單閉環(huán)流量定值控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、畢業(yè)論文專業(yè)：電氣自動化班級：2班學(xué)生姓名：畢士杰指導(dǎo)教師：曹紅英完成時間： 2021年12月6日開封大學(xué)單閉環(huán)流量定值控制系統(tǒng) 目 錄第1章 實驗裝置介紹1 1.1對象系統(tǒng)組成1 12 對象系統(tǒng)主要特點2第2章 系統(tǒng)的方案設(shè)計32.1硬件設(shè)計52.2軟件設(shè)計6第3章組態(tài)王軟件設(shè)計103.1組態(tài)王軟件介紹103.2使用組態(tài)王113. 3 創(chuàng)建組態(tài)畫面143. 4 動畫連接18第4章系統(tǒng)中的問題和解決方案.22 4.1控制規(guī)律的確定.22 4.2調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法.23總結(jié).27參考文獻.28第1章 實驗裝置介紹1.1 對象系統(tǒng)組成（1）過程控制實驗對象系統(tǒng)實驗對象系統(tǒng)包含有：不銹鋼儲水箱；上

2、、中、下三個串接有機玻璃圓筒型水箱；三相4.5kw電加熱鍋爐（由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加熱筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼冷卻鍋爐夾套構(gòu)成）和鋁塑盤管組成。系統(tǒng)動力系統(tǒng)兩套：一套由三相（380V交流）不銹鋼磁力驅(qū)動泵、電動調(diào)節(jié)閥、交流電磁閥、渦輪流量計等組成；另一套由日本三菱變頻器、三相不銹鋼磁力驅(qū)動泵（220V變頻）、渦輪流量計等組成。整套對象系統(tǒng)完全由不銹鋼材料制造，包括對象框架、管道、底板、甚至小到每一顆緊固螺釘。如圖1-1（2）對象系統(tǒng)中的各類檢測變送及執(zhí)行裝置擴散硅壓力變送器三只：分別檢測上水箱、中水箱、下水箱液位；渦輪流量計三只：分別檢測兩條動力支路及盤管出水口的流量；Pt100熱電阻溫度傳感器六只

3、：分別用來檢測鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套、盤管（三只）及上水箱出水口水溫；控制模塊：包括電磁閥、電動調(diào)節(jié)閥各一個；三相380V不銹鋼磁力驅(qū)動泵、三相220V不銹鋼磁力驅(qū)動泵；12 對象系統(tǒng)主要特點（1）被調(diào)參數(shù)囊括了流量、壓力、液位、溫度四大熱工參數(shù)；（2）執(zhí)行器中既有電動調(diào)節(jié)閥儀表類執(zhí)行機構(gòu)，又有變頻器等電力拖動類執(zhí)行器；（3）系統(tǒng)除了能改變調(diào)節(jié)器的設(shè)定值作階躍擾動外，還可在對象中通過電磁閥和手操作閥制造各種擾動；（4）一個被調(diào)參數(shù)可用不同的動力源、不同的執(zhí)行器和不同的工藝線路下可演變成多種調(diào)節(jié)回路，以利于討論、比較各種調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣；（5）能進行多變量控制系統(tǒng)及特定的過程控制系統(tǒng)實驗。第2章 系統(tǒng)

4、的方案設(shè)計圖2-1 單閉環(huán)流量定值控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的參數(shù)是流量的給定值，即控制的任務(wù)是控制管道流量等于給定值所要求的流量。根據(jù)控制框圖，這是一個閉環(huán)反饋單回路流量定值控制，當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個單回路系統(tǒng)設(shè)計安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期效果。一個控制系統(tǒng)設(shè)計好以后，系統(tǒng)的投運和參

5、數(shù)整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度PB的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)PB，Ti調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。但是，并不是所有單回路控制系統(tǒng)在加入微分作用后都能改善系統(tǒng)品質(zhì)，對于流量滯后不大，微分作用的效果并不明顯，而對噪聲敏感的流量系統(tǒng)，加入微分作用后，反而使流量品質(zhì)變壞。對于流量的控制沒有滯后，比

6、例積分控制就可以滿足，一般不加微分。本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖3-27 所示。被控量為電動調(diào)節(jié)閥支路（也可采用變頻器支路）的流量，實驗要求電動閥支路流量穩(wěn)定至給定值。將渦輪流量計FT1檢測到的流量信號作為反饋信號，并與給定量比較，其差值通過調(diào)節(jié)器控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到控制管道流量的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI 控制，并且在實驗中PI 參數(shù)設(shè)置要比較大。本實驗選擇電動閥支路流量作為被控對象。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-8、F1-11 全開，其余閥門均關(guān)閉。將“FT1電動閥支路流量”鈕子開關(guān)撥到“ON”

7、的位置。具體實驗內(nèi)容與步驟可根據(jù)本實驗的目的與原理參照前面的單閉環(huán)定值控制。接線圖如下：2-2接線圖 實驗原理圖2-32.2硬件設(shè)計相關(guān)參數(shù)流量模擬轉(zhuǎn)換器：Lwa-11-傳感器及檢測裝置輸出 4-20 mA量程 0.2-1.2/h系數(shù)85268817P/LS/N :1108141QS智能型電動調(diào)節(jié)閥-控制器及執(zhí)行器產(chǎn)品型號：QSTP-16K公稱通徑 20mm 公稱壓力1.6MPa介質(zhì)溫度200攝氏度信號：4-20mADC 行程 16mm磁力驅(qū)動循環(huán)泵-提供驅(qū)動動力型號：16CQ-8P 380V 50HZ揚程 8m 流量30L/min轉(zhuǎn)速2800r/min功率 0.18 kw2.3軟件設(shè)計采用西

8、門子公司的S7-200系列整體式PLC實現(xiàn)液體攪拌的自動控制。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，共計24點的I/O存儲容量大，具有7個擴展模塊，最大可擴展為168個點數(shù)字量或者35路模擬量的輸入和輸出點，有內(nèi)置時鐘，它有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力，存儲容量也進一步增加，是使用的更多的S7-200產(chǎn)品。功能擴展模塊EM235具有四路模擬量輸入，1路模擬量輸出PLC主程序 子程序第3章組態(tài)王軟件設(shè)計3.1組態(tài)王軟件設(shè)計簡介組態(tài)王軟件設(shè)計組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控

9、制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(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)軟件的功能和特點可歸納如下：概念簡單，易于理解和使用；功能齊全，便于方案設(shè)計；實時性與并行處理；建立實時數(shù)據(jù)庫，便于用戶分步組態(tài)，保證系統(tǒng)安全可靠運行；利用豐富的“動畫組態(tài)”功能，快速構(gòu)造各種復(fù)雜生動的動態(tài)畫面；引入“運行策略”的概念。它具有以下幾個方面的特點：可視化操作界面，真彩顯示圖形、支持漸進色、豐富的圖庫、動畫連接；無與倫比的動力和靈活性，擁有全

10、面的腳本與圖形動畫功能可以對畫面中的一部分進行保存，以便以后進行分析或打?。蛔兞繉?dǎo)入導(dǎo)出功能，變量可以導(dǎo)出到Excel表格中，方便的對變量名稱等屬性進行修改，然后再導(dǎo)入新工程中，實現(xiàn)了變量的二次利用，節(jié)省了開發(fā)時間；強大的分布式報警、事件處理，支持實時、歷史數(shù)據(jù)的分布式保存。強大的腳本語言處理，能夠幫助你實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯操作和與決策處理；全新的Web Server架構(gòu)，全面支持畫面發(fā)布、實時數(shù)據(jù)發(fā)布、歷史數(shù)據(jù)發(fā)布以及數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的發(fā)布；方便的配方處理功能。豐富的設(shè)備支持庫，支持常見的PLC設(shè)備、智能儀表、智能模塊。提供硬加密及軟授權(quán)兩種授權(quán)方式。組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)。它

11、以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它有適應(yīng)性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。在采用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制應(yīng)用程序過程中要考慮以下三個方面：(1)圖形，是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備。(2)數(shù)據(jù)，就是創(chuàng)建一個具體的數(shù)據(jù)庫，并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象的各種屬性，比如水位、流量等。(3)連接，就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設(shè)備的運行，以及怎樣讓操作者輸

12、入控制設(shè)備的指令。3.2使用組態(tài)王1. 雙擊圖標(biāo)，啟動“組態(tài)王”工程管理器，選擇菜單“文件新建工程”或單擊“新建”按鈕。如3-1圖所示。 圖3-1 新建工程2. 單擊“下一步”繼續(xù)，會出現(xiàn)“請給要安裝的設(shè)備指定唯一的邏輯名稱”對話框。如3-2圖所示。圖3-2 邏輯名稱3. 單擊“下一步”繼續(xù)，會出現(xiàn)“選擇串口號”如3-3圖所示。圖3-3選擇串口3. 單擊“下一步”繼續(xù)，會出現(xiàn)“設(shè)備地址設(shè)置指南”如3-4圖所示。圖3-4設(shè)備地址設(shè)置指南5. 單擊“下一步”繼續(xù)，會出現(xiàn)“通信參數(shù)”。如圖3-5所示。圖3-5通信參數(shù)6. 單擊“下一步”繼續(xù)，會出現(xiàn)“信息總結(jié)”。如圖3-6所示。圖3-6信息總結(jié)3.

13、3 創(chuàng)建組態(tài)畫面 進入組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)后，就可以為每個工程建立數(shù)目不限的畫面，在每個畫面上生成互相關(guān)聯(lián)的靜態(tài)或動態(tài)圖形對象。 “組態(tài)王”采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，使用戶可以方便地建立畫面的圖形界面。用戶構(gòu)圖時可以像搭積木那樣利用系統(tǒng)提供的圖形對象完成畫面的生成。同時支持畫面之間的圖形對象拷貝，可重復(fù)使用以前的開發(fā)結(jié)果。 1. 進入新建的組態(tài)王工程，選中工程瀏覽器左側(cè)的畫面，在右側(cè)雙擊新建按鈕，則彈出如圖3-7所示對話框。圖3-7 新畫面對話框2. 定義設(shè)備，選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項“設(shè)備COM1”，在工程瀏覽器右側(cè)用鼠標(biāo)左鍵雙擊“新建”圖標(biāo)，運行“設(shè)備配置向?qū)А?。如圖3-8所示。圖3-8 配置向?qū)?/p>

14、對話框3. 為設(shè)備選擇并連接串口，假設(shè)為COM1，單擊“下一步”，彈出“設(shè)備配置向?qū)А?，填寫設(shè)備地址，假設(shè)為1，單擊完成。如圖3-9所示。 圖3-9 配置向?qū)υ捒蛟O(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)庫變量時，只要把I/O變量連結(jié)到這臺設(shè)備上，它就可以和組態(tài)王交換數(shù)據(jù)了。4. 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫（定義變量）在構(gòu)造數(shù)據(jù)庫時，選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項“數(shù)據(jù)庫”，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”對話框在“變量名”處輸入變量名。如：a；在“變量類型”處選擇變量類型如：內(nèi)存實數(shù)，其它屬性目前不用更改，單擊“確定”即可。如圖3-10所示。圖3-1

15、0 配置向?qū)υ捒?. 運行和調(diào)試(須與實驗平臺連接）在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中選擇“文件切換到 View”菜單命令，進入組態(tài)王運行系統(tǒng)。顯示出組態(tài)王運行系統(tǒng)畫面，即可看到閥門開啟時為綠色，關(guān)閉時為紅色。如圖3-11所示。 圖3-11 聯(lián)機調(diào)試界面 3. 4 動畫連接在新畫面中雙擊需要連接的物件，彈出如圖3-12所示對話框。圖3-12 動畫連接 在對話框中有各種連接，根據(jù)設(shè)計需要選擇，分別選擇“水平移動”和“垂直移動”兩種連接方式，或者別的連接方式。在表達(dá)式框中填入表達(dá)式，在下面的移動距離中填寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)，按確定即可。按照上面的步驟，根據(jù)設(shè)計需求，分別對畫面中的物件進行動畫連接，從而實現(xiàn)了外部輸入量與

16、內(nèi)部事物的數(shù)據(jù)連接。 根據(jù)整個過程運行要求，以及所設(shè)定的變量，編寫程序。至此，整個程序的組態(tài)軟件編寫已經(jīng)完成。29 經(jīng)過不斷的設(shè)定P.D.I參數(shù)調(diào)節(jié)，畫面如下調(diào)試的過程中用控制變量法，保持兩個因素不變，改變第三個，觀察其效果 SV=5P=5I=99999D=0P=6I=99999D=0P=6I=20D=0P=6I=20D=5P=5I=20D=0 SV=10P=5I=99999D=0P=6I=99999D=0P=6I=20D=0P=6I=20D=5P=5I=20D=0 SV=5,P=5,I=20,D=0 SV=10,P=5,I=20,D=0 第4章系統(tǒng)調(diào)試中遇到的問題及解決方法（1）比例度， 比

17、例度越大，過渡過程越平緩，余差越大；比例度越小，過渡過程振蕩越劇烈，余差越小，過小，會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)散。（2）積分時間 ，積分時間越大，積分作用越弱，過渡過程越平緩，消除余差越慢；積分作用越強，過渡過程振蕩越劇烈，消除余差越快。（3）微分時間 ，微分時間越大，微分作用越強，過渡過程趨于穩(wěn)定，最大偏差減小，但微分時間過大，又會增加過渡過程的波動?？辞€，調(diào)參數(shù)可以按照上述原則進行參數(shù)調(diào)整，但有時僅從作用方向還難判定該調(diào)整哪個參數(shù)，此時還應(yīng)該根據(jù)曲線形狀作進一步判斷。如過渡過程曲線過度振蕩，可能的原因有：比例度過小、積分時間過小和微分時間過大等。這時，優(yōu)先調(diào)整哪個參數(shù)就是一個問題。如圖810表示了這三

18、種原因引起的振蕩區(qū)別曲線（a）：積分時間過小引起的振蕩，周期較長曲線（b）：比例度過小引起的振蕩，周期較短曲線（c）：微分時間過大引起的振蕩周期最短 圖810 三種振蕩曲線比較曲線（d）：積分時間過大，曲線呈非周期變化，緩慢地回到設(shè)定值。曲線（e）：比例度過大，曲線雖不規(guī)則，但波浪的周期較為明顯。 圖811 積分時間過大、比例度過大時的曲線 總 結(jié)在本次畢業(yè)設(shè)計的過程中，我了解了組態(tài)王，S7200PLC軟件的特點、組成和使用方法，組態(tài)的過程和控制原理。熟悉了流量檢測儀表的種類和測量原理，控制閥的種類和調(diào)節(jié)原理。掌握了流量定值控制系統(tǒng)的組成及原理，對流量控制在化工生產(chǎn)過程中的重要性進行了深入的學(xué)

19、習(xí)。實踐證明,本次所采用西門子S7-200型可編程控制器的硬件配置和程序設(shè)計是完全可行的,在實際控制中,由于PLC產(chǎn)品自身具有可靠性高、靈活性強、對工作環(huán)境無要求和抗干擾性能好等優(yōu)點,因而深受用戶的熱愛。同時采用PLC控制液體混合裝置,還能容易地隨時修改可編程控制器程序,以改變液體的流速，從而調(diào)整時間達(dá)到定值控制。 然而，在學(xué)習(xí)和實驗過程中我也遇到了很多的問題，老師給了我們大量的設(shè)計資料，一開始在學(xué)習(xí)過程中我不知從何下手，只能一篇一篇的看，老師發(fā)現(xiàn)后告訴我：有的資料是要求你熟練掌握的，而有的是為你提供參考信息的，你要抓住重點，把要求掌握的資料熟練掌握，為你提供參考信息的資料了解一下就可以了，如

20、果有充足的時間在仔細(xì)琢磨。在老師的指點下：我把重點要掌握的知識熟練掌握，大大提高了學(xué)習(xí)的效率，把節(jié)約出來的大量時間用于實驗。通過實驗鞏固和驗證我所學(xué)的知識。在實驗過程中我也遇到了一些問題：1.流量已趨于平穩(wěn)，在沒有加干擾時流量會出現(xiàn)波動，這會對實依據(jù)。這次畢業(yè)設(shè)計，不僅使我學(xué)會了很多的專業(yè)知識，更讓我學(xué)會了學(xué)習(xí)的方法，授之以魚不如授之以漁，我相信在以后的工作、學(xué)習(xí)、生活中，我所驗的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。我認(rèn)為導(dǎo)致流量波動的因素主要是管道的震動。2.流量范圍的改變會導(dǎo)致控制效果的變化，流量在110ml/s至130ml/s時,參數(shù)P和I的值分別為150和5，控制效果較好，然而當(dāng)流量在150ml/s以上時，保持參數(shù)P和I的值不變，控制效果相對于流量在110ml/s至130ml/s會差一些。這一問題表