双闭环流量比值控制系统设计.docx

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双闭环流量比值控制系统设计

摘要

在许多生产过程中，工艺上常常要求两种或者两种以上的物料保持一定的比例关系。

一旦比例失调，会影响生产的正常进展，造成产量下降，质量降低，能源浪费，环境污染，甚至造成安全事故。

这种自动保持两个或多个参数间比例关系的控制系统就是比值控制所要完成的任务。

因此比值控制系统就是用于实现两个或两个以上物料保持一定比例关系的控制系统。

需要保持一定比例关系的两种物料中，总有一种起主导作用的物料，称这种物料为主物料，另一种物料在控制过程中跟随主物料的变化而成比例的变化，这种无物料成为从物料。

由于主，从物料均为流量参数，又分别成为主物料流量和从物料流量，通常，主物料流量用Q1表示，从物料流量用Q2表示，工艺上要求两物料的比值为K，即K=Q2/Q1.在比值控制精度要求较高而主物料Q1又允许控制的场合，很自然就想到对主物料也进展定值控制，这就形成了双闭环比值系统。

在双闭环比值系统中，当主物料Q1受到干扰发生波动时，主物料回路对其进展定值控制，使从物料始终稳定在设定值附近，因此主物料回路是一个定值控制系统，而从物料回路是一个随动控制系统，主物料发生变化时，通过比值器的输出，使从物料回路控制器的设定值也发生变化，从而使从物料随着主物料的变化而成比例的变化。

当从物料Q2受到干扰时，和单闭环控制系统一样，经过从物料回路的调节，使从物料稳定在比值器输出值上。

双闭环比值控制系统由于实现了主物料Q1的定值控制，克制了干扰的影响，使主物料Q1变化平稳。

当然与之成比例的从物料Q2变化也将比拟平稳。

根据双闭环比值控制系统的优点，它常用在主物料干扰比拟频繁的场合，工艺上经常需要升降负荷的场合以与工艺上不允许负荷有较大波动的场合。

本实验通过了解双闭环比值控制系统的原理与结构组成，进展双闭环流量比值控制系统设计〔包括仪表选型〕以与进展比值系数的计算，最后基于WinCC进展监控界面设计，给出不同参数下的响应曲线，根据扰动作用时，记录系统输出的响应曲线。

双闭环流量比值控制系统设计

1、双闭环比值控制系统的原理与结构组成

在工业生产过程中,往往需要几种物料以一定的比例混合参加化学反响。

如果比例失调，如此会导致产品质量的降低、原料的浪费，严重时还会发生事故。

这种用来实现两个或两个以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统，均称为比值控制系统。

本设计是双闭环流量比值控制系统。

其系统结构图如图1所示。

该系统中有两条支路，一路是来自于电动阀支路的流量Q1，它是一个主流量；另一路是来自于变频器—磁力泵支路的流量Q2，它是系统的副流量。

要求副流量Q2能跟随主流量Q1的变化而变化，而且两者间保持一个定值的比例关系，即Q2/Q1=K。

图6-2双闭环流量比值控制系统

（a）结构图（b）方框图

（a）结构图（b）方框图

图1双闭环流量比值控制系统

由图中可以看出双闭环流量比值控制系统是由一个定值控制的主流量回路和一个跟随主流量变化的副流量控制回路组成，主流量回路能克制主流量扰动，实现其定值控制。

副流量控制回路能抑制作用于副回路中的扰动，当扰动消除后，主副流量都回复到原设定值上，其比值不变。

显然，双闭环流量控制系统的总流量是固定不变的。

从整定的角度看，应使从物料回路响应较主物料回路快一些，以便从物料能跟得上主物料的变化，保证主，从物料的比值恒定。

2、课程设计使用的设备

2.1.THJ-3型高级过程控制系统实验装置，如如下图所示：

本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大局部组成。

供水系统有两路：

一路由三相〔380V恒压供水〕磁力驱动泵、电动调节阀、电磁阀、涡轮流量计与手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵〔220V变频调速〕、涡轮流量计与手动调节阀组成。

2.2THJ-3型西门子PLC过程控制系统。

该过程控制系统的控制柜主要由电源控制组件、西门子PLC控制组件、变频器控制组件等几局部组成。

是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术与现场总线技术为一体的多功能实验设备。

该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反响控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。

2.3西门子S7系列PLC编程软件。

本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司的S7-300PLC，采用的是Step7编程软件。

利用这个软件可以对PLC进展编程、调试、下装、诊断。

2.4西门子WinCC监控组态软件。

S7-300PLC控制方案采用WinCC软件作为上位机监控组态软件，WinCC是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。

作为一个国际先进的人机界面（HMI）软件和SCADA系统，WinCC提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以与报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以与可靠的数据；WinCC还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC集成入复杂、广泛的自动化项目成为可能。

3、比值系数的计算

设流量变送器的输出电流与输入流量间成线性关系，即当流量Q由0～Qmax变化时，相应变送器的输出电流为4～20mA。

由此可知，任一瞬时主流量Q1和副流量Q2所对应变送器的输出电流分别为

I1＝

（1）

I2＝

（2）

式中Q1max和Q2max分别为Q1和Q2最大流量值，即涡轮流量计测量上限，由于两只涡轮流量计完全一样，所以有Q1max＝Q2max。

设工艺要求Q2/Q1＝K，如此式〔6-1〕、〔6-2〕可改写为

Q1＝

Q1max（3）

Q2＝

Q2max（4）

于是求得

＝

×

＝

（5）

折算成仪表的比值系数K′为

K′＝K×

＝K（6）

4、设备投运步骤以与实验曲线结果

4.1阀门开关选择：

本设计选择电动阀支路和变频器支路组成流量比值控制系统。

投运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、F2-1、F2-5全开，其余阀门均关闭。

具体的实验内容与步骤如下：

4.2.1．强电接线：

~220V接面板，N与N1、N2、N3短接，D1、D2、D3分别接面板DO1、DO2、DO3；弱电连线：

将“FT1电动阀支路流量〞〔1-5V信号〕对应接至模拟量输入通道AI0的+、-，将“FT2变频器支路流量〞〔1-5V信号〕对应接至模拟量输入通道AI1的+、-；将模拟量输出通道AO0接至电动阀控制输入的+、-，模拟量输出通道AO1接至变频器控制输入的+、-。

接线如如下图所示：

4.2.2．接通总电源空气开关，闭合三相电源和单向电源，打开电动调节阀、变频器与控制站电源，给电动调节阀、变频器、S7-300PLC上电。

如如下图所示：

4.2.3．打开Step7软件，打开“S7-300PLC〞程序进展下载，然后运行WinCC组态软件，打开“S7-300PLC控制系统〞工程，然后激活WinCC运行环境，在主菜单中点击“实验十六、双闭环流量比值控制〞，进入“实验十六〞的监控界面。

4.2.4．在上位机监控界面中将副调节器设置为“手动〞输出，并将输出值设置为一个适宜的值。

如如下图所示：

4.2.5．闭合三相磁力泵电源开关，三相磁力泵上电打水，适当增加/减少副调节器的输出量，使电动阀支路流量平衡于设定值。

4.2.6．选择PI控制规律，并按照单回路调节器参数的整定方法整定副流量回路的调节器参数，并按整定后的PI参数进展副流量调节器的参数设置，同时将副调节器投入自动运行。

4.2.7．待变频器支路流量稳定于给定值后，通过以下几种方式加干扰：

〔1〕突增〔或突减〕主调节器输出值的大小，使其有一个正〔或负〕阶跃增量的变化；

〔2〕将中水箱进水阀F2-4开至适当开度〔副流量扰动〕；

〔3〕将电动调节阀的旁路阀F1-4〔同电磁阀〕开至适当开度；

〔4〕将中水箱进水阀F1-7开至适当开度；

以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。

4.2.8．分别适量改变副调节器的P与I参数，重复步骤9，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。

4.2.9．适量改变比值器的比例系数K′，观察副流量Q2的变化，并记录相应的动态曲线。

实验曲线和分析如下：

图一

图二

由图二与图一比照可知，在比例控制系统中，U〔t）=KcE（t）+U0，在线性X围内，主调节器减少比例度Kc，系统输出U〔t）减少，系统稳定性增强，控制时间变长,残差增大，同时系统超调减少。

图三

由图三可知，主调节器与副调节器相比照，减小比例度Kc，系统控制时间增强，振荡频率降低，稳定性增强。

同时，图三与上两个图一和图二相比照来说，参加微分控制后，在主调节器中，调节频率提高，系统偏差减小，系统稳定性增强。

图四

图四与图一，图二相比照，引入积分作用，属于无差控制，与比例控制中的有差控制形成鲜明比照，控制时间较慢，稳定性较差，属于浮动调节。

图四与图三相比例微分控制相比照，也表现了无差控制，同时稳定性减弱。

但从控制效果上来看，此实验控制对象为流量，滞后时间较小，而且在管路中存在不规如此的干扰噪声，因此此图中的PI控制效果较好。

图五

图五与图四相比照，在比例度不变情况下，主调节器减少积分时间，主调节器积分作用增强，系统振荡频率增加，系统稳定性变差。

同时，副调节器与图四中副调节器相比照，比例度较大，系统振荡频率较强，出现超调现象，系统稳定性大大降低。

图六

图六与图五相比照，主调节器积分时间不变情况下，比例度减小，系统超调减小，系统振荡频率减少，稳定性增强。

主调节器与副调节器比照，积分时间减小，积分作用增强，消除稳态误差较快，系统振荡频率较快，系统稳定性较差。

图七

图七与图六相比照，主调节器比例度不变情况下，积分时间变长，积分作用变弱，系统稳定性增强。

同时，副调节器与主调节器相比照，积分时间减小，积分作用增强，系统振荡频率较快，稳定性较差。

图八

图八与图七相比，主调节器比例度增大，系统超调变大，稳定性减弱。

同时，积分时间变长，系统输出u减小，积分作用变弱，消除稳态误差较慢，稳定性增强。

图九

图九与图八相比照，主调节器比例度增大，系统超调较大，系统振荡加强，系统稳定变弱。

同时，积分时间减少，积分作用增强，系统振荡加强，稳定性下降。

图十

图十与图九相比照，主调节器减小比例度，系统振荡减少，稳定性增强。

此时，主调节器测量值较稳定，积分时间与比例度选取较为适宜。

而副调节器振荡较为明显，比例度和积分时间选取不适宜。

图十一

图十一与图十相比照，主调节器引入微分作用，由于该实验控制对象滞后时间较短，而且管道中存在不规如此噪声，引入微分后效果不那么明显，比例积分微分同时作用，达到了无稳态误差，稳定性较好的效果。

但主调节器出现超调，比例度选取较大或者比例不适宜。

图十一中，副调节器振荡频率较大，稳定性较差，是因为比例度和积分时间没选取妥当。

图十二

图十二与图十一相比照，主调节器积分时间减少，积分作用增强，系统振荡频率增强，稳定性变差，系统又出现超调现象，比例度选取不适宜。

同时微分时间变长，系统振荡频率加强，提高系统稳定性。

所以，总的来看，稳定性变化不大。

图十三

图十三与图十二相比照，主调节器比例度减小，超调量现象消失，振荡频率减少，稳定性增强。

同时积分时间减少，积分作用变强，稳定性变化不大。

主调节器与副调节器相比照，副调节器积分时间较小，积分作用较强，稳定性较差，微分时间较长，系统输出值变大。

图十四

图十四与图十三相比照，由图可知，主调节器比例度变大，系统出现严重超调，系统稳定性较差。

同时主调节器与副调节器相比照，副调节器比例度较大，积分时间较小，积分作用较强，系统振荡频率较大，稳定性较差。

以上实验结果分别分析了比例控制，比例积分控制，比例微分控制和比例积分微分控制的实验曲线。

〔1〕在比例控制中，是有差控制，U〔t）=KcE（t）+U0,通过改变比例度Kc，观察输出曲线变化和输出值U〔t）变化。

假如比例度Kc很小，调节阀动作幅度较小，因此被控变量的变化比拟平稳，甚至可以没有超调，但残差很大，控制时间也很长，假如比例度Kc很大，系统振荡频率加强，可能会出现严重超调，系统不稳定。

〔2〕在比例积分控制中，由于积分控制的特点，属于无差控制，在消除系统残差的同时，降低了系统原来的稳定性，在实验中，假如要提高系统稳定性，如此适当减小Kc，以提高系统稳定性。

在比例带不变情况下，减小积分时间，控制系统稳定性降低，振荡加剧，直到最后出现发散的振荡过程。

同时，对于同一个控制对象，采用积分控制时控制过程的进展总比比例控制时缓慢，振荡频率较低，属于浮动调节。

在采取适当的比例度和积分时间后，控制效果较好。

〔3〕在比例微分控制中，由于微分环节反响的是参数的变化速度，本实验控制对象为流量，流入量和流出量相差很少，以致被控变量可能以控制器不能发觉的速度缓慢变化，控制器动作较小，或者不动作。

通过适当的调节，比例微分控制属于有差控制，通过参加微分，提高了控制系统的稳定性，假如此时增大比例度Kc，结果不仅减小了残差，而且也减小了最大偏差并提高了振荡频率。

因此在PD控制中，以比例控制为主，微分只是起到辅助控制作用。

〔4〕在比例积分微分控制中，通过适当的调节比例度，积分时间和微分时间能较好的达到控制要求，稳态无误差。

任意改变其中的一个变量会出现上述比例控制，比例积分控制中的现象，在此不一一陈述。

在此实验中，比值控制系统中对象为流量，滞后时间比拟小，而且在管路中存在许多不规如此噪声，因此主，从控制器不宜采用微分作用，所以，主，从控制器都应选择PI控制作用。

5、总结

双闭环比值控制系统中的主物料回路是定值控制系统，往往工艺上要求主物料恒定在设定值上。

从物料回路是随动控制系统，它在实现自身稳定控制的同时，还要对主物料的变化进展跟踪，从而实现主，从物料的比值恒定。

再者，由于比值控制系统对象是流量对象，滞后时间比拟小，而且在管路中存在有很多不规如此的干扰噪声，因此主，从控制器不宜采用微分作用，而且通过实验观察，比例积分控制效果较好，所以主，从控制器都应采用PI控制作用。

从整定的角度看，应使从物料回路响应较主物料回路响应快一些，以便从物料能跟得上主物料的变化，保证主，从物料的比值恒定。

因此，应该分别将从物料和主物料的控制回路的过渡过程正整定成非周期临界状态和非周期状态。

另外，从物料回路通过比值器与主物料回路发生联系，主物料变化必然引起从物料的设定值发生变化。

如果主物料的变化频率接近从物料回路的工作频率，如此有可能引起从物料的共振，以致控制系统品质变坏。

因此，在选用PI控制的根底上选取较为适宜的比例度和积分时间，达到较好的控制效果。

6、参考文献

过程控制系统〔第2版〕电子工业

工控组态软件与应用实验指导书纪振平主编