智能化流量控制系統(tǒng)設(shè)計要點

1、東北大學(xué)秦皇島分?？刂乒こ虒W(xué)院過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計設(shè)計題目：智能化流量控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生：專業(yè)：班級學(xué)號：指導(dǎo)教師：設(shè)計時間： 2013.7. 1-2013.7.6目錄一. 設(shè)計任務(wù) .3二前言 .3四系統(tǒng)硬件設(shè)計 .54.1設(shè)備的選型 .54.1.1控制器的選型 .54.1.2變頻器的選型 .64.1.3流量傳感器變送器的選型.64.2硬件電路 .7五軟件設(shè)計.85.1控制規(guī)律的選擇 .85.2MATLAB 仿真 .85.2.1傳遞函數(shù)的確定 .85.2.2采用數(shù)字 PID 控制的系統(tǒng)框圖 .95.2.3基于臨界比例度法的PID 參數(shù)整定 .95.3 程序編寫 .12六結(jié)束語 .16七參考文獻(xiàn)

2、.17附頁 .Matlab 仿真程序及原始圖表 .17一.設(shè)計任務(wù)1、 系統(tǒng)構(gòu)成： 系統(tǒng)主要由流量傳感器，PLC 控制系統(tǒng)、 對象、執(zhí)行器 （查找資料自己選擇）等組成。傳感器、對象、控制器、執(zhí)行器可查找資料自行選擇，控制器選擇PLC 為控制器。 PLC 類型自選。2、寫出流量測量與控制過程，繪制流量控制系統(tǒng)組成框圖。3、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計自選。4、編制流量測量控制程序：軟件采用模塊化程序結(jié)構(gòu)設(shè)計，由流量采集程序、流量校準(zhǔn)程序、流量控制程序等部分組成二前言本課程設(shè)計來源于工業(yè)工程中對于流量的監(jiān)測和控制過程，其目的是利用PLC 來實現(xiàn)過程自動控制。目前，PLC 使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到

3、更復(fù)雜的自動化控制，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，涉及到所有與自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域。PLC通過模擬量I/O 模塊和 A/D 、D/A 模塊實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，并對模擬量進行閉環(huán)控制。三系統(tǒng)控制方案設(shè)計圖 3.1 控制系統(tǒng)工藝流程圖如圖 3.1 所示為智能化流量控制系統(tǒng)的工藝流程圖，要求實現(xiàn)對管道中水流量的控制，該系統(tǒng)只有一個過程參數(shù)即管道的水流量，故可采用單回路控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制要求。該控制系統(tǒng)中，被控量為水的流量，控制量為水泵電機的轉(zhuǎn)速，控制器選用PLC 和變頻器 ,傳感變送器選用電磁流量傳感器，執(zhí)行器選用水泵電機。根據(jù)工藝流程圖畫出系統(tǒng)框圖，即圖 3.2。圖 3.2 系統(tǒng)框

4、圖從上圖看出，該控制系統(tǒng)分為：控制機構(gòu)； 信號檢測變送機構(gòu)； 執(zhí)行機構(gòu)(l) 控制機構(gòu) ：本系統(tǒng)的控制機構(gòu)包括控制器(PLC) 和變頻器兩個部分。控制器是整個流量控制系統(tǒng)的核心。將來自流量傳感變送器的測量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進行一定規(guī)律（PID控制規(guī)律）的運算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號,去控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，以實現(xiàn)對過程量的自動控制。變頻器可以通過RS-485 通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC 相連，便于設(shè)備之間的通信，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)(即水泵電機 )進行控制；使用變頻器的作用就是為了調(diào)速， 并降低啟動電流。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機調(diào)速用， 又叫

5、變頻調(diào)速器。變頻器是對水泵電機進行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤控制器送來的控制信號改變水泵電機的轉(zhuǎn)速控制(2) 信號檢測變送機構(gòu) ：在系統(tǒng)控制過程中傳感變送器選用電磁流量傳感器將工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)經(jīng)檢測變送單元轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號，需要檢測的信號包括管道水流量信號，其中水流量信號是本控制系統(tǒng)的主要反饋信號。該信號是模擬信號，在模擬儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號通常采用4-20mA 、 0-10mA電流信號、1-5V電壓信號、或者20-100kPa 氣壓信號。讀入PLC時，需對輸入的信號進行A/D轉(zhuǎn)換。(3) 執(zhí)行機構(gòu) ：執(zhí)行機構(gòu)由水泵和電機組成，即把水泵與電動機直接連接在一起，但不需要傳動軸。它具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量

6、輕，安裝、運行成本低，維護方便，節(jié)能效果好，噪音低的有點。它用于將水供入管道，通過變頻器改變電機的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制管道水流量的目的。智能化流量控制系統(tǒng)以供水出口管道水流量為控制目標(biāo)，在控制上實現(xiàn)出口管道的實際流量跟隨設(shè)定的水流量。水流量的設(shè)定值可以是一個定值，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。四系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1設(shè)備的選型設(shè)計硬件選型的部分有：控制器、變頻器、水泵、流量傳感變送器。4.1.1 控制器的選型PLC 控制器具有抗干擾能力強，擴展模塊組合方便、編程簡單等優(yōu)點，故該控制系統(tǒng)采用 PLC 作為控制器。由于水流量自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此，我們選用西門子 S7-2

7、00系列 PLC ，該系列 PLC 結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。S7-200系列 PLC 可提供 4種不同的基本型號的8種 CPU 供選擇使用 .根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，并考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此， CPU 選用西門子 CPU 224 ，其開關(guān)量輸出為 10點，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出；開關(guān)量輸入為 14點，輸入形式為+24V直流輸入。由于實際中需要模擬量輸入點 1個，模擬量輸出點 1個，所以需要選擇擴展模塊。 S7-200 系列 PLC 主要有 6種擴展單元，它本身沒有 CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴展I/

8、O 點數(shù)。模擬量擴展模塊選用EM235，該模塊有 4個模擬量輸入通道，1個模擬量輸出通道。4.1.2 變頻器的選型選擇 Siemens MicroMaster440 變頻器，便于S7-200PLC 和變頻器之間的通信。該系列變頻器專適用于三相交流電動機調(diào)速，由微處理器控制， 采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和很強的功能。MicroMaster440變頻器的輸入信號為380V交流電壓，輸出功率為0.7590KW ，適用于大功率高要求超所。該變頻器的優(yōu)點：其輸出信號能作為75KW 的水泵電機的輸入信號。該變頻器可以通過 RS-485 通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC 相

9、連，更便于設(shè)備之間的通信。4.1.3 流量傳感器變送器的選型流量傳感器器用于檢測管道中的水流量，通常安裝在的出水口，流量轉(zhuǎn)換器是將水管中的水流量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)?20mA 的模擬量信號，作為A/D 轉(zhuǎn)換模塊的輸入，選型時，為減少傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用420mA輸出流量轉(zhuǎn)換器。根據(jù)上述分析，本課設(shè)中選用電磁流量傳感器SHLDZ 、電磁流量轉(zhuǎn)換器SHLDZ 1 實現(xiàn)流量的檢測、顯示和變送。流量表測量范圍00.6m3/h ，精度1.0。轉(zhuǎn)換器輸出420mA電流信號，該模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模后讀入并與設(shè)定值進行比較，將比較后的偏差值進行PID 運算，再將運算后的數(shù)字信號通過D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成

10、模擬信號，送給與 CPU224 連接模擬量模塊EM235 ，作為 PID 調(diào)節(jié)的反饋電信號。4.1.4 執(zhí)行器的選型水泵電機的選型基本原則：確保平穩(wěn)運行； 選用的電機必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配，則電機經(jīng)常處于高效區(qū)運行，以求取得較好的節(jié)能效果。本課設(shè)的要求為：電機額定功率0.37KW, 額定轉(zhuǎn)速為2800r/min 。根據(jù)本設(shè)計要求確定采用1 臺SFL 低轉(zhuǎn)速低噪音多級離心水泵電機（電機功率0.37KW ）。SFL 型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理， 效率可提高5%以上；采用低噪音電機，機械密封， 前端配有泄壓保護裝置，噪聲更低 (室外

11、噪音60dB)、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計，水力模型先進，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。4.2硬件電路五軟件設(shè)計5.1控制規(guī)律的選擇PID 控制是控制系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。它具有理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優(yōu)點。本控制系統(tǒng)采用離散PID 控制規(guī)律。位置型離散PID 控制規(guī)律表達(dá)式如下 :zDNY( z) P I .Ts1zz1N .Tsz 1式中： Kp 為比例系數(shù)；Ti 為積分時間常數(shù)；Td

12、為微分時間常數(shù)。(1) 比例環(huán)節(jié) ：快速調(diào)節(jié)有余差，P 過大，系統(tǒng)穩(wěn)定性會變差。(2) 積分環(huán)節(jié) ：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時間有關(guān)。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti ， Ti 越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強，易引起系統(tǒng)振蕩。(3) 微分環(huán)節(jié) ：改善動態(tài)性能，超前調(diào)節(jié)，預(yù)測功能。微分調(diào)節(jié)器不能單獨作用。5.2MATLAB仿真5.2.1 傳遞函數(shù)的確定用 MA TLAB中的 Simulink 仿真該控制系統(tǒng)，整定PID 參數(shù)。由于用Simulink 仿真需要知道各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，經(jīng)查資料，找到變頻器，水泵電機，管道傳遞函數(shù)近

13、似分別為：5，0.3，0.1(s 1) 。傳感器傳遞函數(shù)為1。在 Matlab 中采用 c2d 函數(shù)將0.5s 10.4s1s 0.1各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)離散化，轉(zhuǎn)化為差分方程。分別依次為：0.9063， 0.06636 ，z 0.8187z 0.77880.1( z1.1) 。傳感器的離散傳遞函數(shù)仍為1。( z0.99)當(dāng)不加任何控制器時，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如下圖3 所示：圖 5.1 無控制器時階躍響應(yīng)曲線5.2.2采用數(shù)字 PID 控制的系統(tǒng)框圖由于采用 PLC 控制，所以采用離散PID 控制?？驁D如下圖所示圖 5.2Simulink 仿真框圖（離散化 PID ）5.2.3基于臨界比例度法的

14、PID 參數(shù)整定臨界比例度法整定離散PID 參數(shù)的仿真數(shù)字PID 的表達(dá)式為步驟概括：（1）利用開環(huán)連續(xù)傳遞函數(shù)的根軌跡圖或勞斯定理求取系統(tǒng)等幅振蕩時（此時P=1/k ，I=0 ， D=0 ）的臨界比例度k 和臨界振蕩周期TK；（2）根據(jù)臨界比例度法整定參數(shù)的經(jīng)驗算式表，求出 PID 控制器理論上的最佳參數(shù)值；（3）如果按以上參數(shù)整定，系統(tǒng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間等性能指標(biāo)還不符合要求，則要根據(jù)P、 I、 D 參數(shù)大小對系統(tǒng)的影響，做適當(dāng)改變，以提高 PID 控制器的調(diào)節(jié)質(zhì)量。具體仿真方法：先令 I=0 ， D=0 ，采樣周期取較小的值即Ts=0.001 ，調(diào)整 P，使階躍響應(yīng)曲線等幅振蕩，可知，當(dāng)

15、臨界比例K=5.27 時，響應(yīng)曲線等幅振蕩，響應(yīng)曲線如下圖5.2 所示：圖 5.2 等幅振蕩曲線求得振蕩周期 Tk=67.3取控制精度為1.50，查表計算得1.67K 1.67 5.270.317TI0.5TK0.5 67.3 33.65TD0.25TI0.25 33.658.42對應(yīng)該仿真模塊：P 3.155 ， I 1/ TI0.030， D TD 8.42然后根據(jù)實際響應(yīng)曲線調(diào)整參數(shù)(二次整定 )為：P=3.0 ， I=0.025 ， D=0.01對應(yīng)0.333 ， TI40 ， TD 0.01對應(yīng)單位階躍響應(yīng)曲線如下所示：圖 5.3 二次整定單位階躍響應(yīng)曲線由圖 5.3 估算得：響應(yīng)超

16、調(diào)量為15.3%，3%誤差帶調(diào)節(jié)時間4.7s，所以調(diào)節(jié)質(zhì)量較好。5.3 程序編寫5.3.1PLC 寄存器分配5.3.2 程序流程圖主程序開始子程序開始開始掃描，啟動子程序設(shè)置 PID 參數(shù)：開回路增益Kc=3.0裝入回路采樣時間T=6s積分時間Ti=40s微分時間Td=0.01s裝入回路設(shè)定值為1計時器時間是否N到達(dá) ?子程序結(jié)束Y1） 對采樣的數(shù)據(jù)進行處理做 PID 運算2）重置定時器主程序結(jié)束5.3.3 源程序源程序如下圖所示：1 主程序2 初始化子程序六結(jié)束語基于 PLC 的智能化流量控制系統(tǒng)設(shè)計目的是實現(xiàn)對管道水流量的控制，我們采用單回控制系統(tǒng)進行設(shè)計。調(diào)試方面， 由于在硬件設(shè)備上缺乏

17、相應(yīng)的變頻器、水泵電機和電磁流量傳感變送器。于是我們利用Matlab 中 simulink 仿真該系統(tǒng)的PID 控制策略，即在得到變頻器、水泵電機、管道和電磁流量傳感變送器的傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，采用臨界比例度法整定PID 參數(shù)（包括二次整定） ，從而仿真得到比較理想的階躍響應(yīng)曲線。另外該課設(shè)還可以適當(dāng)擴展， 設(shè)計一個上位機來對控制過程參數(shù)（管道水流量） 進行設(shè)定以及對控制過程進行監(jiān)控。通過本次課程設(shè)計，使我對過程控制系統(tǒng)這門課程有了進一步的掌握，對所學(xué)的理論知識有了更深的理解，也鍛煉了我的動手能力和團隊合作能力。七參考文獻(xiàn)1、 黃永紅主編電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)機械工業(yè)出版社2、 顧德英等主編計

18、算機控制技術(shù)北京郵電大學(xué)出版社3、 任彥碩等主編自動控制系統(tǒng)北京郵電大學(xué)出版社4、 李紅，鄭穎，秦武軒 PID 控制的泵供水系統(tǒng)仿真實驗附頁 .Matlab仿真程序及原始圖表求取系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)Go( s)5.0.3. 0.1(s 1)2s31.5s1.51、0.5s10.4s 1s 0.19.2s210.9s 1的根軌跡（得到臨界比例K ）b=-1.5,1.5;a=2,9.2,10.9,1;g=tf(b,a);rlocus(g)2、傳遞函數(shù)離散化程序2.15離散化為差分方程程序變頻器傳遞函數(shù)0.5s1 b=10; a=1,2; sys = tf(b,a);% discretizets = 0.1; %采樣周期dsys = c2d(sys, ts, z)% extract% 轉(zhuǎn)化為差分方程num, den = tfdata(dsys,v)% 提取差分方程系數(shù)2.20.3離散化為差分方程程序水泵電機傳遞函數(shù)0.4s1 b=0.75; a=1,2.5; sys = tf(b,a);% discretizets = 0.1; % 采樣周期dsys = c2d