流量比值控制系統(tǒng)課程設計報告.

1、目 錄1 引言.2 系統(tǒng)分析.2.1工藝流程分析.2.2對象特性分析.2.3控制需求分析.3 控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn). 3.1變量選擇. 3.2 控制方式設計.3.3 回路模型建立.4 系統(tǒng)仿真研究與實時監(jiān)控平臺設計. 4.1通信連接.4.2監(jiān)控畫面. 4.3數(shù)據字典. 4.4實時仿真.5 控制系統(tǒng)投運、參數(shù)整定與性能分析. 5.1 參數(shù)整定.5.2系統(tǒng)投運. 5.2 性能分析.6 控制系統(tǒng)設備選型與電氣控制圖繪制. 6.1 設備選型. 6.2 電氣控制圖.7 實驗總結.8 參考文獻.引 言 隨著科學技術的快速發(fā)展，人們對過程控制提出了更高的要求，在許多生產過程中，要求兩種或兩種以上的物料流量成一

2、定的比例關系混合進行反應，對物料比例的要求甚為嚴格，如果不能滿足要求，或是比例失調，將導致產品的質量達不到要求，以致造成損失，嚴重時會導致事故的發(fā)生。研究比值控制系統(tǒng)很有必要，提高比值控制系統(tǒng)的進度及水平具有深遠意義。 根據系統(tǒng)工藝的要求及實際需要，提出了流量比值控制的設計方案，因為組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點，本設計著重說明了組態(tài)王在設計開發(fā)流量比值控制系統(tǒng)中的運用。該設計以電動調節(jié)閥和變頻器為中心對主副回路的液體流量進行比例控制，在實驗室A3000裝置上進行實驗，回路采用渦輪流量計和電磁流量計對流量信號進行實時采集，通過與設定值進行比較對調

3、節(jié)器進行控制，并采用ADAM4000的三個通訊模塊和福光百特儀表作為控制器接收并處理信號，把信號傳輸給調節(jié)閥或變頻器，從而達到控制流量的效果。通過組態(tài)王、matlab等仿真軟件進行仿真，設計出具有友好人機交互界面的組態(tài)，實現(xiàn)實時監(jiān)控，有及時的數(shù)據顯示，圖形顯示，PID參數(shù)手動及自動控制等控制功能，并建立動畫連接，生成信息報告。2 系統(tǒng)分析2.1 工藝流程分析在生產過程中，根據工藝過程容許的負荷波動幅度、干擾因素的性質和產品質量的要求不同，實現(xiàn)對兩種物料流量比值的控制方案也不同：開環(huán)比值控制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng)。 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是由一個定值控制的主動量

4、控制回路和一個跟隨主動量變化的從動量隨動控制回路組成，其流程圖和方框圖分別如圖1 和圖 2所示。 通過主動量控制回路能克服主動量干擾，實現(xiàn)對主動量的定值控制；通過從動量控制回路抑制作用于從動量回路的干擾，從而使主、從動量均比較穩(wěn)定，能保持在一定的比值，使總物料量保持穩(wěn)定。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)常用于負荷變化或總的物料變化比較平穩(wěn)的工業(yè)生產過程。2.1 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)流程圖2.2 對象特性分析電動調節(jié)閥的特性分析：流通能力Cv值是電動調節(jié)閥的主要參數(shù)之一，定義為當電動調節(jié)閥全開時閥兩端壓差為0.1MPa、流體密度為1g/cm3時每小時流經電動調節(jié)閥的流量數(shù)，也稱流量系數(shù)，單位為t/h。電動調節(jié)閥

5、的流量特性是在閥兩端壓差保持恒定的條件下，介質流經電動調節(jié)閥的相對流量與它的開度之間關系。電動調節(jié)閥的流量特性有線性特性、等百分比特性及拋物線特性三種。等百分比特性（對數(shù)）等百分比特性的相對行程和相對流量不成直線關系在行程的每一點上單位行程變化所引起的流量的變化與此點的流量成正比，流量變化的百分比是相等的。所以它的優(yōu)點是流量小時流量變化小，流量大時則流量變化大，也就是在不同開度上具有相同的調節(jié)精度；線性特性的相對行程和相對流量成直線關系，單位行程的變化所引起的流量變化是不變的，流量大時，流量相對值變化小，流量小時，則流量相對值變化大；拋物線特性流量按行程的二方成比例變化，大體具有線性和等百分比

6、特性的中間特性。從上述三種特性的分析可以看出就其調節(jié)性能上講，以等百分比特性為最優(yōu)其調節(jié)穩(wěn)定、調節(jié)性能好。而拋物線特性又比線性特性的調節(jié)性能好，可根據使用場合的要求不同挑選其中任何一種流量特性。變頻器分析：變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。變頻器常見的

7、頻率給定方式主要有：操作器鍵盤給定、接點信號給定、模擬信號給定、脈沖信號給定和通訊方式給定等。這些頻率給定方式各有優(yōu)缺點，須按照實際所需進行選擇設置，同時也可以根據功能需要選擇不同頻率給定方式之間的疊加和切換。變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容；電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 2.3 控制需求分析在工業(yè)生產過程中往往要求兩種或多種物料流量成一定比例關系；一旦比例失調，會影響生產的正常進行，影響產品質量，浪費動力，造成環(huán)境污染，甚至產生生產事故。因此我們會利用比值控制系統(tǒng)來控制兩個或多個變量自動維持一定

8、比值關系。 起主導作用的物料流量為主動量，主回路中產生的擾動，但是通過主回路的回路控制作用反饋能克服主動量干擾，實現(xiàn)對主動量的定值控制。而主動量通過比值系統(tǒng)環(huán)節(jié)把信號傳輸給從動量，副回路是跟隨主動量變化的從動量隨動控制回路，從而保證流量成一定比例關系。其中主回路是通過調節(jié)器作用改變電動調節(jié)閥的開度來進行流量Q1控制，副回路是通過調節(jié)器作用于變頻器，變頻器通過改變頻率來控制磁力泵來進行流量Q2的控制。3 控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)3.1 變量選擇被控變量：主回路流量（支路2）Q1、副回路流量（支路1）Q2。操縱變量：電動調節(jié)閥開度（%）、變頻器頻率（轉換為電流mA）。干擾變量：管道壓力變化、泵出口流量的

9、變化。3.2 控制方式設計設計分析：雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)中，起主導作用的流量稱為主動量，跟隨主動量而變化的流量稱為從動量，設本系統(tǒng)中Q1為主動量，Q2為從動量。將從動量用一個閉環(huán)包括進去，主動量也用閉環(huán)實現(xiàn)。將流量Q1的測量值通過比值控制器k作為副回路的輸入量，所以從動量Q2的給定是Q1，故Q2要隨著Q1的變化而變化，即從動量Q2是一個隨動控制系統(tǒng)。由于Q1為閉環(huán)給定值控制，所以為定值控制系統(tǒng)。實際控制設計：將A3000設備中支路2作為主回路，流量Q1為主動量，通過回路中的電動調節(jié)閥改變流量Q1；將A3000設備中支路1作為副回路，流量Q2為從動量，通過調節(jié)變頻器的工作頻率改變泵1的轉速，從

10、而改變流量Q2。 擾動 + 管道電動閥調節(jié)器1 流量變送器1K +擾動磁力泵 管道變頻器調節(jié)器2 + 流量變送器23.1控制系統(tǒng)方框圖3.3 回路模型建立（1）在A3000-FS實驗設備上，打開閥門,調節(jié)下水箱閘板開度15mm，其余閥門關閉，構成單回路液位控制。檢查所有的測量原件和接線及其他原件均無誤后，再進行下面的操作。（2）接線：調節(jié)閥輸入接到福州百特表面板4-20mA輸出，變頻器輸入接到4-20mA輸出，1#流量接到4-20mA輸入，2#流量接到4-20mA輸入。（3）測1#流量時電磁閥必須打開，應此要在面板上給電磁閥接24V直流電。（4）開啟電動調節(jié)閥到一定開度，防止泵出口壓力過高。（

11、5）打開A3000電源。在A3000-FS上，啟動左邊水泵和右邊的水泵。（6）啟動計算機組態(tài)軟件，進入實驗系統(tǒng)選擇“比值控制系統(tǒng)實驗”。（7）主副回路廣義對象模型求解：（8）將調節(jié)器的調節(jié)方式設置為手動，給調節(jié)閥一個階躍輸入，記錄支路2流量Q1的隨時間變化情況。（9）在變頻器面板上初始化變頻器，設置調節(jié)閥的工作頻率，按啟動鍵啟動，再在組態(tài)軟件中改變工作頻率，給一個流量階躍變化，記錄支路1流量Q2的隨時間變化情況。輸出輸出變頻器調節(jié)閥福特儀表輸出-實驗數(shù)據記錄如下: 輸出閥門開度40%-50%、變頻器40%-50%3.2 儀表接線圖3.3 數(shù)據表格作出曲線如下：3.4 主回路曲線3.5 副回路曲

12、線通過計算得到主回路模型：副回路模型：4 系統(tǒng)仿真研究與實時監(jiān)控平臺設計4.1 通信連接小組兩人實現(xiàn)OPC Server與組態(tài)王及Matlab的通訊，一人因系統(tǒng)問題未能成功，連接過程中要注意按實驗指導書上的步驟來連接，win7 64位系統(tǒng)能連接上opc，但必須保證matlab是32位的，同時組態(tài)王6.5以上才能支持。4.1 連接截圖4.2 監(jiān)控畫面本設計共有五畫面：主界面、歷史曲線、實時曲線、報警畫面、報表記錄畫面。主界面如圖4.2，在主界面中有2個水箱，它們在本設計中只是作為容器，所以在本設計中沒有設置動畫連接，因為本設計主要考慮的是流量比值控制。在主界面中還有一個電動調節(jié)閥、一個電磁流量計

13、、一個渦輪流量計和西門子變頻器，電動調節(jié)閥控制主動量Q1，變頻器通過調節(jié)泵1的轉速來控制從動量Q2。兩個電磁流量計分別是測量流量Q1、流量Q2。當我們啟動系統(tǒng)后進入主界面我們首先在手動狀態(tài)下設置Q1的電動調節(jié)閥的開度，使流量Q1穩(wěn)定，然后設置PID參數(shù)，設置參數(shù)后，按下按鈕后進入自動環(huán)節(jié)，再設置比值系數(shù)和副回路PID參數(shù)，將控制器切換到自動狀態(tài)，系統(tǒng)按設定好的PID算法得到輸出，使流量Q1與流量Q2成設定的比例并穩(wěn)定于此。期間畫面也能顯示出電動調節(jié)閥的開度、流量值，并且管道也能模擬液體的流動。主界面有各個畫面的切換鍵也能從各個畫面返回主畫面。圖4.3顯示能直接觀察實時曲線，查看系統(tǒng)的穩(wěn)定情況。

14、當我們要觀察歷史的曲線時，我們可以單擊歷史曲線按鈕，進入歷史曲線界面。報警和報表畫面通過點擊按鍵也能進入，單擊退出按鈕直接退出系統(tǒng)。4.2 主界面畫面4.3 實時曲線畫面4.4 歷史曲線畫面4.5 歷史數(shù)據畫面4.6 監(jiān)控畫面4.2 數(shù)據字典根據控制系統(tǒng)的需要建立數(shù)據詞典，以便確定內存變量與I/O數(shù)據，運算數(shù)據的關系。只有在數(shù)據詞典中定義的變量才能在系統(tǒng)的控制程序中使用。本系統(tǒng)中所涉及到的變量的類型主要有與ADAM4000三個模塊有關。DA設備進行數(shù)據交換的I/O實型變量，控制電磁閥開關的I/O實形變量，用于定以開關動畫連接的內存實型變量，參于PID運算的內存實型變量和實現(xiàn)各種動畫效果所用到的

15、內存實型或內存整型變量等。 4.7 數(shù)據字典4.4 實時仿真5 控制系統(tǒng)投運、參數(shù)整定與性能分析5.1 在MATLAB/SIMULINK環(huán)境整定雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)控制參數(shù)原始數(shù)據：(1)要求比值控制系統(tǒng)的從動量跟隨主動量變化而變化，其中兩個流量儀表的信號比值系數(shù)：k=3;（2）主對象廣義傳遞函數(shù)為：;（3）從對象廣義傳遞函數(shù)為： ;(4)主動量回路和副動量回路均采用 PI 控制規(guī)律;(5)主動量每隔100s變化，幅值分別為3 1 4 2 1。具體設計設計內容如下： 1、采用反應曲線法整定主動量回路控制器參數(shù)； 2、采用反應曲線法整定從動量回路控制器參數(shù)； 3、在 MATLAB/SIMULINK

16、環(huán)境中建立雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，并投入運行，估計系統(tǒng)階躍響應曲線的超調量、上升時間和過渡過程時間； 4、檢驗雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的抗干擾能力：主動量和從動量分別改變 10%，檢驗系統(tǒng)的抗干擾能力。 整定過程：整定主動量回路在Simulink中建立主動量回路閉環(huán)系統(tǒng)，在純比例控制器的作用下給定單位階躍響應。置比例控制器的比例帶為較大的數(shù)值，即比例增益K為較小的數(shù)值。對設定值施加一個階躍擾動，然后觀察系統(tǒng)的響應。若響應振蕩太快，就減小比例帶；反之，則增大比例帶。如此反復，知道出現(xiàn)衰減比n=4:1的振蕩過程。記錄下此時的比例帶（記為），以及響應的衰減振蕩周期。5.1 整定后的主動量回路閉環(huán)系統(tǒng)框圖5.2

17、 主動量回路階躍響應整定從動量回路5.3 整定后的主動量回路閉環(huán)系統(tǒng)框圖5.4 從動量回路階躍響應、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)仿真及性能測試：5.5 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)（調整前）5.6 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)（調整后）5.7 主副回路不同階躍響應5.8 主副回路階躍響應結論：主、從動量分別改變10%,系統(tǒng)沒有引起較大超調，且能夠快速穩(wěn)定，抗干擾能力強。5.2 系統(tǒng)投運由于時間沒有安排好，我們小組一共做了兩次系統(tǒng)投運工作。第一次：實驗室臺式機上的ADAM4000工程在我們現(xiàn)場修改后不能用，我們用福州百特儀表分別對兩個回路進行測試，效果不是很理想。第二次：我們在自己的筆記本上重新建立工程并繪制畫面，但在實驗室

18、發(fā)現(xiàn)版本過高而不能兼容，最后在刪除臺式機上工程里其他不相干畫面并對原工程修改后終于實現(xiàn)組態(tài)王的運行。由于主回路設定值給不進去，最后只投運了副回路。發(fā)現(xiàn)問題：1、ADAM4000面板上有些通道不能用，這次投運發(fā)現(xiàn)AI0、AI1通道損壞。 2、matlab仿真中Ti的單位是S，而組態(tài)王的控件中PID設定值單位為mS。 3、輸出輸入通道一定要分清楚，而且輸出輸入數(shù)值單位不同時，要進行轉換設置。 4、可先投運主回路，再投運副回路，最后一起進行調試。5.9 ADAM4000模塊接線圖5.10 投入運行主圖5.11 Ti=1000ms時副回路階躍變化（振蕩大）5.12 Ti=2000時副回路階躍變化（基本

19、不振蕩，能跟隨主回路變化）5.3 性能分析所構建的模型較為粗糙，都是一階慣性環(huán)節(jié)，而副回路模型因測量數(shù)據時偏差較大導致時滯太小，無法用二階慣性建模，最后得到的模型與實際不太吻合，所以matlab仿真與實際投運有誤差。6 控制系統(tǒng)設備選型與電氣控制圖繪制6.1 設備選型LWGB型渦輪流量傳感器：實驗室采用的是LWGB型渦輪流量傳感器，LWGB型渦輪流量傳感器是在LWGY基本型渦輪流量傳感器的基礎上增加了24VDC供電，4-20mA兩線制電流變送功能，特別適合于與顯示儀、工控機、DCS等計算機控制系統(tǒng)配合使用。電磁流量計：電磁流量計采用四線制接法，如圖2-6所示：6.1 電磁流量計接線原理圖一般不

20、要在沒有水的情況下給電磁流量計加電。使用前請仔細閱讀產品說明書。開啟水泵，將電磁流量計信號輸入百特儀表(量程設為03立方/小時)，會看見流量值。電磁流量計液晶屏上會顯示瞬時流量與累積流量值。注意：不要在沒有水的情況下給電磁流量計加電。加電幾分鐘后才能獲得準確數(shù)值。為了保證低流量下的精度，我們使用了滿量程3立方/小時的電磁流量計，依據水泵的最大流量。流量控制范圍可以0%-55%。西門子MICROMASTER 420變頻器：西門子變頻器可以BOP面板操作，可以4-20毫安控制，可以使用PROFIBUS-DP總線控制。不需要增加任何硬件就可以進行這些模式的操作。西門子變頻器是帶PROFIBUS-DP

21、總線的，通過PROFIBUS-DP總線與控制器連接?？梢杂蓡蜗?三相230V直流供電，本系統(tǒng)采用220V單相交流電。單相電源接線方式如圖2-7，2-8所示：6.2 MICROMASTER 420 變頻器的連接端子6.3 電源接線方式本系統(tǒng)使用了變頻器的STF功能，其控制線接端子5和8，速度調節(jié)控制線接端子3和4，端子U、V接負載。變頻器的操作面板上需要提供24V直流電源。即使變頻器不處于運行狀態(tài)，其電源輸入線，直流回路端子和電動機端子上仍然可能帶有危險電壓。因此，斷開開關以后還必須等待5 分鐘，保證變頻器放電完畢，再開始安裝工作。霍尼韋爾ML7420A3055-E電動調節(jié)閥執(zhí)行器：實驗室電動調節(jié)閥