液 位 控 制 系 统

过 程 控 制 与 仪 表

液 位 控 制 系 统
一：方案选择
1：分析被空对象：被空对象是三容的液位控制系统
，
某连续生产过程需要三个生产罐，罐A、B、C
罐A直径1.5米，高2米，生产中为原料输入罐；
罐B为生产中间缓冲罐，直径1.5米，高2米；
罐C为生产罐，直径2米，高2米；三个罐依照自然落差进行安装。
罐A底边距地6米，罐B 底边距地3米，罐C落地安装。生产中罐A输入主要原料为液体，
管径为DN40；最大工艺流量8Th ；调节阀
?
p=0.09MPa。
工艺要求罐C液位处于1.5米左右。
2：要实现对C罐的控制有以下考虑
1）、测量变送单元仪表的选择，显然采用压力测量比较 简单，例如：差压测量，但是为了
实现精确测量采用压力传感器进行罐底的压力测量——也是为了实现计 算机控制进行
AD转换
2）、影响液位的因素：进液量B1以及排液量C1，C罐为生产容器 所以对B罐进行控制比
较合理——B是缓冲罐。在必要时可也可以对c罐进行控制——不影响生产情况下 ，所
以在进行计算机控制时就要设计相应的控制优先级，根据实际情况进行控制
3）、对于A 、B罐液要进行相应控制，只是不需要精确控制，只要不超过上限以及不影响
C罐需求的情况下即可
3：方案比较
单回路控制的原理图以及系统工程图

控制方案说明
对于上述控制主要就是通过一般的闭环系统，通过输 出的反馈实现对输入的控制——单
回路控制，控制方案简单；因为生产实践队也为控制要求不是太高所以 单回路控制可以满足
要求，被控对象是c罐的液位所以要选取液位高度h 作为被控参数，为了使c罐的 也为基
本无差调节规律可以采用PI调节；最后根据系统木星对参数进行整定即可

计算机控制的原理图以及控制流程图



控制方案说明
计算机控制方法能够更加精确的控制液位，但是具有很强的专业性，在编写控制算法是
必须全面考虑影 响被控参数的因素，实现优先级别的排列，只有那样才能处理实际中出现的
各种情况；最重要的是必须熟 练掌握相应的计算机语言能够熟练应用软件实现算法的编写，
计算机控制时为了实现实际测量量与计算机 数据间的联系所以必须用AD、DA转换芯片实
现模拟量与数字量之间的变换。它是现代工业进行控制的 主流技术，在计算机控制系统中可
以实现自动化控制，既节省人力资源又可以大大提高生产率。

调节阀采用电动调节阀主要是它能源取用方便，信号传输距离远、速度快；再有就是在
实际中对防火等级要求不是太高

经比较可知虽然采用计算机控制有较大优势但是限于 我们对专业知识掌握的不足，所以
还使用单回路控制方案对系统进行控制。控制思路简单，实际安装维护 也方便不需要很高的
专业知识
二：参数计算以及调节阀的选择
由已知条件管径为DN40；最大工艺流量Qmax=8Th(8000kgh) ；调节阀
?
p=0.09MPa。
1）、调节阀口径的计算
只要根据流体 密度以及阀门前后压差就可以计算出调节阀的流量系数，然后再查询相关
参数手册就可以得出调节阀口径 、公式如下：

c?Q
g
?
10?p

c 流量系数；
Q
g
最大计算流量；
?
流体密度；
?p
调节阀前后压差
选取调节阀口径所采用的最大流量应比工艺流程的 最大流量大25-60%，这是必不可少
的安全系数，这样就可以避免调节阀在全开位置上进行工作 < br>为了得到最大计算流量
Q
g
，首先要知道额定流量
Q
n
或者是生产过程中允许的最大工艺
流量
Q
max
；然后根据
Qg
=（1.5~2.5）
Q
max
的最大计算流量
Q
max
=8000kgh
?p
=0.09MP
?
要根据实际流体进行选择再次我选择以水的密度为
例：
?
=1000kgm
；当流体粘度较大时可以进行一定的粘度修正
计算中
Q
g
为 体积流量，根据换算则有
Q
g
=（1.5~2.5）*80001000
m< br>h
=12~20
m
h
3
取
Q
g
=20
m
h
c?201000
?
10*90
?

3
3
3
3

?
21.08
m
h
则根据流量系数查表得相应的阀座直径dg=40mm 公称通径Dg=40mm

流量特性：选择有“等百分比特性“的调节阀

2）、为了使调节反能够及时准确定 位调节流量，可以增加辅助元件——阀门定位器
（ZPQ-01型气动阀门定位器——他是可以与气动调 节法、直行程气动活塞调节法及角
行程气动调节阀配套使用的辅助仪表，他接受来自气动调节仪表给出的 20-100Kpa信号
来控制调节阀）
3)、从安全角度考虑调节阀选择有“气开”功能的部件
控制系统都是通过负反馈来实现系统的稳定控制
执行器（气开）
k
v
＞0
测量变送单元一般情况
k
m
＞0

被控对象肯定有
k
o
＞0
为了使
k
o
*k
c
* k
v
*k
m
＞0，所以必须有
k
c
＞0，也就是调 节器选择有负作用的调节
器
4)、根据实际情况选择HRTP系列智能电动单座调节阀（它由 HRL智能型电动执行器与优质
的国产阀门相组合构成，是一种高性能的调节阀，可广泛应用于电力、冶 金、石油、化
工、医药、锅炉、轻工等行业的自动控制系统中——电动执行机构接受4～20mA控制< br>信号，改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、温
度、流量、 液位等参数的调节。）
执行机构的主要技术参数
型 式：HRL智能型直行程机构
输入信号：4～20mADC
输入阻抗：250Ω
输出信号：4～20mADC
输出最大负载：＜650Ω
断信号阀位置：可任意设置为保持全开全关0～100%间予置的任意值
电 源：220V±10%50Hz
推力规格：1KN、2KN、4KN、8KN、10KN、16KN、20KN、25KN
阀作用型式：任意设置正反作用
保护等级：IP65
基本误差：±1.0%
死 区：≤±1.0%
环境温度：-10～+65℃

三：系统模型及仿真
1:
根据系统参数可列以下方程式

?Q1
??Q
2
?C
1
*
?Q
2
??h< br>1
R
2
?Q
2
??Q
3
?C
2*
?Q
3
??h
2
R
3
?Q
3
??Q
4
?C
3
*
?Q
4
??h
3R
4
d?h
3
dt
d?h
2
dt
d? h
1
dt

参数说明：
Q
1
?Q
2
?Q
3
?Q
4
分别是流入A、B、C罐的流量以及从C罐
流出的液 体量
C
1
?C
2
?C
3
分别是A、B、C罐的液容 < /p>

根据已知可得：
C
1
=1.767、
C
2=1.767、
C
3
=3.14
对于液阻选择如下：
（假设液位的变化不是很大，则各液阻可以看作是常量）
R1
=
R
2
=
R
3
=
R
4=1
2：对以上方程组进行拉氏变换方程组变换如下
Q
1
?
s
?
?Q
2
?
s
?
?C
1
SH< br>1
?
s
?
Q
2
?
s
?
?H
1
?
s
?
R
2
Q
2
?
s
?
?Q
3
?
s
?
?C
2
SH2
?
s
?
Q
3
?
s
?
?H< br>2
?
s
?
R
3
Q
3
?
s< br>?
?Q
4
?
s
?
?C
3
SH
3
?
s
?
Q
4
?
s
?
?H3
?
s
?
R
4

根据以上方程得系统方框图



则根据方框图可得系统传递函数如下
Q
1
?
s
?
R
4

?
H
3
?
s
??
1?C
1
R
2
S??
1?C
2
R
3
S
??
1?C
3< br>R
4
S
?
代入参数值则有：
Q
1
?
s
?
1
?

2
H
3
?
s
?
?
1?1.767s
??
1?3 .14s
?
仿真记录

在进行仿真时利 用一阶加惯性环节来替代原来的三阶系统，其中滞后环节选取的滞后时
间常数是2秒。因为对于液位控制 系统来说当输入量变化时输出量要经过一段时间——也就
是存在滞后，所以在模拟时要价滞后进行等效。

三：参数整定
采用“衰减曲线法“进行参数整定，得衰减曲线如下
其中比例调节 放大倍数为K=3.5

则可以根据上图得到衰减比为4：1时的放大倍数
k
v
=3.5 以及衰减周期
T
r
=8s
则根据上述参数查表可以得 采用PI调节时的残书可以选取如下
K
=1.2
k
v
=4.2、< br>T
i
=0.85
T
r
=6.8s
只要在设备连接好 之后将相应参数植入到调节器,并根据实际情况经校正即可以，但注意参
数变化范围不要太大
参数整定过程中注意事项：采用衰减曲线法进行整定步骤简单，并且是比较安全；正定要求
的是达到衰减 比=4：1，投入运行后再只有比例作用的情况下不断调节比例环节的放大倍数，
达到要求后记录相应的 放大倍数
k
v
、以及衰减周期
T
r
。
四：控制器的选择及背部接线图
XD815、XS815、XD415、XS415、XD7 15、XD915、系列的调节器有以下特点
1、
适用于需要进行高精度测量控制的系统。
2、可自动跟随外部给定值进行控制输出（模拟量控制输出或继电器控制输出）。
3、可实现 自动手动无扰动切换。手动切换至自动时，采用逼近法积算，并带切换限幅功能，
以实现手动自动的平稳 切换。
4、可同时两路输入并显示测量信号及外给定信号。
5、可分别带有一路模拟量控制输出或开关量控制输出-- 继电器及一路模拟量变送输出，适
用于各种测量控制场合。
6、可带串行通信输出，可与各种带串行输入输出的设备进行双向通信，组成网络控制系统。
7、采用双LED数码（可同时显示测量值+外给定值、输出量）+双光柱（可同时显示测量值+
外给定 值、输出量，光柱显示分辨率达101线）显示，使显示更为清晰直观
根据以上要求可以选择XD815

五：
结束语：
此设计采用单回路控制系统，方案简单、并且在设计中采用了智能仪表能够更好
的适应环境变化对于控 制系统的要求；对于三阶系统采用一阶控制方案，这种等
效控制可以应用到很多系统当中去，在对系统分 析时尽量简化系统模型采用低阶
系统进行近似模拟，从而采用最适当的方案进行控制
在实际的 应用中只要确定了被控系统的技术指标，就可以把此指标作为控制器的
外给定，系统在运行时控制器够自 己进行参数整定找到最佳控制参数
总而言之随着技术进步单回路控制在实际中的应用越来越显得不足， 但是对于一
些简单控制系统来说还能达到控制要求，在以后计算机控制以及各种智能仪表将
在自 动控制系统中占有绝对的优势！在以后将会逐步学习优越的控制方案，应用
智能控制仪表从而完成更好的 系统控制！！！！
六：参考文献：
书籍
《自动化仪表与过程控制》作者：施仁、刘文江、郑辑光 电子工业出版社
《石油化工自动控制设计手册》 作者：陆德民 化学工业出版社
《模拟调节仪表》 作者：陈荣 化学工业出版社
《过程控制系统与仪表》 作者：王再英、刘淮霞、陈毅静 机械工业出版社
《调节阀选型样本》
《自动化仪表产品样本》
论文
《三位液位对象状态空间控制系统》何离庆 重庆大学自动化系
《三级液位过程控制实验系统》 王艳刘 哈尔滨工业大学控制工程系