雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、-目錄摘要1雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)21、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的原理與構(gòu)造組成22、課程設(shè)計(jì)使用的設(shè)備33、比值系數(shù)的計(jì)算 44、設(shè)備投運(yùn)步驟以及實(shí)驗(yàn)曲線結(jié)果55、總結(jié)166、 參考文獻(xiàn)17. z-摘要 在許多生產(chǎn)過程中，工藝上常常要求兩種或者兩種以上的物料保持一定的比例關(guān)系。一旦比例失調(diào)，會(huì)影響生產(chǎn)的正常進(jìn)展，造成產(chǎn)量下降，質(zhì)量降低，能源浪費(fèi)，環(huán)境污染，甚至造成平安事故。 這種自動(dòng)保持兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)間比例關(guān)系的控制系統(tǒng)就是比值控制所要完成的任務(wù)。因此比值控制系統(tǒng)就是用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上物料保持一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)。需要保持一定比例關(guān)系的兩種物料中，總有一種起主導(dǎo)作用的物料，稱這種物料為主

2、物料，另一種物料在控制過程中跟隨主物料的變化而成比例的變化，這種無物料成為從物料。由于主，從物料均為流量參數(shù)，又分別成為主物料流量和從物料流量，通常，主物料流量用Q1表示，從物料流量用Q2表示，工藝上要求兩物料的比值為K，即K=Q2/Q1.在比值控制精度要求較高而主物料Q1又允許控制的場(chǎng)合，很自然就想到對(duì)主物料也進(jìn)展定值控制，這就形成了雙閉環(huán)比值系統(tǒng)。在雙閉環(huán)比值系統(tǒng)中，當(dāng)主物料Q1受到干擾發(fā)生波動(dòng)時(shí)，主物料回路對(duì)其進(jìn)展定值控制，使從物料始終穩(wěn)定在設(shè)定值附近，因此主物料回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，而從物料回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，主物料發(fā)生變化時(shí)，通過比值器的輸出，使從物料回路控制器的設(shè)定值也發(fā)生變

3、化，從而使從物料隨著主物料的變化而成比例的變化。當(dāng)從物料Q2受到干擾時(shí)，和單閉環(huán)控制系統(tǒng)一樣，經(jīng)過從物料回路的調(diào)節(jié)，使從物料穩(wěn)定在比值器輸出值上。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)由于實(shí)現(xiàn)了主物料Q1的定值控制，抑制了干擾的影響，使主物料Q1變化平穩(wěn)。當(dāng)然與之成比例的從物料Q2變化也將比較平穩(wěn)。根據(jù)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，它常用在主物料干擾比較頻繁的場(chǎng)合，工藝上經(jīng)常需要升降負(fù)荷的場(chǎng)合以及工藝上不允許負(fù)荷有較大波動(dòng)的場(chǎng)合。本實(shí)驗(yàn)通過了解雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的原理與構(gòu)造組成，進(jìn)展雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括儀表選型以及進(jìn)展比值系數(shù)的計(jì)算，最后基于WinCC進(jìn)展監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，給出不同參數(shù)下的響應(yīng)曲線，根據(jù)擾動(dòng)作用

4、時(shí)，記錄系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線。. z-雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的原理與構(gòu)造組成在工業(yè)生產(chǎn)過程中,往往需要幾種物料以一定的比例混合參加化學(xué)反響。如果比例失調(diào)，則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的降低、原料的浪費(fèi)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生事故。這種用來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)之間保持一定比值關(guān)系的過程控制系統(tǒng)，均稱為比值控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)是雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)構(gòu)造圖如圖1所示。該系統(tǒng)中有兩條支路，一路是來自于電動(dòng)閥支路的流量Q1，它是一個(gè)主流量；另一路是來自于變頻器磁力泵支路的流量Q2，它是系統(tǒng)的副流量。要求副流量Q2能跟隨主流量Q1的變化而變化，而且兩者間保持一個(gè)定值的比例關(guān)系，即Q2/Q1=K

5、。圖6-2 雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)(a)構(gòu)造圖 (b)方框圖(a)構(gòu)造圖 (b)方框圖 圖1 雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)由圖中可以看出雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)是由一個(gè)定值控制的主流量回路和一個(gè)跟隨主流量變化的副流量控制回路組成，主流量回路能抑制主流量擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其定值控制。副流量控制回路能抑制作用于副回路中的擾動(dòng)，當(dāng)擾動(dòng)消除后，主副流量都回復(fù)到原設(shè)定值上，其比值不變。顯然，雙閉環(huán)流量控制系統(tǒng)的總流量是固定不變的。從整定的角度看，應(yīng)使從物料回路響應(yīng)較主物料回路快一些，以便從物料能跟得上主物料的變化，保證主，從物料的比值恒定。2、課程設(shè)計(jì)使用的設(shè)備2.1. THJ-3型高級(jí)過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，如以下圖所

6、示：本實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)象主要由水箱、鍋爐和盤管三大局部組成。供水系統(tǒng)有兩路：一路由三相380V恒壓供水磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動(dòng)泵220V變頻調(diào)速、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。2.2 THJ-3型 西門子PLC過程控制系統(tǒng)。該過程控制系統(tǒng)的控制柜主要由電源控制組件、西門子PLC控制組件、變頻器控制組件等幾局部組成。是一套集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，單回路控制，串級(jí)控制，前饋-反響控制，滯后控制、比值控制，解耦控制等

7、多種控制形式。2.3 西門子S7系列PLC編程軟件。本裝置中PLC控制方案采用了德國(guó)西門子公司的S7-300PLC，采用的是Step 7編程軟件。利用這個(gè)軟件可以對(duì)PLC進(jìn)展編程、調(diào)試、下裝、診斷。2.4 西門子WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件。S7-300PLC控制方案采用WinCC軟件作為上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件，WinCC是結(jié)合西門子在過程自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和Microsoft的強(qiáng)大功能的產(chǎn)物。作為一個(gè)國(guó)際先進(jìn)的人機(jī)界面(HMI)軟件和SCADA系統(tǒng)，WinCC提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板；并具有高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)；WinCC還為用戶解決方案

8、提供了開放的界面，使得將WinCC集成入復(fù)雜、廣泛的自動(dòng)化工程成為可能。3、比值系數(shù)的計(jì)算 設(shè)流量變送器的輸出電流與輸入流量間成線性關(guān)系，即當(dāng)流量Q由0Qma*變化時(shí)，相應(yīng)變送器的輸出電流為420mA。由此可知，任一瞬時(shí)主流量Q1和副流量Q2所對(duì)應(yīng)變送器的輸出電流分別為I1 (1)I2 (2)式中Q1ma*和Q2ma*分別為Q1和Q2 最大流量值，即渦輪流量計(jì)測(cè)量上限，由于兩只渦輪流量計(jì)完全一樣，所以有Q1ma*Q2ma*。設(shè)工藝要求Q2/Q1K，則式6-1、6-2可改寫為Q1Q1ma* (3)Q2Q2ma* (4)于是求得× (5)折算成儀表的比值系數(shù)K為KK×K (6)

9、 4、設(shè)備投運(yùn)步驟以及實(shí)驗(yàn)曲線結(jié)果4.1閥門開關(guān)選擇：本設(shè)計(jì)選擇電動(dòng)閥支路和變頻器支路組成流量比值控制系統(tǒng)。投運(yùn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-8、F1-11、F2-1、F2-5全開，其余閥門均關(guān)閉。4.2具體的實(shí)驗(yàn)容與步驟如下：4.2.1強(qiáng)電接線：220V接面板，N與N1、N2、N3短接，D1、D2、D3分別接面板DO1、DO2、DO3；弱電連線：將“FT1電動(dòng)閥支路流量1-5V信號(hào)對(duì)應(yīng)接至模擬量輸入通道AI0的+、-，將“FT2變頻器支路流量1-5V信號(hào)對(duì)應(yīng)接至模擬量輸入通道AI1的+、-；將模擬量輸出通道AO0接至電動(dòng)閥控制輸入的+、-，模擬量輸出通道AO1

10、接至變頻器控制輸入的+、-。接線如以下圖所示：4.2.2接通總電源空氣開關(guān)，閉合三相電源和單向電源，翻開電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器與控制站電源，給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器、S7-300PLC上電。如以下圖所示：4.2.3翻開Step 7軟件，翻開“S7-300PLC程序進(jìn)展下載，然后運(yùn)行WinCC組態(tài)軟件，翻開“S7-300PLC控制系統(tǒng)工程，然后激活WinCC運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)十六、雙閉環(huán)流量比值控制，進(jìn)入“實(shí)驗(yàn)十六的監(jiān)控界面。4.2.4在上位機(jī)監(jiān)控界面中將副調(diào)節(jié)器設(shè)置為“手動(dòng)輸出，并將輸出值設(shè)置為一個(gè)適宜的值。如以下圖所示：4.2.5閉合三相磁力泵電源開關(guān)，三相磁力泵上電打水，適當(dāng)增加/減少

11、副調(diào)節(jié)器的輸出量，使電動(dòng)閥支路流量平衡于設(shè)定值。 4.2.6選擇PI控制規(guī)律，并按照單回路調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法整定副流量回路的調(diào)節(jié)器參數(shù)，并按整定后的PI參數(shù)進(jìn)展副流量調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置，同時(shí)將副調(diào)節(jié)器投入自動(dòng)運(yùn)行。4.2.7待變頻器支路流量穩(wěn)定于給定值后，通過以下幾種方式加干擾：1突增或突減主調(diào)節(jié)器輸出值的大小，使其有一個(gè)正或負(fù)階躍增量的變化； 2將中水箱進(jìn)水閥F2-4開至適當(dāng)開度副流量擾動(dòng)；3將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-4同電磁閥開至適當(dāng)開度；4將中水箱進(jìn)水閥F1-7開至適當(dāng)開度；以上幾種干擾均要求擾動(dòng)量為控制量的515，干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。 4.2.8分別適量改變副調(diào)節(jié)

12、器的P及I參數(shù)，重復(fù)步驟9，用計(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。4.2.9適量改變比值器的比例系數(shù)K，觀察副流量Q2的變化，并記錄相應(yīng)的動(dòng)態(tài)曲線。實(shí)驗(yàn)曲線和分析如下： 圖一圖二 由圖二與圖一比照可知，在比例控制系統(tǒng)中，Ut)=KcE(t)+U0，在線性圍，主調(diào)節(jié)器減少比例度Kc，系統(tǒng)輸出Ut) 減少，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，控制時(shí)間變長(zhǎng), 殘差增大，同時(shí)系統(tǒng)超調(diào)減少。 圖三 由圖三可知，主調(diào)節(jié)器與副調(diào)節(jié)器相比照，減小比例度Kc，系統(tǒng)控制時(shí)間增強(qiáng)，振蕩頻率降低，穩(wěn)定性增強(qiáng)。同時(shí)，圖三與上兩個(gè)圖一和圖二相比照來說，參加微分控制后，在主調(diào)節(jié)器中，調(diào)節(jié)頻率提高，系統(tǒng)偏差減小，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。 圖四 圖四

13、與圖一，圖二相比照，引入積分作用，屬于無差控制，與比例控制中的有差控制形成鮮明比照，控制時(shí)間較慢，穩(wěn)定性較差，屬于浮動(dòng)調(diào)節(jié)。圖四與圖三相比例微分控制相比照，也表達(dá)了無差控制，同時(shí)穩(wěn)定性減弱。但從控制效果上來看，此實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象為流量，滯后時(shí)間較小，而且在管路中存在不規(guī)則的干擾噪聲，因此此圖中的PI控制效果較好。圖五圖五與圖四相比照，在比例度不變情況下，主調(diào)節(jié)器減少積分時(shí)間，主調(diào)節(jié)器積分作用增強(qiáng)，系統(tǒng)振蕩頻率增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。同時(shí)，副調(diào)節(jié)器與圖四中副調(diào)節(jié)器相比照，比例度較大，系統(tǒng)振蕩頻率較強(qiáng)，出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大降低。 圖六 圖六與圖五相比照，主調(diào)節(jié)器積分時(shí)間不變情況下，比例度減小，系

14、統(tǒng)超調(diào)減小，系統(tǒng)振蕩頻率減少，穩(wěn)定性增強(qiáng)。主調(diào)節(jié)器與副調(diào)節(jié)器比照，積分時(shí)間減小，積分作用增強(qiáng)，消除穩(wěn)態(tài)誤差較快，系統(tǒng)振蕩頻率較快，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。圖七圖七與圖六相比照，主調(diào)節(jié)器比例度不變情況下，積分時(shí)間變長(zhǎng)，積分作用變?nèi)?，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。同時(shí)，副調(diào)節(jié)器與主調(diào)節(jié)器相比照，積分時(shí)間減小，積分作用增強(qiáng)，系統(tǒng)振蕩頻率較快，穩(wěn)定性較差。圖八 圖八與圖七相比，主調(diào)節(jié)器比例度增大，系統(tǒng)超調(diào)變大，穩(wěn)定性減弱。同時(shí)，積分時(shí)間變長(zhǎng)，系統(tǒng)輸出u減小，積分作用變?nèi)酰€(wěn)態(tài)誤差較慢，穩(wěn)定性增強(qiáng)。圖九 圖九與圖八相比照，主調(diào)節(jié)器比例度增大，系統(tǒng)超調(diào)較大，系統(tǒng)振蕩加強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定變?nèi)?。同時(shí)，積分時(shí)間減少，積分作用增強(qiáng)，系統(tǒng)

15、振蕩加強(qiáng)，穩(wěn)定性下降。 圖十圖十與圖九相比照，主調(diào)節(jié)器減小比例度，系統(tǒng)振蕩減少，穩(wěn)定性增強(qiáng)。此時(shí)，主調(diào)節(jié)器測(cè)量值較穩(wěn)定，積分時(shí)間與比例度選取較為適宜。而副調(diào)節(jié)器振蕩較為明顯，比例度和積分時(shí)間選取不適宜。圖十一 圖十一與圖十相比照，主調(diào)節(jié)器引入微分作用，由于該實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象滯后時(shí)間較短，而且管道中存在不規(guī)則噪聲，引入微分后效果不則明顯，比例積分微分同時(shí)作用，到達(dá)了無穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)定性較好的效果。但主調(diào)節(jié)器出現(xiàn)超調(diào)，比例度選取較大或者比例不適宜。圖十一中，副調(diào)節(jié)器振蕩頻率較大，穩(wěn)定性較差，是因?yàn)楸壤群头e分時(shí)間沒選取妥當(dāng)。圖十二圖十二與圖十一相比照，主調(diào)節(jié)器積分時(shí)間減少，積分作用增強(qiáng)，系統(tǒng)振蕩頻率增強(qiáng)

16、，穩(wěn)定性變差，系統(tǒng)又出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，比例度選取不適宜。同時(shí)微分時(shí)間變長(zhǎng)，系統(tǒng)振蕩頻率加強(qiáng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。所以，總的來看，穩(wěn)定性變化不大。圖十三圖十三與圖十二相比照，主調(diào)節(jié)器比例度減小，超調(diào)量現(xiàn)象消失，振蕩頻率減少，穩(wěn)定性增強(qiáng)。同時(shí)積分時(shí)間減少，積分作用變強(qiáng)，穩(wěn)定性變化不大。主調(diào)節(jié)器與副調(diào)節(jié)器相比照，副調(diào)節(jié)器積分時(shí)間較小，積分作用較強(qiáng)，穩(wěn)定性較差，微分時(shí)間較長(zhǎng)，系統(tǒng)輸出值變大。 圖十四圖十四與圖十三相比照，由圖可知，主調(diào)節(jié)器比例度變大，系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重超調(diào)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。同時(shí)主調(diào)節(jié)器與副調(diào)節(jié)器相比照，副調(diào)節(jié)器比例度較大，積分時(shí)間較小，積分作用較強(qiáng)，系統(tǒng)振蕩頻率較大，穩(wěn)定性較差。4.3.0.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

17、小結(jié) 以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別分析了比例控制，比例積分控制，比例微分控制和比例積分微分控制的實(shí)驗(yàn)曲線。1在比例控制中，是有差控制，Ut)=KcE(t)+U0,通過改變比例度Kc，觀察輸出曲線變化和輸出值Ut)變化。假設(shè)比例度Kc很小，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作幅度較小，因此被控變量的變化比較平穩(wěn)，甚至可以沒有超調(diào)，但殘差很大，控制時(shí)間也很長(zhǎng)，假設(shè)比例度Kc很大，系統(tǒng)振蕩頻率加強(qiáng)，可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重超調(diào)，系統(tǒng)不穩(wěn)定。2在比例積分控制中，由于積分控制的特點(diǎn)，屬于無差控制，在消除系統(tǒng)殘差的同時(shí)，降低了系統(tǒng)原來的穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)要提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，則適當(dāng)減小Kc，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在比例帶不變情況下，減小積分時(shí)間，控制系統(tǒng)穩(wěn)

18、定性降低，振蕩加劇，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。同時(shí)，對(duì)于同一個(gè)控制對(duì)象，采用積分控制時(shí)控制過程的進(jìn)展總比比例控制時(shí)緩慢，振蕩頻率較低，屬于浮動(dòng)調(diào)節(jié)。在采取適當(dāng)?shù)谋壤群头e分時(shí)間后，控制效果較好。3在比例微分控制中，由于微分環(huán)節(jié)反響的是參數(shù)的變化速度，本實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象為流量，流入量和流出量相差很少，以致被控變量可能以控制器不能覺察的速度緩慢變化，控制器動(dòng)作較小，或者不動(dòng)作。通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，比例微分控制屬于有差控制，通過參加微分，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，假設(shè)此時(shí)增大比例度Kc，結(jié)果不僅減小了殘差，而且也減小了最大偏差并提高了振蕩頻率。因此在PD控制中，以比例控制為主，微分只是起到輔助控制作用。4在比例積分微分控制中，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)比例度，積分時(shí)間和微分時(shí)間能較好的到達(dá)控制要求，穩(wěn)態(tài)無誤