单闭环流量定值控制系统设计[技术课堂]

1、单闭环流量定值控制系统,电气自动化2班 毕士杰 指导教师：曹红英 2013-5-29,设计目的,1了解单闭环流量控制系统的结构组成与原理。 2掌握单闭环流量控制系统调节器参数的整定方法 3研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。 4研究P、PI、PD和PID四种控制分别对流量系统的控制作用,实验原理,被控量为电动调节阀支路（也可采用变频器支路）的流量，实验要求电动阀支路流量稳定至给定值。将涡轮流量计FT1检测到的流量信号作为反馈信号，并与给定量比较，其差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制管道流量的目的,本实验选择电动阀支路流量作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后

2、将阀门F1-1、F1-2、F1-8、F1-11 全开，其余阀门均关闭。将“FT1电动阀支路流量”钮子开关拨到“ON”的位置,接线图,硬件设计,1.流量模拟转换器：Lwa-11-传感器及检测装置 输出 4-20 mA 量程 0.2-1.2/h 系数85268817P/L S/N :1108141 2.QS智能型电动调节阀-控制器及执行器 产品型号：QSTP-16K 公称通径 20mm 公称压力1.6MPa 介质温度200摄氏度 信号：4-20mADC 行程 16mm 3.磁力驱动循环泵-提供驱动动力 型号：16CQ-8P 380V 50HZ 扬程 8m 流量30L/min 转速2800r/min

3、 功率 0.18 kw 4.涡轮流量计-传感器检测及反馈装置 涡轮流量计主要用于测量管道流量的测量，并将测量值变换为标准电压电流信号传至s7-200plc模拟量输入模块,硬件设计2,被控对象包括：涡轮流量计、流量模拟转换器、电动调节阀、三相磁力泵、水箱、管道等， 涡轮流量计主要用于测量管道流量的测量，并将测量值变换为标准电压电流信号传至s7-200模拟量输入模块 电动调节阀为执行机构，用于接收模拟量输出模块输出的标准电压电流信号，并通过改变阀门的开度来改变管道流量的大小。 三相磁力泵用于提供水流动所需的动力和克服水流于管道、阀门、弯头之间的摩擦力。 plc模拟量输入模块接收到流量模拟转换器所测

4、得的流量值，将其传至主控单元，主控单元将测量值与设定值进行比对，计算出输出值，经其模拟量输出模块将计算出的输出值输出至电动调节阀,软件设计,采用西门子公司的S7-200系列整体式PLC实现自动控制。CPU模块采用CPU224，AC/DC/继电器，模块，该模块采用交流220V供电。 根据对流量定值控制系统的分析，采用CPU224，它集成14输入/10输出点，共计24点的I/O存储容量大，具有7个扩展模块，最大可扩展为168个点数字量或者35路模拟量的输入和输出点，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，存储容量也进一步增加，是使用的更多的S7-200产品。 功能扩展模块EM235具有四

5、路模拟量输入，1路模拟量输出,plc主程序,子程序,组态王的简介,组态王软件设计组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。组态软件的功能和特点可归纳如下：概念简单，易于理解和使用；功能齐全，便于方案设计；实时性与并行处理；建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行；利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面；引入“运行策略”的概念,使用组态

6、王,1.双击图标，启用组态王工程管理器，选择菜单/新建，新建工程。 2.点击“下一步”，给指定的设备唯一的逻辑名称。 3.单击“下一步”，给设备“选择串口”。 4.单击“下一步”，给设备设置“设置地址指南”。 5.单击“下一步”，设置“通信参数”。 6.单击“下一步”，设置“设备安装向导，信息总结”。 设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设“PLC”。在定义数据库变量时，只要把I/O变量连结到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了,构造数据库（定义变量,在构造数据库时，选择工程浏览器左侧大纲项“数据库”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框在“变量

7、名”处输入变量名。如：a；在“变量类型”处选择变量类型如：内存实数，其它属性目前不用更改，单击“确定”即可。如下图所示,动画链接,程序至此结束,运行调试,初始画面,P I D调整,SV=20，P=5，I=20，D=0,SV=10，P=5，I=20，D=0,SV=8，P=4，I=9999，D=0,SV=8，P=4，I=30，D=3,SV=16，P=2，I=9999，D=0,实验理想结果 sv=5，p= 5，I= 20,D=0,控制规律的确定,1.比例（P)调节:纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快速。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是

8、使系统有静差存在. 2.比例积分调节（PI):PI调节器的积分部分能使系统的类型数提高，有利于消除静差，但它又使PI调节器的相位滞后量减小，系统的稳定性变差，其传递函数为GC(S)=KP(1+STI1) 3.比例微分(PD)调节 这种调节器由于有微分的作用，能增加系统的稳定度，比例系数的增大能加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分不能过大，以利于抗高频干扰。PD调节器的传递函数为 GC(S)=KP（1+TDS） 4、比例微分积分(PID)调节器 PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。它的传递函数为 GC(S)=KP(1+ST

9、I1 +TDS,调节器参数的整定方法,调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论设计法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率法来确定调节器的相关参数，另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。 工程实验整定法有以下四种：经验法，临界比例度法，阻尼振荡法，反应曲线法,经验法,若将控制系统液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。表一为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作 进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按TD=(

10、1/31/4)T1计算,临界比例度法,这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图3-3所示。根据临界比例度S和振荡周期TS，按表二所列的经验算式，求取调节器的参考参数数值，这种整定方法是以得到4：1衰减为目标。 此法有一定限制。从工艺上看，允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态,阻尼震荡法,在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度

11、由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图3-4所示的4：1衰减过程为止。这时的比例度称为4：1衰减比例度，用S表示之。相邻两波峰间的距离称为4：1衰减周期TS。根据S和TS，运用表三所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值,反应曲线法,如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：1衰减）就有难度。对于这种情况，可采用下述的反应曲线法来整定调节器的参数。图3-5为实验系统的方框图。令调节器的输出X(t)为阶跃信号，则,1）比例度， 比例度越大，过渡过程越平缓，余差越大；比例度越小，过渡过程振荡越剧烈，余差越小，过小，会导致系

12、统发散。 （2）积分时间 ，积分时间越大，积分作用越弱，过渡过程越平缓，消除余差越慢；积分作用越强，过渡过程振荡越剧烈，消除余差越快。 （3）微分时间 ，微分时间越大，微分作用越强，过渡过程趋于稳定，最大偏差减小，但微分时间过大，又会增加过渡过程的波动。 看曲线调参数，可以按照上述原则进行参数调整，但有时仅从作用方向还难判定该调整哪个参数，此时还应该根据曲线形状作进一步判断。如过渡过程曲线过度振荡，可能的原因有：比例度过小、积分时间过小和微分时间过大等,总结,在本次毕业设计的过程中，曹老师的指导下我了解了组态王S7200PLC软件的特点、组成和使用方法，组态的过程和控制原理。熟悉了流量检测仪表的种类和测量原理，控制阀的种类和调节原理。掌握了流量定值控