

1、物料从上级进料口进入过滤罐；

2、三个物料罐从上至下分别为过滤罐，调配罐和均质罐，三个罐大小相同，

V1 V2 V3V4底面积均为5m2，高均为6m；

3、罐的出口均在罐体侧面底部且出料口直径均为100mm；

4、进料口的压强为定值，即只要控制V1的开度即可控制流进三容箱系统的物料量，有如下关系：Qin?K??；其中Qin为进料口流入的物料量，K为比例系数，?为阀门的开度。

现要设计控制系统控制物料罐F3内液位高度保持与设定值一致，对物料灌F1和物料灌E2中的液位高度无特殊要求，可将泵保持为全开状态。控制系统参数如下：

（1） 三个水箱的截面积：A1?A2?A3?5m2； （2） 三个水箱的最大深度：h1max?h2max?h3max?6m； （3） 三个水箱的初始液位：h1?h2?h3?2m；

（4） 三个水箱从高到低依次安置，上一级出水口在下一级进水口上方 （5） 所有管道直径：d?100mm，管道长度对控制的延时影响忽略不计； （6） 液位变送器采用BTY-G系列光纤液位变送器，测量范围：0~65m，输出：

4~20mA，环境温度：?30~100?C；

（7） 调节阀采用ZRQM系列智能型电动调节阀，输入信号：0~5V，输出行

??40~450C,K?=0.012，程：环境温度：线性阀阻R=0.01229。 0~100mm，

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