流量比值控制系统课程设计报告.docx

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流量比值控制系统课程设计报告

1 引言……...…...………………...……………………………………………………….....

2 系统分析……......………………………………………………………………………....

2.1 工艺流程分析……...…………………………………………………………………..

2.2 对象特性分析……...…………………………………………………………………..

2.3 控制需求分析……...…………………………………………………………………..

3 控制系统设计与实现……...…………...………………………………………………

3.1 变量选择..........................................................................................................................

3.2 控制方式设计...................................................................................................................

3.3 回路模型建立...................................................................................................................

4 系统仿真研究与实时监控平台设计……...…………………………………………

4.1 通信连接...........................................................................................................................

4.2 监控画面...........................................................................................................................

4.3 数据字典...........................................................................................................................

4.4 实时仿真...........................................................................................................................

5 控制系统投运、参数整定与性能分析……...………………………………………

5.1 参数整定.........................................................................................................................

5.2 系统投运.........................................................................................................................

5.2 性能分析.........................................................................................................................

6 控制系统设备选型与电气控制图绘制……...……………………………………...

6.1 设备选型..........................................................................................................................

6.2 电气控制图......................................................................................................................

7 实验总结..............................................................................................................

8 参考文献..............................................................................................................

引言

随着科学技术的快速发展，人们对过程控制提出了更高的要求，在许多生产过程中，

要求两种或两种以上的物料流量成一定的比例关系混合进行反应，对物料比例的要求甚为严

格，如果不能满足要求，或是比例失调，将导致产品的质量达不到要求，以致造成损失，严

重时会导致事故的发生。

研究比值控制系统很有必要，提高比值控制系统的进度及水平具有

深远意义。

根据系统工艺的要求及实际需要，提出了流量比值控制的设计方案，因为组态王开发

监控系统软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点，本设计着重

说明了组态王在设计开发流量比值控制系统中的运用。

该设计以电动调节阀和变频器为中心对主副回路的液体流量进行比例控制，在实验室

A3000 装置上进行实验，回路采用涡轮流量计和电磁流量计对流量信号进行实时采集，通过

与设定值进行比较对调节器进行控制，并采用 ADAM4000 的三个通讯模块和福光百特仪表

作为控制器接收并处理信号，把信号传输给调节阀或变频器，从而达到控制流量的效果。

通过组态王、matlab 等仿真软件进行仿真，设计出具有友好人机交互界面的组态，实

现实时监控，有及时的数据显示，图形显示，PID 参数手动及自动控制等控制功能，并建立

动画连接，生成信息报告。

2 系统分析

2.1工艺流程分析

在生产过程中，根据工艺过程容许的负荷波动幅度、干扰因素的性质和产品质量的要

求不同，实现对两种物料流量比值的控制方案也不同：

开环比值控制系统、单闭环比值控制

系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统。

双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主动量控制回路和一个跟随主动量变化的从动量

随动控制回路组成，其流程图和方框图分别如图 1 和图 2 所示。

 通过主动量控制回路能

克服主动量干扰，实现对主动量的定值控制；通过从动量控制回路抑制作用于从动量回路的

干扰，从而使主、从动量均比较稳定，能保持在一定的比值，使总物料量保持稳定。

双闭环

比值控制系统常用于负荷变化或总的物料变化比较平稳的工业生产过程。

2.1 双闭环比值控制系统流程图

2.2对象特性分析

电动调节阀的特性分析：

流通能力 Cv 值是电动调节阀的主要参数之一，定义为当电动调节阀全开时阀两端压

差为 0.1MPa、流体密度为 1g/cm3 时每小时流经电动调节阀的流量数，也称流量系数，单位

为 t/h。

电动调节阀的流量特性是在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经电动调节阀的

相对流量与它的开度之间关系。

电动调节阀的流量特性有线性特性、等百分比特性及抛物线

特性三种。

等百分比特性（对数）等百分比特性的相对行程和相对流量不成直线关系在行程

的每一点上单位行程变化所引起的流量的变化与此点的流量成正比，流量变化的百分比是相

等的。

所以它的优点是流量小时流量变化小，流量大时则流量变化大，也就是在不同开度上

具有相同的调节精度；线性特性的相对行程和相对流量成直线关系，单位行程的变化所引起

的流量变化是不变的，流量大时，流量相对值变化小，流量小时，则流量相对值变化大；抛

物线特性流量按行程的二方成比例变化，大体具有线性和等百分比特性的中间特性。

从上述

三种特性的分析可以看出就其调节性能上讲，以等百分比特性为最优其调节稳定、调节性能

好。

而抛物线特性又比线性特性的调节性能好，可根据使用场合的要求不同挑选其中任何一

种流量特性。

变频器分析：

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电

动机的电力控制设备。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动

单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

变频器靠内部 IGBT 的开断来调整输出电源

的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目

的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

变频器常见的频率

给定方式主要有：

操作器键盘给定、接点信号给定、模拟信号给定、脉冲信号给定和通讯方

式给定等。

这些频率给定方式各有优缺点，须按照实际所需进行选择设置，同时也可以根据

功能需要选择不同频率给定方式之间的叠加和切换。

变频器的主电路大体上可分为两类：

电

压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的

直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

2.3控制需求分析

在工业生产过程中往往要求两种或多种物料流量成一定比例关系；一旦比例失调，会

影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。

因此

我们会利用比值控制系统来控制两个或多个变量自动维持一定比值关系。

起主导作用的物料流量为主动量，主回路中产生的扰动，但是通过主回路的回路控制作用

反馈能克服主动量干扰，实现对主动量的定值控制。

而主动量通过比值系统环节把信号传输

给从动量，副回路是跟随主动量变化的从动量随动控制回路，从而保证流量成一定比例关系。

其中主回路是通过调节器作用改变电动调节阀的开度来进行流量 Q1 控制，副回路是

通过调节器作用于变频器，变频器通过改变频率来控制磁力泵来进行流量 Q2 的控制。

3控制系统设计与实现

3.1变量选择

被控变量：

主回路流量（支路 2）Q1、副回路流量（支路 1）Q2。

操纵变量：

电动调节阀开度（%）、变频器频率（转换为电流 mA）。

干扰变量：

管道压力变化、泵出口流量的变化。

3.2控制方式设计

设计分析：

双闭环流量比值控制系统中，起主导作用的流量称为主动量，跟随主动量

而变化的流量称为从动量，设本系统中 Q1 为主动量，Q2 为从动量。

将从动量用一个闭环

包括进去，主动量也用闭环实现。

将流量 Q1 的测量值通过比值控制器 k 作为副回路的输入

量，所以从动量 Q2 的给定是 Q1，故 Q2 要随着 Q1 的变化而变化，即从动量 Q2 是一个随

动控制系统。

由于 Q1 为闭环给定值控制，所以为定值控制系统。

实际控制设计：

将 A3000 设备中支路 2 作为主回路，流量 Q1 为主动量，通过回路中的电

动调节阀改变流量 Q1；将 A3000 设备中支路 1 作为副回路，流量 Q2 为从动量，通过调节

变频器的工作频率改变泵 1 的转速，从而改变流量 Q2。

扰动

+

调节器 1

电动阀                  管道

—

流量变送器 1

K

+扰动

调节器 2

变频器

磁力泵

管道

+

流量变送器 2

3.1 控制系统方框图

3.3回路模型建立

（1）在 A3000-FS 实验设备上，打开阀门,调节下水箱闸板开度 15mm，其余阀门关闭，

构成单回路液位控制。

检查所有的测量原件和接线及其他原件均无误后，再进行下面的操作。

（2）接线：

调节阀输入接到福州百特表面板 4-20mA 输出，变频器输入接到 4-20mA

输出，1#流量接到 4-20mA 输入，2#流量接到 4-20mA 输入。

（3）测 1#流量时电磁阀必须打开，应此要在面板上给电磁阀接 24V 直流电。

（4）开启电动调节阀到一定开度，防止泵出口压力过高。

（5）打开 A3000 电源。

在 A3000-FS 上，启动左边水泵和右边的水泵。

（6）启动计算机组态软件，进入实验系统选择“比值控制系统实验”。

（7）主副回路广义对象模型求解：

（8）将调节器的调节方式设置为手动，给调节阀一个阶跃输入，记录支路 2 流量 Q1

的随时间变化情况。

（9）在变频器面板上初始化变频器，设置调节阀的工作频率，按启动键启动，再在组

态软件中改变工作频率，给一个流量阶跃变化，记录支路 1 流量 Q2 的随时间变化情况。

-实验数据记录如下:

 阀门开度 40%-50%、变频器 40%-50%

变频器福特仪表调节阀

输出

输出

3.2 仪表接线图

3.3 数据表格

作出曲线如下：

3.4 主回路曲线

3.5 副回路曲线

通过计算得到

0.27-2s

2s +1

副回路模型：

 G 2 （ s ） =

0 . 7

4 s + 1

e - 2 s

4 系统仿真研究与实时监控平台设计

4.1通信连接

小组两人实现 OPC Server 与组态王及 Matlab 的通讯，一人因系统问题未能成功，连

接过程中要注意按实验指导书上的步骤来连接，win7 64 位系统能连接上 opc，但必须保证

matlab 是 32 位的，同时组态王 6.5 以上才能支持。

4.1 连接截图

4.2监控画面

本设计共有五画面：

主界面、历史曲线、实时曲线、报警画面、报表记录画面。

主界面如图 4.2，在主界面中有 2 个水箱，它们在本设计中只是作为容器，所以在本设

计中没有设置动画连接，因为本设计主要考虑的是流量比值控制。

在主界面中还有一个电动

调节阀、一个电磁流量计、一个涡轮流量计和西门子变频器，电动调节阀控制主动量 Q1，

变频器通过调节泵 1 的转速来控制从动量 Q2。

两个电磁流量计分别是测量流量 Q1、流量

Q2。

当我们启动系统后进入主界面我们首先在手动状态下设置 Q1 的电动调节阀的开度，使

流量 Q1 稳定，然后设置 PID 参数，设置参数后，按下按钮后进入自动环节，再设置比值系

数和副回路 PID 参数，将控制器切换到自动状态，系统按设定好的 PID 算法得到输出，使

流量 Q1 与流量 Q2 成设定的比例并稳定于此。

期间画面也能显示出电动调节阀的开度、流量值，并且管道也能模拟液体的流动。

主

界面有各个画面的切换键也能从各个画面返回主画面。

图 4.3 显示能直接观察实时曲线，查

看系统的稳定情况。

当我们要观察历史的曲线时，我们可以单击历史曲线按钮，进入历史曲

线界面。

报警和报表画面通过点击按键也能进入，单击退出按钮直接退出系统。

4.2 主界面画面

4.3 实时曲线画面

4.4 历史曲线画面

4.5 历史数据画面

4.6 监控画面

4.2数据字典

根据控制系统的需要建立数据词典，以便确定内存变量与 I/O 数据，运算数据的关系。

只有在数据词典中定义的变量才能在系统的控制程序中使用。

本系统中所涉及到的变量的类

型主要有与 ADAM4000 三个模块有关。

DA 设备进行数据交换的 I/O 实型变量，控制电磁

阀开关的 I/O 实形变量，用于定以开关动画连接的内存实型变量，参于 PID 运算的内存实型

变量和实现各种动画效果所用到的内存实型或内存整型变量等。

4.7 数据字典

4.4实时仿真

5 控制系统投运、参数整定与性能分析

5.1在 MATLAB/SIMULINK 环境整定双闭环比值控制系统控制参数

原始数据：

（1）要求比值控制系统的从动量跟随主动量变化而变化，其中两个流量仪表的信号比

值系数：

k=

Q2

Q1

=3;

0.27-2s

2s +1

（3）从对象广义传递函数为：

 G 2 （ s ） =

0 . 7

4 s + 1

e - 2 s ;

（4）主动量回路和副动量回路均采用 PI 控制规律;

（5）主动量每隔 100s 变化，幅值分别为[3 1 4 2 1]。

具体设计设计内容如下：

1、采用反应曲线法整定主动量回路控制器参数；

2、采用反应曲线法整定从动量回路控制器参数；

3、在 MATLAB/SIMULINK 环境中建立双闭环比值控制系统，并投入运行，估计系

统阶跃响应曲线的超调量、上升时间和过渡过程时间；

4、检验双闭环比值控制系统的抗干扰能力：

主动量和从动量分别改变 10%，检验系

统的抗干扰能力。

整定过程：

整定主动量回路

在 Simulink 中建立主动量回路闭环系统，在纯比例控制器的作用下给定单位阶跃响应。

置比例控制器的比例带δ为较大的数值，即比例增益 K 为较小的数值。

对设定值施加一个阶

跃扰动，然后观察系统的响应。

若响应振荡太快，就减小比例带δ；反之，则增大比例带

δ。

如此反复，知道出现衰减比 n=4:

1 的振荡过程。

记录下此时的比例带（记为

δs ），以及

响应的衰减振荡周期

Ts

。

5.1 整定后的主动量回路闭环系统框图

5.2 主动量回路阶跃响应

整定从动量回路

5.3 整定后的主动量回路闭环系统框图

5.4 从动量回路阶跃响应、

双闭环比值控制系统仿真及性能测试：

5.5 双闭环比值控制系统（调整前）

5.6 双闭环比值控制系统（调整后）

5.7 主副回路不同阶跃响应

5.8 主副回路阶跃响应

结论：

主、从动量分别改变 10%,系统没有引起较大超调，且能够快速稳定，抗干扰能力强。

5.2系统投运

由于时间没有安排好，我们小组一共做了两次系统投运工作。

第一次：

实验室台式机上的 ADAM4000 工程在我们现场修改后不能用，我们用福州百特

仪表分别对两个回路进行测试，效果不是很理想。

第二次：

我们在自己的笔记本上重新建立工程并绘制画面，但在实验室发现版本过高

而不能兼容，最后在删除台式机上工程里其他不相干画面并对原工程修改后终于实现组态王

的运行。

由于主回路设定值给不进去，最后只投运了副回路。

发现问题：

1、ADAM4000 面板上有些通道不能用，这次投运发现 AI0、AI1 通道损坏。

2、matlab 仿真中 Ti 的单位是 S，而组态王的控件中 PID 设定值单位为

mS。

3、输出输入通道一定要分清楚，而且输出输入数值单位不同时，要进行转

换设置。

4、可先投运主回路，再投运副回路，最后一起进行调试。

5.9 ADAM4000 模块接线图

5.10 投入运行主图

5.11 Ti=1000ms 时副回路阶跃变化（振荡大）

5.12 Ti=2000 时副回路阶跃变化（基本不振荡，能跟随主回路变化）

5.3性能分析

所构建的模型较为粗糙，都是一阶惯性环节，而副回路模型因测量数据时偏差较大导

致时滞太小，无法用二阶惯性建模，最后得到的模型与实际不太吻合，所以 matlab 仿真与

实际投运有误差。

6 控制系统设备选型与电气控制图绘制

6.1 设备选型

LWGB 型涡轮流量传感器：

实验室采用的是 LWGB 型涡轮流量传感器，LWGB 型涡轮流量传感器是在 LWGY 基

本型涡轮流量传感器的基础上增加了 24VDC 供电，4-20mA 两线制电流变送功能，特别适

合于与显示仪、工控机、DCS 等计算机控制系统配合使用。

电磁流量计：

电磁流量计采用四线制接法，如图 2-6 所示：

6.1 电磁流量计接线原理图

一般不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。

使用前请仔细阅读产品说明书。

开启水

泵，将电磁流量计信号输入百特仪表（量程设为 0～3 立方/小时），会看见流量值。

电磁流量

计液晶屏上会显示瞬时流量与累积流量值。

注意：

不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。

加电几分钟后才能获得准确数值。

为了保证低流量下的精度，我们使用了满量程 3 立方/小时的电磁流量计，依据水泵的最大

流量。

流量控制范围可以 0%-55%。

西门子 MICROMASTER 420 变频器：

西门子变频器可以 BOP 面板操作，可以 4-20 毫安控制，可以使用 PROFIBUS-DP 总线

控制。

不需要增加任何硬件就可以进行这些模式的操作。

西门子变频器是带 PROFIBUS-DP

总线的，通过 PROFIBUS-DP 总线与控制器连接。

可以由单相/三相 230V 直流供电，本系统

采用 220V 单相交流电。

单相电源接线方式如图 2-7，2-8 所示：

6.2 MICROMASTER 420 变频器的连接端子

6.3 电源接线方式

本系统使用了变频器的 STF 功能，其控制线接端子 5 和 8，速度调节控制线接端子 3

和 4，端子 U、V 接负载。

变频器的操作面板上需要提供 24V 直流电源。

即使变频器不处于运行状态，其电源输入线，直流回路端子和电动机端子上仍然可能带

有危险电压。

因此，断开开关以后还必须等待 5 分钟，保证变频器放电完毕，再开始安装

工作。

霍尼韦尔 ML7420A3055-E 电动调节阀执行器：

实验室电动调节阀采用的美国霍尼韦尔公司的型号为 ML7420A3055-E 的电动调节阀，

电动调节阀采用四线制接线，电源为 220V AC，其信号线分为输入控制信号和阀位操作信

号（4～20mA）。

接通 220V AC 电源后，打开保护盖，可以看见指示灯亮起，用百特仪表手动

操作 20mA（量程设置为 4～20mA）到控制端，齿轮开始旋转，同时调节阀的轴向上移动到最

大行程。

若施加一个电流信号，调节阀不动作，可以操作信号线两端电阻值，大小为 250Ω。

反

之，没有电阻值，表示信号线已断开。

用百特仪表检验时，将调节阀的操作信号接到百特仪

表，操作其电压值，若大于 12V，则表示信号线断开。

模块介绍

ADAM4017:

ADAM4017 是一个 16 位，8 通道模拟量输入模块，它对每个通道输入量程提供多种范

围，可以自行选择设定。

这个模块用于工业操作和监测，其性价比很高。

通过光隔离输入方

式对输入信号与模块之间提供 3000V DC 隔离，而且具有过压保护功能。

ADAM4024:

ADAM4024 是一个 4 通道模拟量操作混合模块。

在某些情况下，需要多路模拟量操作

来完成特殊的功能，但是却没有足够的模拟量操作通道。

而 ADAM4024 正是为了解决这一

问题而设计的，它包括了 4 通道模拟量操作，以及 4 通道数字量隔离输入。

这 4 路数字量通

道作为紧急联锁控制操作。

ADAM4050:

ADAM4050 有 7 通道数字量输入，8 通道数字量操作。

它的操作可以由上位机给定，

并且可以控制固定的继电器以达到对加热、水泵、电力设备的控制。

上位机能通过它的数字

量输入来确定限制状态、安全开关，以及远距离数字量信号。

6.2电气控制图

下图用 CAD 软件绘制

6.4 电气控制图

7 实验总结

8 参考文献