李志惠 胡秋宇 符颢 丁瑞轩

摘  要：在工业生产中，控制理论和方法的创新推动了自动控制系统的迅速发展。液位是现代控制工程中最重要的控制参数之一。为了保证生产安全，实现优质高产、节能降耗，必须对生产过程中的液位参数进行精确控制。在工业生产中，根据不同被控对象的特点，可以选择简单的单回路控制系统来满足大多数控制的需要，但为了抗干扰和控制精度更好，可以选择串级控制系统。

关键词：液位控制系统;串级控制;单回路控制;V103

一、设计背景

随着自动化技术的不断发展和广泛应用，过程控制作为现代控制技术的重要组成部分，在生产过程中发挥着重要作用。在工业生产自动化过程中，经常需要对一些设备和容器的液位进行测量和控制。虽然许多简单的单回路控制系统对自动化设备的要求不高，操作、整定和维护也相对简单，但工业生产正在向规模化方向发展，对生产工艺参数的要求越来越高，控制系统的功能越来越多样化。传统系统无法执行复杂的控制任务，而串级控制系统能满足严格的工艺条件要求。因此，本设计主要研究串级控制系统对液位的控制。

二、系统方案设计

（一）方案一

如上图1人工控制液位方框图，在研究如何控制立式储罐V103的液位时，人的控制方式可以通过观察液位的高度的情况如何，偏离了预先设定数值有多少。然后根据偏差的大小与正负，去人为手动改变阀门的开度控制流量的流入使得液位重新回到预期数值。

（二）方案二

如上图2单回路自动控制液位方框图，可以采用智能装置来代替人对液位进行控制，即用自动测量装置代替人的眼睛，用自动控制器代替人的大脑，用自动执行器代替生产过程的手动阀，立式储罐V103作为被控对象，立式储罐V103的液位量作为被控参数，形成单回路控制系统。

（三）方案三

如上图3串级控制系统流程图及图4串级系统控制液位方框图，主参数与单回路控制系统的被控参数选择是一致的，为实现对液位的控制，可以直接选取液位为被控参数。选择用储罐入口流量控制储罐液位，因此入口流量为操纵变量。在此次液位工艺研究的问题上，如果进料的源头的压力增大，此时入口流量也会相应增大。为了使液位的变化平稳，引入副回路，可以将入口液体流量作为副控制对象，先将入口流量的大小控制住，进而控制主回路液位的大小。

三、方案论证

方案一采用人工控制的方式，浪费人力且控制力度不强，难以实现工艺生产中大规模的控制。方案二实现了自动控制的便捷，大幅度的提高了控制效率，弥补了人工控制的不足，省时省力。但工艺过程中总会存在各种各样的剧烈扰动，例如进料源头的压力改变了，造成了进料流量的波动，使控制质量降低，而且液位变化是比较慢的，其时间常数比较大，容量滞后严重，所以采用单回路控制系统对反应器进行控制的方案，难以达到生产要求。而方案三串级系统的副回路具有动作速度快、抗干扰能力强的特点，如果在设计中把对主变量影响最严重、变化最剧烈、最频繁的干扰包含在副环内，就可以充分利用副环快速抗干扰性能，将干扰的影响抑制在最低限度。

四、方案选择

基于方案三满足方案一，方案二的大部分优点，且相较于方案一，方案二可以充分利用副环快速抗干扰性能，将干扰的影響抑制在最低限度，所以选择方案三。

结束语：

综上所述，与手动控制系统相比，它更方便、省力。因此，在动态特性复杂、各种干扰或幅值大、控制质量要求高的生产过程中，可以考虑采用串级控制系统，以提高生产的经济效益。本文实现了液位串级控制的基本功能。但是，液位串级控制系统还有待进一步发展和完善。可以结合比例、滞后、前馈等不同的算法，实现更多的控制模式，为实际工业生产的应用奠定基础。

参考文献

[1]杨延西.过程控制与自动化仪表.北京：机械工业出版社.2017

[2]李宜达.控制系统设计与仿真.北京：机械工业出版社.2014

作者简介：

李志惠（1998-）女，汉，四川省达州市，本科，研究方向：自动化

胡秋宇（1998-）男，汉，四川省宜宾市，本科，研究方向：电力系统及其自动化

符颢（2000-）男，汉，四川省达州市，本科，研究方向：自动化

丁瑞轩（1999-）男，汉，四川省成都市，本科，研究方向：电力系统及其自动化