水箱液位控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(已修改)

　

【正文】 青 島 濱 海 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 1 引 言 在社會經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失。因此給水工程往往成為高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。任何時候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)是對給水系統(tǒng)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水塔、層頂水箱等作為基本儲水設(shè)備，由一級或二級水泵從地下市政水管補給。因此，如何建立一個可靠安全、又易于維護的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題。 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活 應(yīng)用中，常常會需要對容器中的液位（水位）進行自動控制。比如自動控制水箱、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動補水控制、自動電熱水器、電開水機的自動進水控制等。雖然各種水位控制的技術(shù)要求不同，精度不同。但其原理都大同小異。特別是在實際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、可靠是控制系統(tǒng)的基本要求。因此如何設(shè)計一個精度高、穩(wěn)定性好的水位控制系統(tǒng)就顯得日益重要。 水箱液位控制系統(tǒng)是進行控制理論與控制工程教學(xué)、實驗和研究的平臺，可以方便地構(gòu)成一階系統(tǒng)對象（雙容水箱）和兩階系統(tǒng)對象（三容水箱）。用戶可通過經(jīng)典的 PID 控制器設(shè)計與調(diào)試，進行智能控制教學(xué)實驗與研究。各種控制器的控制效果通過水位的變化直觀地反映出來，同時通過液位傳感器對水位的精確檢測，方便地獲得瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，準(zhǔn)確評估控制性能。開放的控制器平臺，便于用戶進行自己的控制器設(shè)計，滿足創(chuàng)新研究的需要。 本人設(shè)計的水位控制系統(tǒng)主要由控制器、 執(zhí)行器 、電動機等配件構(gòu)成；操作簡便，運行成本低，可擴展行強，這種系統(tǒng)不僅適用于農(nóng)業(yè)和生活用水的控制，也適用于工業(yè)上的液位控制和馬桶的給水控制。 水 箱 液 位 控 制 系 統(tǒng) 畢 業(yè) 設(shè) 計 2 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理 自動控制系統(tǒng)的組成 自動控制原理是指在沒有人直接參與 的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器，設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。 （ 1） 自動控制系統(tǒng)由控制對象和制動控制設(shè)備組成。即由控制對象、傳感器、控制器和執(zhí)行器所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 下圖 (11)是一個典型自動控制系統(tǒng)的功能框圖。 圖 11液位控制系統(tǒng) 功能框圖 （ 2） 所謂控制對象是指所需控制的機器、設(shè)備、或生產(chǎn)過程。 （ 3） 被控參數(shù)是所需控制和調(diào)節(jié)的物理量或狀態(tài)參數(shù)化，即控制對象的輸出信號，如 房間溫度、 水箱水位。 （ 4） 被控參數(shù)的預(yù)定值（或理想值）稱為給定值 （設(shè)定值）。給定值與被控參數(shù)的測量值之差稱為偏差。 （ 5）擾動是指除給定輸入之外，對系統(tǒng)的輸出有影響的信號的總稱。 （ 6） 傳感器是指把被控參數(shù)成比例地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌锢砹啃盘枺ㄈ珉娮琛㈦妱荨㈦娏鳌鈮骸⑽灰疲┑脑騼x表，如熱電阻、熱電偶等，如果傳感器所發(fā)出的信號與后面控制所要求的信號不一致時，則需要增加一個變送器，將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成后面所要求的信號。 （ 7） 控制器是指將傳感器送來的信號與給定值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果的偏差大小， 按照預(yù)定的控制規(guī)律輸出控制信號的原 件或儀表。 青 島 濱 海 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 3 （ 8） 執(zhí)行器是動力部件，它根據(jù)控制器送來的控制信號大小改變調(diào)節(jié)閥的開度，對控制對象施加控制作用，使被控參數(shù)保持在給定值。 水箱 液 位 控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)原理 水箱尺寸：長寬高 =25 20 40 液位控制系統(tǒng) 由被控水箱 蓄水箱 2 液位檢測儀表差壓變送器 LT、控 制 器 LC、 執(zhí)行器（ 調(diào)節(jié)閥 ） 等組成。 如圖 (12)所示。 圖 12水箱液位自動控制原理圖 水箱液位控制系統(tǒng)的控制理論 經(jīng)典控制理論 與現(xiàn)代控制理論 控制理論一般分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。 經(jīng)典控制理論最 初稱為自動調(diào)節(jié)原理，適用于較簡單系統(tǒng)特定變量的調(diào)節(jié)。隨著后期現(xiàn)代控制理論的出現(xiàn)，故改稱為經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具研究單輸入、單輸出的自動控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法。主要研究方法有時域分析法、根軌跡法和頻率特性法。 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生：隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進，特別是空間技術(shù)和各類高速飛行器的發(fā)展，使各受控對象要求高速度、高精度，而系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，要求控制理論解決動態(tài)耦合的多輸入多輸出、非線形以及時變系統(tǒng)的設(shè)計問題。此外，對控制性能的要求也在逐步提高，很多情況下要求系統(tǒng)的某種性能是最 優(yōu)的，而且對環(huán)境的變化要有一定適應(yīng)3cm水 箱 液 位 控 制 系 統(tǒng) 畢 業(yè) 設(shè) 計 4 能力等。這些新的要求用經(jīng)典理論是無法解決的，這同時也為現(xiàn)代控制理論的形成創(chuàng)造了條件。 現(xiàn)代控制理論本質(zhì)上是時域法，是建立在狀態(tài)空間基礎(chǔ)上的，它不用傳遞函數(shù)，而是用狀態(tài)向量方程作基本工具，從而大大簡化了數(shù)學(xué)表達方式，因此原則上可以分析多輸入多輸出、非線形以及時變系統(tǒng)。 反饋控制原理 通常 ，我們把取出輸出量送回到輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。若反饋的信號是與輸入信號相減 ，是產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正反饋。反饋控制就是采 用負反饋并利用偏差進行控制的過程，而且，由于引入被控量的反饋信息，整個控制過程成為閉合過程，因此反饋控制也稱閉環(huán)控制。 在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實現(xiàn)對被控對象進行控制的任務(wù)，這就是反饋控制的原理。在自動控制系統(tǒng)中 ，被控對象的輸出量即被控量是要求嚴(yán)格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恒定值，也可以要求按照某個給定規(guī)律運行；而控制裝置則是對被控對象施加控制作用的機構(gòu)的總體，它可以采用不同的原理和方式對被控對象進行控 制，但 最基本的一種是基于反饋控制原理組成的反饋控制系統(tǒng)。 自動控制技術(shù)的應(yīng)用，推動了控制理論的發(fā)展，而自動控制理論的發(fā)展，又指導(dǎo)了控制技術(shù)的應(yīng)用，使其進一步完善，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)和理論已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于科技、冶金、石油、化工、電子、電力、航空、航海、航天、核反應(yīng)堆等各個學(xué)科領(lǐng)域。 近年來，控制科學(xué)的范圍還擴展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其它許多社會領(lǐng)域，并為個學(xué)科之間的相互滲透起了促進作用，可以毫不夸張的講，自動控制技術(shù)和理論已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會的不可缺少的組成部分。自動控制技術(shù)的應(yīng)用不僅使生 產(chǎn)過程自動化，從而提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，提高經(jīng)濟效益，改善勞動條件，而且在人類探索新能源，發(fā)展空間技術(shù)和創(chuàng)造人類社會文明等方面都具有十分重要的意義。 青 島 濱 海 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 5 2 過程控制系統(tǒng) 過程控制系統(tǒng)的定義與應(yīng)用 過程控制系統(tǒng)以表征生產(chǎn)過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動控制系統(tǒng)。這里“過程”是指生產(chǎn)裝備或設(shè)備中進行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過程。表征過程的主要參量有溫度、壓力、流量、也為、成分、濃度等。通過對過程參量的控制，可使生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的參量增加、質(zhì)量提高和能耗 減少。一般的過程控制系統(tǒng)通常采用反饋控制的形式，這是過程控制的主要方式。 過程控制在石油、化工、 電力 、冶金等部門有廣泛的應(yīng)用。 20 世紀(jì) 50 年代，過程控制主要用于使生產(chǎn)過程中的一些參量保持不變，從而保證產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定。 60 年代，隨著各種組合儀表和 巡回檢測裝置 的出現(xiàn)，過程控制已開始過渡到集中監(jiān)視、操作和控制。 70年代，出現(xiàn)了過程控制最優(yōu)化與管理調(diào)度自動化相結(jié)合的多級 計算機控制系統(tǒng) 。 80 年代，過程控制系統(tǒng)開始與過程信息系統(tǒng)相結(jié)合，具有更多的功能。 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展 隨著人們物質(zhì)生活水平的提高以及市場競爭的 日益激烈，產(chǎn)品的質(zhì)量和功能也向更高的檔次發(fā)展，制造產(chǎn)品的工藝過程變得越來越復(fù)雜，為滿足優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，以及安全生產(chǎn)、保護環(huán)境等要求，做為 工業(yè)自動化 重要分支的過程控制的任務(wù)也愈來愈繁重。 在現(xiàn)代工業(yè)控制中 ,過程控制技術(shù) 是一歷史較為久遠的分支。在本世紀(jì) 30 年代就已有應(yīng)用。過程控制技術(shù)發(fā)展至今天 , 在控制方式上經(jīng)歷了從人工控制到自動控制兩個發(fā)展時期。在自動控制時期內(nèi)，過程 控制系統(tǒng) 又經(jīng)歷了三個發(fā)展階段 , 它們是：分散控制階段 , 集中控制階段和集散控制階段。幾十年來，工業(yè)過程控制取得了驚人的發(fā)展，無論是在大規(guī)模的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在傳統(tǒng)工業(yè)過程改造中，過程控制技術(shù)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等均起著十分重要的作用。 目前，過程控制正朝高級階段發(fā)展，不論是從過程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過程控制發(fā)展的必要性、可能性來看，過程控制是朝綜合化、智能化方向發(fā)展，即 計算機 集成制造系統(tǒng) (CIMS)：以智能控制理論為基礎(chǔ)，以計算機及網(wǎng)絡(luò)為主要手段，對企業(yè)的經(jīng)營、計劃、調(diào)度、管理和控制全面綜合，實現(xiàn)從原料進庫到產(chǎn)品出廠的自動化、整個 生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化。 本期 中國重型機械研究院 自動化研究所米進周和高朝波撰寫 的《連鑄過程控制系統(tǒng)的水 箱 液 位 控 制 系 統(tǒng) 畢 業(yè) 設(shè) 計 6 研究和應(yīng)用》詳細闡述了作為鋼鐵企業(yè)實現(xiàn) 企業(yè)信息化管理 重要組成部分的連鑄過程控制系統(tǒng)，集成了先進的工藝數(shù)學(xué)模型和控制技術(shù)，使鑄坯質(zhì)量得到極大提高、生產(chǎn)管理更加方便，增強了企業(yè)競爭力，發(fā)展前景十分廣闊。 除此之外，還有關(guān)于回轉(zhuǎn)窯 PL