單閉環(huán)流量定值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、單閉環(huán)流量定值控制系統(tǒng) 電氣自動(dòng)化2班 畢士杰 指導(dǎo)教師：曹紅英 2013-5-29設(shè)計(jì)目的1了解單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與原理。2掌握單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法3研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能的影響。4研究P、PI、PD和PID四種控制分別對(duì)流量系統(tǒng)的控制作用。實(shí)驗(yàn)原理 被控量為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路（也可采用變頻器支路）的流量，實(shí)驗(yàn)要求電動(dòng)閥支路流量穩(wěn)定至給定值。將渦輪流量計(jì)FT1檢測(cè)到的流量信號(hào)作為反饋信號(hào)，并與給定量比較，其差值通過(guò)調(diào)節(jié)器控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，以達(dá)到控制管道流量的目的。本實(shí)驗(yàn)選擇電動(dòng)閥支路流量作為被控對(duì)象。實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)選擇電動(dòng)閥支路流量作為被控對(duì)象。實(shí)

2、驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門(mén)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門(mén)F1-1F1-1、F1-2F1-2、F1-8F1-8、F1-11 F1-11 全開(kāi)，其余閥門(mén)均關(guān)閉。將全開(kāi)，其余閥門(mén)均關(guān)閉。將“FT1FT1電動(dòng)閥支路流量電動(dòng)閥支路流量”鈕子開(kāi)關(guān)撥到鈕子開(kāi)關(guān)撥到“ON”O(jiān)N”的位的位置。置。接線圖硬件設(shè)計(jì)1.流量模擬轉(zhuǎn)換器：Lwa-11-傳感器及檢測(cè)裝置輸出 4-20 mA量程 0.2-1.2/h系數(shù)85268817P/LS/N :11081412.QS智能型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥-控制器及執(zhí)行器產(chǎn)品型號(hào)：QSTP-16K公稱(chēng)通徑 20mm 公稱(chēng)壓力1.6MPa介質(zhì)溫度200攝氏度信號(hào)：4-20mA

3、DC 行程 16mm3.磁力驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵-提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力型號(hào)：16CQ-8P 380V 50HZ揚(yáng)程 8m 流量30L/min轉(zhuǎn)速2800r/min功率 0.18 kw4.渦輪流量計(jì)-傳感器檢測(cè)及反饋裝置渦輪流量計(jì)主要用于測(cè)量管道流量的測(cè)量，并將測(cè)量值變換為標(biāo)準(zhǔn)電壓電流信號(hào)傳至s7-200plc模擬量輸入模塊硬件設(shè)計(jì)2被控對(duì)象包括：渦輪流量計(jì)、流量模擬轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、三相磁力泵、水箱、管道等，渦輪流量計(jì)主要用于測(cè)量管道流量的測(cè)量，并將測(cè)量值變換為標(biāo)準(zhǔn)電壓電流信號(hào)傳至s7-200模擬量輸入模塊 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于接收模擬量輸出模塊輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓電流信號(hào)，并通過(guò)改變閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)改變管道流量

4、的大小。 三相磁力泵用于提供水流動(dòng)所需的動(dòng)力和克服水流于管道、閥門(mén)、彎頭之間的摩擦力。plc模擬量輸入模塊接收到流量模擬轉(zhuǎn)換器所測(cè)得的流量值，將其傳至主控單元，主控單元將測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算出輸出值，經(jīng)其模擬量輸出模塊將計(jì)算出的輸出值輸出至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。軟件設(shè)計(jì)采用西門(mén)子公司的S7-200系列整體式PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。CPU模塊采用CPU224，AC/DC/繼電器，模塊，該模塊采用交流220V供電。 根據(jù)對(duì)流量定值控制系統(tǒng)的分析，采用CPU224，它集成14輸入/10輸出點(diǎn)，共計(jì)24點(diǎn)的I/O存儲(chǔ)容量大，具有7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大可擴(kuò)展為168個(gè)點(diǎn)數(shù)字量或者35路模擬量的輸入和輸出點(diǎn)，有內(nèi)置

5、時(shí)鐘，它有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處理能力，存儲(chǔ)容量也進(jìn)一步增加，是使用的更多的S7-200產(chǎn)品。功能擴(kuò)展模塊EM235具有四路模擬量輸入，1路模擬量輸出plc主程序子程序組態(tài)王的簡(jiǎn)介組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專(zhuān)用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶(hù)提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件應(yīng)該能支持各種工控設(shè)備和常見(jiàn)的通信協(xié)議，并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。組態(tài)軟件的功能和特點(diǎn)可歸納如下：概念簡(jiǎn)單，易于理解和使用；功能齊全，便于方案設(shè)計(jì)；實(shí)時(shí)性與并行處理；建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，便于用戶(hù)分步組

6、態(tài)，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行；利用豐富的“動(dòng)畫(huà)組態(tài)”功能，快速構(gòu)造各種復(fù)雜生動(dòng)的動(dòng)態(tài)畫(huà)面；引入“運(yùn)行策略”的概念。使用組態(tài)王1.雙擊圖標(biāo)，啟用組態(tài)王工程管理器，選擇菜單/新建，新建工程。2.點(diǎn)擊“下一步”，給指定的設(shè)備唯一的邏輯名稱(chēng)。3.單擊“下一步”，給設(shè)備“選擇串口”。4.單擊“下一步”，給設(shè)備設(shè)置“設(shè)置地址指南”。5.單擊“下一步”，設(shè)置“通信參數(shù)”。6.單擊“下一步”，設(shè)置“設(shè)備安裝向?qū)В畔⒖偨Y(jié)”。設(shè)備定義完成后，可以在工程瀏覽器的右側(cè)看到新建的外部設(shè)“PLC”。在定義數(shù)據(jù)庫(kù)變量時(shí)，只要把I/O變量連結(jié)到這臺(tái)設(shè)備上，它就可以和組態(tài)王交換數(shù)據(jù)了。構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)（定義變量） 在構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，選擇

7、工程瀏覽器左側(cè)大綱項(xiàng)“數(shù)據(jù)庫(kù)”，在工程瀏覽器右側(cè)用鼠標(biāo)左鍵雙擊“新建”圖標(biāo)，彈出“變量屬性”對(duì)話(huà)框在“變量名”處輸入變量名。如：a；在“變量類(lèi)型”處選擇變量類(lèi)型如：內(nèi)存實(shí)數(shù)，其它屬性目前不用更改，單擊“確定”即可。如下圖所示動(dòng)畫(huà)鏈接 程序至此結(jié)束。運(yùn)行調(diào)試 初始畫(huà)面P I D調(diào)整 SV=20，P=5，I=20，D=0SV=10，P=5，I=20，D=0SV=8，P=4，I=9999，D=0SV=8，P=4，I=30，D=3SV=16，P=2，I=9999，D=0實(shí)驗(yàn)理想結(jié)果 sv=5，p= 5，I= 20,D=0控制規(guī)律的確定1.比例（P)調(diào)節(jié):純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器，它對(duì)控制作用和

8、擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很快速。由于比例調(diào)節(jié)只有一個(gè)參數(shù)，所以整定很方便。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)是使系統(tǒng)有靜差存在.2.比例積分調(diào)節(jié)（PI):PI調(diào)節(jié)器的積分部分能使系統(tǒng)的類(lèi)型數(shù)提高，有利于消除靜差，但它又使PI調(diào)節(jié)器的相位滯后量減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，其傳遞函數(shù)為GC(S)=KP(1+STI1)3.比例微分(PD)調(diào)節(jié) 這種調(diào)節(jié)器由于有微分的作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，比例系數(shù)的增大能加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，減小動(dòng)態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分不能過(guò)大，以利于抗高頻干擾。PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為GC(S)=KP（1+TDS）4、比例微分積分(PID)調(diào)節(jié)器PID是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種調(diào)節(jié)器。由于它具有各類(lèi)調(diào)節(jié)器的

9、優(yōu)點(diǎn)，因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。它的傳遞函數(shù)為GC(S)=KP(1+STI1 +TDS)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定一般有兩種方法：一種是理論設(shè)計(jì)法，即根據(jù)廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和性能要求，用根軌跡法或頻率法來(lái)確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，另一種方法是工程實(shí)驗(yàn)法，通過(guò)對(duì)典型輸入響應(yīng)曲線所得到的特征量，然后查照經(jīng)驗(yàn)表，求得調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。 工程實(shí)驗(yàn)整定法有以下四種：經(jīng)驗(yàn)法，臨界比例度法，阻尼振蕩法，反應(yīng)曲線法經(jīng)驗(yàn)法 若將控制系統(tǒng)液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來(lái)分類(lèi)，則屬于同一類(lèi)別的系統(tǒng)，其對(duì)象往往比較接近，所以無(wú)論是控制器形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表一為經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基

10、礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作 進(jìn)一步修正。若需加微分作用，微分時(shí)間常數(shù)按TD=(1/31/4)T1計(jì)算。1T1T臨界比例度法 這種整定方法是在閉環(huán)情況下進(jìn)行的。設(shè)TI=，TD=0，使調(diào)節(jié)器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)呈現(xiàn)等幅振蕩，如圖3-3所示。根據(jù)臨界比例度S和振蕩周期TS，按表二所列的經(jīng)驗(yàn)算式，求取調(diào)節(jié)器的參考參數(shù)數(shù)值，這種整定方法是以得到4：1衰減為目標(biāo)。 此法有一定限制。從工藝上看，允許受控變量能承受等幅振蕩的波動(dòng)，其次是受控對(duì)象應(yīng)是二階和二階以上或具有純滯后的一階以上環(huán)節(jié)，否則在比例控制下，系統(tǒng)是不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩的。在求取等幅振蕩曲線時(shí)，應(yīng)特別注意控制閥出現(xiàn)開(kāi)

11、、關(guān)的極端狀態(tài)。阻尼震蕩法 在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動(dòng)觀察輸出響應(yīng)的衰減過(guò)程，直至出現(xiàn)圖3-4所示的4：1衰減過(guò)程為止。這時(shí)的比例度稱(chēng)為4：1衰減比例度，用S表示之。相鄰兩波峰間的距離稱(chēng)為4：1衰減周期TS。根據(jù)S和TS，運(yùn)用表三所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。反應(yīng)曲線法 如果被控對(duì)象是一階慣性環(huán)節(jié)，或具有很小滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，若用臨界比例度法或阻尼振蕩法（4：1衰減）就有難度。對(duì)于這種情況，可采用下述的反應(yīng)曲線法來(lái)整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。圖3-5為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方框圖。令調(diào)節(jié)器的輸出X(t)為階躍信號(hào)，則（1）比例度）比例度， 比例

12、度越大，過(guò)渡過(guò)程越比例度越大，過(guò)渡過(guò)程越平緩，余差越大；比例度越小，過(guò)渡過(guò)程振蕩平緩，余差越大；比例度越小，過(guò)渡過(guò)程振蕩越劇烈，余差越小，越劇烈，余差越小，過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)散。過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)散。（2）積分時(shí)間）積分時(shí)間 ，積分時(shí)間越大，積分作用，積分時(shí)間越大，積分作用越弱，過(guò)渡過(guò)程越平緩，消除余差越慢；積分越弱，過(guò)渡過(guò)程越平緩，消除余差越慢；積分作用越強(qiáng)，過(guò)渡過(guò)程振蕩越劇烈，消除余差越作用越強(qiáng)，過(guò)渡過(guò)程振蕩越劇烈，消除余差越快?？?。（3）微分時(shí)間）微分時(shí)間 ，微分時(shí)間越大，微分作用，微分時(shí)間越大，微分作用越強(qiáng)，過(guò)渡過(guò)程趨于穩(wěn)定，最大偏差減小，但越強(qiáng)，過(guò)渡過(guò)程趨于穩(wěn)定，最大偏差減小，但微分

13、時(shí)間過(guò)大，又會(huì)增加過(guò)渡過(guò)程的波動(dòng)。微分時(shí)間過(guò)大，又會(huì)增加過(guò)渡過(guò)程的波動(dòng)?？辞€看曲線調(diào)參數(shù)，調(diào)參數(shù)，可以按照上述原則進(jìn)行參數(shù)可以按照上述原則進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，但有時(shí)僅從作用方向還難判定該調(diào)整哪調(diào)整，但有時(shí)僅從作用方向還難判定該調(diào)整哪個(gè)參數(shù)，此時(shí)還應(yīng)該根據(jù)曲線形狀作進(jìn)一步判個(gè)參數(shù)，此時(shí)還應(yīng)該根據(jù)曲線形狀作進(jìn)一步判斷。如過(guò)渡過(guò)程曲線過(guò)度振蕩，可能的原因有：斷。如過(guò)渡過(guò)程曲線過(guò)度振蕩，可能的原因有：比例度過(guò)小、積分時(shí)間過(guò)小和微分時(shí)間過(guò)大等。比例度過(guò)小、積分時(shí)間過(guò)小和微分時(shí)間過(guò)大等。 總結(jié) 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，曹老師的指導(dǎo)下我了解了組態(tài)王S7200PLC軟件的特點(diǎn)、組成和使用方法，組態(tài)的過(guò)程和控制原理。熟悉了流量檢測(cè)儀表的種類(lèi)和測(cè)量原理，控制閥的種類(lèi)