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1、FESTO过程控制系统中液位的测量及控制论文导读：德国FESTO公司研制的“PCS”即“过程控制系统”，是一套集目前工业控制中较为典型的控制系统（液位控制、流量控制、压力控制、温度控制）于一体的实验装置（见图1.1）。实验装置由四个操作站和一个中间调度站组成，分别实现四种典型环节（液位、流量、压力、温度）的检测与控制。过程控制系统按照控制方式的不同分为开环控制、闭环控制，单回路控制、串级控制、比值控制等多种方式【2】。关键词：过程控制系统，液位，测量原理，控制方式，测量设备1 前言德国FESTO公司研制的“PCS” 即“过程控制系统”，是一套集目前工业控制中较为典型的控制系统（液位控制、流量控
2、制、压力控制、温度控制）于一体的实验装置（见图1.1）。实验装置由四个操作站和一个中间调度站组成，分别实现四种典型环节（液位、流量、压力、温度）的检测与控制。每站由相应的检测传感器、控制器和电动执行器构成。控制器由中央处理单元、信号处理单元和驱动电路等组成，可以实现开环、闭环 PID算法控制开度阀（比例阀）动作和直流电动机的调速。各站之间通过管道及开关阀（电磁阀）连接，由中间站的PLC控制开关阀导通，可形成耦合系统。2 液位系统简介本文中的液位系统如图1所示。图1液位系统液位控制系统是FESTO四个独立站中的一站，包括一高一低两个容器（通过中间连接管道上手动阀的开闭控制其通断）、超声波液传感器
3、、直流电机、直流电机调速器；以及四个系统都包含的向中间调度站PLC传送开关量的电容接近传感器，和PLC控制的电磁开度阀。3 相关测量原理液位测量是料位测量的一类。许多生产过程都要求监视工艺流程中各种容器内的物料贮量和控制容器进出料量的平衡。免费论文。为此目的所需要的信号当前主要通过测量容器中的物料表面位置得到。1料位包括液位和固体颗粒的料位，本文采用的料位测量方法是超声波式，利用超声波在一定状态介质中的传播具有一定速度这一特性，当声源与料位的距离变化时，回声的时间（从发射到接收超声波的时间间隔）也要改变，这是非接触式测量，可用于液位和固体颗粒料位测量。4测量设备超声波液位传感器它是基于声波的产
4、生和在物体上的反射探测原理。正常情况下，大气作为了超声波的载体。声发生器在短时间内启动，发射出超声脉冲，人耳无法听到。随着超声脉冲的发射，超声波被固定的物体所反射，并返回给接收器。超声脉冲的持续时间可用电子方法评估。在一个固定的范围内，在超声脉冲信号持续时间，输出信号是成比例的。电机/泵：不带调速，只起搅和作用；离心泵适合于冷水或加热水的再循环；泵不能干燥的使用，也不能用海水或受污染的液体。（3）电容接近传感器：电容接近传感器的工作原理是基于RC谐振电路中电容器的电容变化来估算的。当有物体接近传感器时，电容增加。这导致了RC电路振荡作用的变化。LED的黄色发光二极管指示切换状态。电容的变化很大
5、程度上依靠距离，和各自材质的尺寸以及介电常数【3】。（4）电机调速器：通过改变输入电压来改变泵的转速，输入-10V+10V，输出-24V+24V 【4】。5 控制方式过程控制系统按照控制方式的不同分为开环控制、闭环控制，单回路控制、串级控制、比值控制等多种方式【2】。免费论文。本液位控制系统采用闭环单回路控制方式，如图2所示。 只要超声波液位传感器测得的液位不等于给定值，就会有偏差存在，Burket控制器内的PID算法就会根据的e值算出控制输出量，进而调节直流电机的转速，使容器中液体的液位发生变化，直到等于给定值，电机转速保持不变。6 调节器参数的整定本系统所要保持的恒定参数是高容器液位的给定
6、高度，即控制的任务是控制高水箱液位等于给定值所要求的高度。根据图2，这是一个闭环反馈单回路液位控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经
7、验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。在本液位系统中，采用临界比例度法去整定PID调节器的参数。它的具体整定过程如下：首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；待系统稳定后，先把积分时间打至Ti=，微分时间Td=0，调节器只利用纯比例作用。逐步减小调节器的比例度，并且每当减小一次比例度，待被调量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%15%的阶跃扰动，观察被调量变化的动态过程。若被调量为衰减的振荡曲线，则应继续减小比例度，直到输出响应曲线呈现等幅振荡为止。如果响应曲线出现发散振荡，则表示比例度调节得过小，应适当增大，使之出现
8、等幅振荡。当被调量作等幅荡时，此时的比例度就是临界比例度，用k表示，相应的振荡周期就是临界周期Tk。据此，按表1可确定P调节器的参数。免费论文。表1用临界比例度k整定PID调节器的参数 调节器参数 调节器名称 k Ti(S) Td(S) P 2k PI 2.2k Tk/1.2 PID 1.6k 0.5Tk 0.125Tk 必须指出，表格中给出的参数值是对调节器参数的一个粗略设计，因为它是根据大量实验而得出的结论。若要就得更满意的动态过程（例如：在阶跃作用下，被调参量作4：1地衰减振荡），则要在表格给出参数的基础上，对、Ti（或Td）作适当调整。7 结论PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。参考文献：金以慧.过程控制M.北京:清华大学出版社,1993.施仁 等编.自动化仪表与过程控制.电子工业出版社常健生.检测与转换技术.吉林工业大学吴浩然.电机及电机拖动系统.重庆大学出版社