单闭环流量定值控制系统毕业设计

1、毕业论文专业：电气自动化班级：2班学生姓名：毕士杰指导教师：曹红英完成时间： 2021年12月6日开封大学单闭环流量定值控制系统 目 录第1章 实验装置介绍1 1.1对象系统组成1 12 对象系统主要特点2第2章 系统的方案设计32.1硬件设计52.2软件设计6第3章组态王软件设计103.1组态王软件介绍103.2使用组态王113. 3 创建组态画面143. 4 动画连接18第4章系统中的问题和解决方案.22 4.1控制规律的确定.22 4.2调节器参数的整定方法.23总结.27参考文献.28第1章 实验装置介绍1.1 对象系统组成（1）过程控制实验对象系统实验对象系统包含有：不锈钢储水箱；上

2、、中、下三个串接有机玻璃圆筒型水箱；三相4.5kw电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加热筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成）和铝塑盘管组成。系统动力系统两套：一套由三相（380V交流）不锈钢磁力驱动泵、电动调节阀、交流电磁阀、涡轮流量计等组成；另一套由日本三菱变频器、三相不锈钢磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计等组成。整套对象系统完全由不锈钢材料制造，包括对象框架、管道、底板、甚至小到每一颗紧固螺钉。如图1-1（2）对象系统中的各类检测变送及执行装置扩散硅压力变送器三只：分别检测上水箱、中水箱、下水箱液位；涡轮流量计三只：分别检测两条动力支路及盘管出水口的流量；Pt100热电阻温度传感器六只

3、：分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（三只）及上水箱出水口水温；控制模块：包括电磁阀、电动调节阀各一个；三相380V不锈钢磁力驱动泵、三相220V不锈钢磁力驱动泵；12 对象系统主要特点（1）被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数；（2）执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构，又有变频器等电力拖动类执行器；（3）系统除了能改变调节器的设定值作阶跃扰动外，还可在对象中通过电磁阀和手操作阀制造各种扰动；（4）一个被调参数可用不同的动力源、不同的执行器和不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣；（5）能进行多变量控制系统及特定的过程控制系统实验。第2章 系统

4、的方案设计图2-1 单闭环流量定值控制系统(a)结构图 (b)方框图单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数是流量的给定值，即控制的任务是控制管道流量等于给定值所要求的流量。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路流量定值控制，当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参

5、数整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度PB的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数PB，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于流量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。对于流量的控制没有滞后，比

6、例积分控制就可以满足，一般不加微分。本实验系统结构图和方框图如图3-27 所示。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。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI 控制，并且在实验中PI 参数设置要比较大。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”

7、的位置。具体实验内容与步骤可根据本实验的目的与原理参照前面的单闭环定值控制。接线图如下：2-2接线图 实验原理图2-32.2硬件设计相关参数流量模拟转换器：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/LS/N :1108141QS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功率 0.18 kw2.3软件设计采用西

8、门子公司的S7-200系列整体式PLC实现液体搅拌的自动控制。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具有四路模拟量输入，1路模拟量输出PLC主程序 子程序第3章组态王软件设计3.1组态王软件设计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

9、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。它具有以下几个方面的特点：可视化操作界面，真彩显示图形、支持渐进色、丰富的图库、动画连接；无与伦比的动力和灵活性，拥有全

10、面的脚本与图形动画功能可以对画面中的一部分进行保存，以便以后进行分析或打印；变量导入导出功能，变量可以导出到Excel表格中，方便的对变量名称等属性进行修改，然后再导入新工程中，实现了变量的二次利用，节省了开发时间；强大的分布式报警、事件处理，支持实时、历史数据的分布式保存。强大的脚本语言处理，能够帮助你实现复杂的逻辑操作和与决策处理；全新的Web Server架构，全面支持画面发布、实时数据发布、历史数据发布以及数据库数据的发布；方便的配方处理功能。丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能仪表、智能模块。提供硬加密及软授权两种授权方式。组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统。它

11、以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面：(1)图形，是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。(2)数据，就是创建一个具体的数据库，并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性，比如水位、流量等。(3)连接，就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输

12、入控制设备的指令。3.2使用组态王1. 双击图标，启动“组态王”工程管理器，选择菜单“文件新建工程”或单击“新建”按钮。如3-1图所示。 图3-1 新建工程2. 单击“下一步”继续，会出现“请给要安装的设备指定唯一的逻辑名称”对话框。如3-2图所示。图3-2 逻辑名称3. 单击“下一步”继续，会出现“选择串口号”如3-3图所示。图3-3选择串口3. 单击“下一步”继续，会出现“设备地址设置指南”如3-4图所示。图3-4设备地址设置指南5. 单击“下一步”继续，会出现“通信参数”。如图3-5所示。图3-5通信参数6. 单击“下一步”继续，会出现“信息总结”。如图3-6所示。图3-6信息总结3.

13、3 创建组态画面 进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。 “组态王”采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。用户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。同时支持画面之间的图形对象拷贝，可重复使用以前的开发结果。 1. 进入新建的组态王工程，选中工程浏览器左侧的画面，在右侧双击新建按钮，则弹出如图3-7所示对话框。图3-7 新画面对话框2. 定义设备，选择工程浏览器左侧大纲项“设备COM1”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”。如图3-8所示。图3-8 配置向导

14、对话框3. 为设备选择并连接串口，假设为COM1，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，填写设备地址，假设为1，单击完成。如图3-9所示。 图3-9 配置向导对话框设备定义完成后，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。4. 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。如图3-10所示。图3-1

15、0 配置向导对话框5. 运行和调试(须与实验平台连接）在组态王开发系统中选择“文件切换到 View”菜单命令，进入组态王运行系统。显示出组态王运行系统画面，即可看到阀门开启时为绿色，关闭时为红色。如图3-11所示。 图3-11 联机调试界面 3. 4 动画连接在新画面中双击需要连接的物件，弹出如图3-12所示对话框。图3-12 动画连接 在对话框中有各种连接，根据设计需要选择，分别选择“水平移动”和“垂直移动”两种连接方式，或者别的连接方式。在表达式框中填入表达式，在下面的移动距离中填写相应的数据，按确定即可。按照上面的步骤，根据设计需求，分别对画面中的物件进行动画连接，从而实现了外部输入量与

16、内部事物的数据连接。 根据整个过程运行要求，以及所设定的变量，编写程序。至此，整个程序的组态软件编写已经完成。29 经过不断的设定P.D.I参数调节，画面如下调试的过程中用控制变量法，保持两个因素不变，改变第三个，观察其效果 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章系统调试中遇到的问题及解决方法（1）比例度， 比

17、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。这时，优先调整哪个参数就是一个问题。如图810表示了这三

18、种原因引起的振荡区别曲线（a）：积分时间过小引起的振荡，周期较长曲线（b）：比例度过小引起的振荡，周期较短曲线（c）：微分时间过大引起的振荡周期最短 图810 三种振荡曲线比较曲线（d）：积分时间过大，曲线呈非周期变化，缓慢地回到设定值。曲线（e）：比例度过大，曲线虽不规则，但波浪的周期较为明显。 图811 积分时间过大、比例度过大时的曲线 总 结在本次毕业设计的过程中，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。掌握了流量定值控制系统的组成及原理，对流量控制在化工生产过程中的重要性进行了深入的学

19、习。实践证明,本次所采用西门子S7-200型可编程控制器的硬件配置和程序设计是完全可行的,在实际控制中,由于PLC产品自身具有可靠性高、灵活性强、对工作环境无要求和抗干扰性能好等优点,因而深受用户的热爱。同时采用PLC控制液体混合装置,还能容易地随时修改可编程控制器程序,以改变液体的流速，从而调整时间达到定值控制。 然而，在学习和实验过程中我也遇到了很多的问题，老师给了我们大量的设计资料，一开始在学习过程中我不知从何下手，只能一篇一篇的看，老师发现后告诉我：有的资料是要求你熟练掌握的，而有的是为你提供参考信息的，你要抓住重点，把要求掌握的资料熟练掌握，为你提供参考信息的资料了解一下就可以了，如

20、果有充足的时间在仔细琢磨。在老师的指点下：我把重点要掌握的知识熟练掌握，大大提高了学习的效率，把节约出来的大量时间用于实验。通过实验巩固和验证我所学的知识。在实验过程中我也遇到了一些问题：1.流量已趋于平稳，在没有加干扰时流量会出现波动，这会对实依据。这次毕业设计，不仅使我学会了很多的专业知识，更让我学会了学习的方法，授之以鱼不如授之以渔，我相信在以后的工作、学习、生活中，我所验的准确性产生影响。我认为导致流量波动的因素主要是管道的震动。2.流量范围的改变会导致控制效果的变化，流量在110ml/s至130ml/s时,参数P和I的值分别为150和5，控制效果较好，然而当流量在150ml/s以上时，保持参数P和I的值不变，控制效果相对于流量在110ml/s至130ml/s会差一些。这一问题表