佛山大学过程控制课程设计论文

摘要实现两个或两个以上的参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统，用来保持两种物料的流量保持一定的比值关系。双闭环比值控制系统能实现主动量的抗扰动、定值控制，使主、从动量均比较稳定，从而使总物料也比较平稳。本次的课程设计分析控制系统各个环节的动态特性，通过机理分析法和试验法两种建立数学模型，应用“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”进行数学模型的数据仿真。采用双闭环比值控制系统控制方案，电动阀支路的流量是系统的主动量，变频器-磁力泵支路的流量是系统的从动量。关键字：双闭环比值控制电动阀磁力泵目录一．设计任务分析...............................................................................1二．控制系统总体方案的设计...........................................................12.1课程设计的目的.....................................................................12.2课程设计的要求.....................................................................12.3双闭环比值控制系统的结构.................................................22.4双闭环比值控制系统的特点.................................................32.5比值系数的计算.....................................................................3三．单回路参数整定...........................................................................43.1被控对象特性测试方法.........................................................43.2电动阀传递函数测试.............................................................63.3变频器——磁力泵传递函数测试.........................................73.4用MATLAB进行仿真...........................................................8四．比值控制系统参数调节.......................................................104.1比值控制系统参数的整定...................................................10五．设备使用说明.............................................................................105.1系统主要组成......................................................................105.2操作前准备..........................................................................125.3控制面板接线说明..............................................................13六.实验结果与分析..........................................................................136.1比值控制器值不同下的实验结果.......................................136.2加入扰动时的响应曲线.......................................................156.3双闭环比值控制系统实际操作调试结果...........................166.4双闭环比值控制系统实际操作输出曲线...........................17七．心的体会.....................................................................................17参考文献.............................................................................................18附录：实验总图.................................................................................191一．设计任务分析在了解、熟悉和掌握双闭环流量比值控制系统的工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础之上，根据生产过程对控制系统所提出的安全性、经济性和稳定性要求，应用控制理论对控制系统进行分析和综合，最后采用计算机控制技术予以实现。二．控制系统总体方案的设计2.1课程设计的目的在本课程设计中，通过一个完整的生产过程控制系统的设计，使学生在进一步加深理解和掌握《过程控制系统》课程中所学内容的基础之上，着重训练学生将《过程检测与控制仪表》、《自动控制原理》、《微机控制技术》和《过程工程基础》等课程中所学到知识进行综合应用。锻炼学生的综合知识应用能力，让学生了解一般工程系统的设计方法、步骤，系统的集成和投运。2.2课程设计的要求1.从组成、工作原理上对工业型流量传感器、执行机构有一深刻的了解和认识。2.分析控制系统各个环节的动态特性，从实验中获得各环节的特性曲线，建立被控对象的数学模型。3.根据其数学模型，选择被控规律和整定调节器参数。4.在Matlab上进行仿真，调节控制器参数，获得最佳控制效果。5.了解和掌握自动控制系统设计与实现方法，并在THJ-2型高级2过程控制系统平台上完成本控制系统线路连接和参数调试，得到最佳控制效果。7.分析仿真结果与实际系统调试结果的差异，巩固所学的知识。2.3双闭环比值控制系统的结构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。双闭环比值控制系统的结构图，如图2.1图2.1双闭环比值控制系统的结构图从图中可以看出，双闭环比值系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上由一个定值控制的主动量回路（Q1）和一个随主动量变化的从动量随动控制回路（Q2）组成，并通过比值器发生联系。凡是两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统，均需采用比值控制系统。被控对象为电动阀支路的流量和变频器－磁力泵支路的流量，每个支路上分别装有流量传感器对支路的流量进行测量，电动阀支路的流量是系统的主动量Q1，变频器—磁力泵支路的流量是系统的从动量Q2。要求从动量Q2能跟随主动量Q1的变化而变化，无论主回路或从动回路都有各自的调节对象，测量变送元件和调节器。应3该指出，系统中尽管有两个调节器，它们的作用各不相同。调节器1和调节器2具有自己独立的设定值，分别控制主动量回路和从动量回路。2.4双闭环比值控制系统的特点双闭环比值控制系统能实现主动量的抗扰动、定值控制，使主、从动量均比较稳定，从而使总物料也比较平稳，这样，系统总负荷也将是稳定。双闭环比值控制系统另一优点是升降负荷比较方便，只需缓慢改变主动量控制器的给定值，这样从动量自动跟踪升降，并保持原来比值不变。双闭环比值控制系统中的两个控制回路是通过比值器发生联系的，若除去比值器，则为两个独立的单回路系统。事实上，若采用两个独立的单回路系统同样能实现它们之间的比值关系，但只能保证静态比值关系。当需要实现动态比值关系时，比值器不能省。双闭环比值控制所用设备较多、投资较高，而且运投比较麻烦，只有在工业特定要求（如严格控制两种物料比例）的情况下使用。2.5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，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，任一瞬时主动流量Q1和从动流量Q2所对应变送器的输出电流分别为I1=416max11QQ(1)4I2=416max22QQ(2)式中Q1max和Q2max分别为Q1和Q2最大流量值。设工艺要求Q2/Q1=K，则式（1）可改写为Q1=16)4(1IQ1max(3)同理式（2）也可改写为Q2=16)4(2IQ2max(4)于是求得12QQ=4412IImax1max2QQ(5)折算成仪表的比值系数K′为:K′=Kmax2max1QQ(6)三．单回路参数整定由于电动阀跟变频器控制下的磁力泵的过程传递函数是未知的，因此我们必须对这测出这两个被控对象特性。3.1被控对象特性测试方法通过分析建模可知，其数学模型为：51)(Q)()(10TsKssHsW(7)式中T=RC为水箱的时间常数，K为放大系数，K=R；C为水箱的容量系数。若令Q1(s)作阶跃扰动，即SXs0)(Q1，则H（S）=/1KTST×0XS=K0XS-0X1KST(8)对上式取拉氏反变换得h(t)=X0K(1-tTe)(9)当t—∞时，h（∞）=X0K，因而有K=h（∞）/X0=输出稳态值/阶跃输入当t=T时，则有h(T)=）（e-1K-10X=0.632X0K=0.632h(∞)(10)由上可知一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图3.1所示。当由实验求得图2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%。图3.1单容水箱的单调上升指数曲线所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐6标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。如果对象的阶跃响应曲线为图3.2，则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：H(S)=1sKeTs(11)图3.2单容水箱的阶跃响应曲线3.2电动阀传递函数测试电动阀输入与输出特性的方框图如图3.3所示：图3.3电动阀输入与输出特性方框图在t0时给电动阀的输入量，得出相应的曲线。如图3.4所示7图3.4电动阀的输入量特性曲线图K=3.8/0.4=9.5T=1.44所以电动阀的数学模型为H(S)=9.5/（1.44S+1）（12）3.3变频器——磁力泵传递函数测试变频器——磁力泵输入与输出特性的方框图如图3.5所示：图3.5磁力泵输入与输出方框特性图与电动阀传递函数相同，得出其相应曲线如图3.6所示：8图3.6磁力泵输入与输出特性曲线图K=6.4/0.4=16T=2.4所以变频器的数学模型为H（S）=16/（2.4S+1）（13）3.4用MATLAB进行仿真如图3.7所示为电动阀、变频器——磁力泵两个回路在MATLAB的仿真：9图3.7MATLAB仿真原理图仿真的响应曲线如图3.8和图3.9所示：图3.8主变量流量曲线图10图3.9副变量流量曲线图说明：左图为电动阀回路相应曲线，右图为变频器——磁力泵响应曲线，图中对Y轴上进行了放大，以更好地显示波形在1附近的变化情况，由观察可得，这种PI设置基本能够使响应曲线稳定在1左右。四．比值控制系统参数调节4.1比值控制系统参数的整定按单回路的镇定方法分别镇定调节器1、2的PID参数，但在具体操作中先整定调节器1的参数，待主回路系