单闭环流量比值控制系统设计Word格式文档下载.docx
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5.2.2积分控制对控制性能的影响20
5.2.3微分控制对控制性能的影响22
5.3控制系统的整定23
5.3.1控制系统整定的基本要求23
5.3.2调节器参数的整定方法23
5.4调节器参数的整定及调试25
总结28
参考文献29
1设计背景
石油炼制生产过程中，把两种或两种以上基础组分油与各种添加剂按一定比例均匀混合，从而成为一种新产品的过程称为调和。
油品调合主要是指汽油、柴油、润滑以及原油等的调和。
汽油调和是炼厂利用生产的各种汽油组分，按某种比例配方和添剂均匀混合，得到符合质量标准的汽油产品的过程。
它是汽油成品出厂的最后一道工和炼厂生产成品油的最后一个环节，也是保证汽油质量指标满足环保和质量规格要求重要手段，调和效益在生产企业的经济效益中占有举足轻重的地位。
在各种生产过程中，经常遇到生产工艺要求两个或两个以上参数成一定的比例关系，一旦比例失调，就会影响生产的正常运行。
例如在锅炉的燃烧系统中，要保持送进炉膛的风量和燃料成一定的比例，以保证燃烧的经济性。
通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量，另一个是从动量或辅助量。
由于物料通常是液体，因此称主动量为主流量Q1从动量为副流量Q2。
Q1与Q2之间的关系为Q2＝KQ1式中，K为比值系数。
因此，只要主副流量的给定值保持比值关系，或者副流量给定值随主流量按一定比例关系而变化即可实现比值控制。
通过以上分析可见，在配料过程中对生产产品的各种原料的比值进行控制显得尤为重要，常用比值控制来解决此类问题。
比值控制的目的就是为了实现使几种物料混合符合一定比例关系，使生产能安全正常进行。
配料精度的高低制约着整个生产的产品质量和产量，所以应对配料过程的控制给予足够重视。
2比值控制系统概述
2.1比值控制系统定义
在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。
通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之流量比值控制系统。
比值控制系统可分为：
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，串级和比值控制组合的系统等。
2.2比值控制原理
通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量，另一个是从动量或辅助量。
Q1与Q2之间的关系为
Q2＝KQ1（2-1）
式中，K为比值系数。
2.3比值控制系统特点
比值控制系统的特征:
是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。
1.主物料，也称为主动量:
在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料，称为主物料（主动量），因为在过程控制中经常保持比例的参数是流量，故常用Q1表示。
2.从物料，也称为从动量:
另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料称为从物料（从动量），常用Q2表示。
3.比值系数：
若两物料的比值系数设定为K，则有：
（2-2）
2.4比值控制系统的类型
比值控制系统按比值的特点可分为定比值和变比值控制系统。
两个或两个以上参数之间的比值是通过改变比值器的比值系数来实现的，一旦比值系数确定，系统投入运行后，此比值系数将保持不变（为常数），具有这种特点的系统称为定比值控制系统。
如果生产上因某种需要对参数间的比值进行修正时，需要人工重新设置新的比值系数，这种系统的结构一般比较简单。
两个或两个以上参数之间的比值不是一个常数，而是根据另一个参数的变化而不断的修正，具有这种特点的系统称为变比值控制系统，这种系统的结构一般比较复杂。
比值控制系统按结构特点可分为简单比值和复杂比值控制系统。
比值控制系统可笼统分为：
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、串级比值及变比值控制系统等。
下面简单介绍这五种控制系统[4]。
2.4.1开环比值控制系统
开环比值控制系统是结构最简单的比值控制系统，其工艺流程图和原理方块图如图2.1所示。
其中FT为检测变送器，FC为比值控制器。
（1）工艺流程图
（2）原理方框图
图2.1开环比值控制系统
由原理方块图我们可以总结开环比值控制系统的特点如下：
1）当系统处于稳定工作状态时，两物料的流量满足比值关系。
2）当主动量受到干扰而发生变化时，系统通过比值器及设定值按比例去改变控制阀的开度，调节从动量使之与主动量仍保持原有的比例关系。
3）当从动量受到外界干扰（如温度、压力扰动）波动时，由于是开环控制，没有调节从动量自身波动的环节，也没有调整主动量的环节，故两种物料的比值关系很难保持不变，系统对此无能为力。
开环比值控制是理解比例控制工作机理的基础，在实际工程上很少应用。
2.4.2单闭环比值控制系统
单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变。
工艺流程图及原理框图如图2.2所示。
（1）工艺流程图
（2）原理方框图
图2.2单闭环比值控制系统
1.单闭环比值控制系统原理
单闭环比值控制系统是由两个信号即主流量
、副流量
，两个变送器、调节器、执行机构和一个以
作为反馈信号的闭环回路组成。
在稳定时，能实现主、副流量的工艺比值的要求，即
（K为常数）。
系统原理框图如图6-3所示。
当主流量
不变、而副流量
受到扰动时，则可通过副流量的闭合回路进行定值控制。
主流量调节器
的输出作为副流量的给定值。
受到扰动时，
则按预先设置好的比值使其输出成比例变化，即改变
的给定值。
根据给定值的变化，发出控制命令以改变调节阀的开度，使副流量
跟随主流量
而变化，从而保证原设定的比值不变。
当主副流量同时受到扰动时，调节器
在克服副流量扰动的同时，又根据新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副流量在新的流量数值的基础上，保持其原设定值的比值关系。
它不但可以实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。
可见，该系统能确保主、副两个流量的比值不变，同时，系统的结构又较简单，方案实现起来方便,仅用一台比值器或比例调节器即可，因而在工业过程自动化中广泛应用[5]。
2.单闭环比值控制系统的四种工作情况：
（1）当系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。
如图2.3单闭环比值控制系统的原理框图，由图可知：
稳态时：
（2-3）
（2-4）
图2.3单闭环比值控制系统的原理框图
当
不变，
受到扰动时，闭合回路进行定值控制。
输出变化，
跟随
变化，保证原设定的比值不变。
单闭环比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料间的比值要求较精确的生产过程。
（2）当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路调整副物料流量使之恢复到原设定值，保证主、副物料流量比值一定。
（3）当主物料流量受到扰动变化，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成比例变化，即改变给定值，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量而变化，从而保证原设定的比值不变。
（4）当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持原设定值的同时，系统又根据主物料流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副物料流量在新的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。
总之,单闭环比值控制系统虽然能保持主、副物料流量比值不变，但是无法控制主物料的流量不变，因此，对生产过程的生产能力没有进行控制。
该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。
3单闭环流量比值控制系统方案设计
3.1系统方案设计
系统结构图如图3.1（a），方框图如图3.1（b）所示
（a）结构图（b）方框图
图3.1单闭环流量比值控制系统
该系统中有两条支路，一路是来自于变频器—磁力泵支路的流量Q1，它是一个主流量；
另一路是来自于气动调节阀支路的流量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，而且两者之间保持一个定值的比例关系，即Q2/Q1=K。
3.2系统硬件设计
1、水箱
包括下水箱和储水箱。
下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高。
下水箱尺寸为：
d=35cm，h=20cm。
水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。
储水箱尺寸为：
长×
宽×
高=68cm×
52㎝×
43㎝。
储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。
2、调节阀
气动调节阀是由气动执行机构和阀两部分组成的，气动执行机构是接收输入的气源信号，产生相应的推力，使推杆发生位移，推动阀门动作；
而阀是指与管路联接的阀体组件部分，它接受执行机构的推杆推力，改变阀杆位移，从而改变阀门开度，最终控制流体流量的变化。
系统采用SIEMENS带MPI通讯协议的气动调节阀，其型QS智能型电动调节阀QSTP-16K，电动执行机构接受4～20mA控制信号，改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、温度、流量、液位等参数的调节。
图3.2QS智能型电动调节阀
3、普通手动阀门
4、KYB压力变送器
KYB系列压力、液位变送器是在引进国外先进制造技术和设备并吸取了国外同类产品的先进工艺和关键零部件基础上发展起来的一个全新产品，可精确地连续测量液体、气体或蒸汽的压力，绝对压力或液位，并转换输出正比于被测量程的4～20mADC二线制标准信号。
5、磁力驱动泵
系统采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180w。
泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。
为三相380V恒压驱动。
6、变频流量计
7、管道
整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。
有效提高了实验装置的使用年限。
其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要换水时，将球阀打开让水直接排出。
8、电控箱内安装有如下主要部件：
（1）CPU316-2DP安装有：
1）微处理器;
处理器对每条二进制指令的处理时间大约为50ns，每个浮点预算的时间为0.45µ
s。
2）256KB工作存储器（相当于大约85K条指令）；
与执行程序段相关的大容量工作存储器可以为用户程序提供足够的空间。
作为程序装载存储器的微型存储卡（最大为8MB）也允许将可以项目（包括符号和注释）保存在CPU中。
装载存储器还可用于数据归档和配方管理。
3）MPI多点接口;
集成的MPI接口最多可以同时建立与S7-300/400或编程设备、PC、OP的16条连接。
在这些连接中，始终为编程器和OP分别预留一个连接。
通过“全局数据通讯”，MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络。
（2）I/O模块
SM323DI8/DO8*DV24
SIMATICS7-300的数字输入/输出模块，使控制器灵活地与任务相适应，用于连接数字传感器和执行元件。
SM326-1BH01-0AA0是8点输入，8点输出，可同时控制的输入点数，最高40°
C可同时控制的输入点数。
（3）变频器型号FR-0720S-0.4k-CHT。
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。
9、控制平台
1）PC机
2）CP5611（MPI）数据采集卡及其驱动程序。
西门子CP5611卡可以实现PC（计算机）与SIMATICS7之间的PROFIBUS/MPI通讯连接;
并且CP5611可支持以下软件:
STEP7V.52及以上；
SOFTNET-S7；
SOFTNET-DP；
及以上；
STEP7-Micro/WinV3.1及以上；
ProTool,ProToo/Pro；
NCMPC。
3）WinCC组态软件
4）STEP7软件
4上位机组态与程序设计
4.1组态软件WinCC
4.1.1WinCC简介
本设计用组态软件的是西门子公司的WinCC，它是WindowsControlCenter（视窗控制中心）的简称，是HMI/SCADA软件中的后起之秀。
WinCC是Siemens公司的一种功能强大的工业控制软件，是“真正开放的”HMISCADA软件。
它集成了SCADA、组态、脚本（Script）语言和OPC等先进技术，为用户提供了Windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能。
WinCC继承了西门子公司的全集成自动化（TIA）产品的技术先进性和无缝集成的特点。
WinCC运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选择，使用方便灵活，功能齐全。
用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、趋势曲线等。
它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。
WinCC的另一个特点在于它的整体开放性，它可以方便的与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要。
用户也可以将WinCC作为系统扩充的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应用系统。
WinCC由三大部分组成：
1、控制中心：
控制中心使用户通过WinCC应用进行浏览，并且对其数据进行一些操作。
从形式和操作上看，控制中心与Windows资源管理器相似。
3、系统控制器：
管理各站之间的系统通讯。
3、数据管理器：
在WinCC项目中用于处理中央任务的启动。
其主要任务是处理变量管理器，其通讯通道用于访问过程数据。
4.1.2WinCC的发展及应用
从面市伊始，用户就对SIMATICWinCC印象深刻。
一方面，是其高水平的创新，它使用户在早期就认识到即将到来的发展趋势并予以实现；
另一方面，是其基于标准的长期产品策略，可确保用户的投资利益。
依据这种战略思想，WinCC，这一运行于MicrosoftWindows2000和XP下的Windows控制中心，已发展成为欧洲市场中的领导者，乃至业界遵循的标准。
如果你想使设备和机器最优化运行，如果你想最大程度地提高工厂的可用性和生产效率，WinCC当是上乘之选。
突出的优点：
通用的应用程序；
适合所有工业领域的解决方案；
多语言支持，全球通用；
可以集成到所有自动化解决方案内；
内置所有操作和管理功能；
可简单、有效地进行组态；
可基于Web持续延展；
采用开放性标准，集成简便集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台；
可用选件和附加件进行扩展；
“全集成自动化”的组成部分。
图4.1组态监控画面
4.2上位机组态设计
如图4.2所示，主动量液体A的测出的流量值PV经过比值器，与PV2进行偏差运算，再进行PID运算。
系统一般在手动的情况下是不输出值的，若此时输出值，得到的结果不是预期要的，所以系统在手动的情况下PID控制无输出值输出，我们设计的这个系统在系统运行时默认是手动，只有在切换到自动的情况PID才有输出值输出。
图4.2系统组态图
4.3PLC程序设计
3PID参数整定及系统调试
3.1PID控制器
本设计采用PID控制算法，PID调节器的动作规律是
（5-1）
式中：
δ——比例带；
TI——积分时间；
TD——微分时间。
PID调节器的传递函数为：
（5-2）
不难看出，由式（6.3）表示的调节器动作规律在物理上是不能实现的。
工业上实际采用的PID调节器（如DDZ型调节器），其传递函数为
（5-3）
；
F——相互干扰系数；
KI——积分增益；
其中，带*的量——调节器参数的实际值；
不带*者——参数的刻度值。
3.1.1PID控制器的优点
PID是比例、积分、微分的缩写，PID控制器是应用最广泛的闭环控制器，有人估计现在有90%以上的闭环控制采用PID控制器。
这是因为PID控制具有以下的优点：
1、不需要被控对象的数学模型
2、结构简单，容易实现
3、有较强的灵活性和适应性
4、使用方便
现在已有很多PLC厂家提供具有PID控制功能的产品，例如PID闭环控制模块、PID控制指令和PID控制系统功能块等，它们使用简单方便，只需设定一些参数即可，有的产品还具有参数自整定功能。
3.1.2控制规律的选择
PID控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
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。
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系统有静差存在。
其传递函数为：
GC（s）=KP=
（5-4）
式中KP为比例系数，δ为比例带[6]。
2、比例积分（PI）调节
PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。
GC（s）=KP（1+
）＝
（1+
）（5-5）
式中TI为积分时间。
3、比例微分（PD）调节
这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。
因此一般不用于流量和液位控制系统。
PD调节器的传递函数为
GC（s）=KP（1+TDs）＝
（1+TDs）（5-6）
式中TD为微分时间[10]。
4、比例积分微分（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
+TDs）＝
+TDs）（5-7）
图5.1表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。
图5.1各种控制规律对应的响应过程
3.2PID控制器参数的调节及其对控制性能的影响
3.2.1比例控制对控制性能的影响
所谓比例调节规律，是指调节器输出的控制作用u（t）与其偏差输入信号e（t）之间成比例关系，
（5-8）
其中，
---比例增益。
比例调节器的传递函数：
（5-9）
工程中，常用比例带
来描述其控制作用的强弱，即
（5-10）
其物理意义是在调节机构的位移改变100%时，被调量应有的改变量。
比例调节器的阶跃响应曲线如下图5.2所示。
由图，在t
时刻前，系统处于稳定状态；
t
时刻偏差信号e（t）发生阶跃变化，对于定值控制系统，即被调量产生阶跃变化，调节输出控制作用u（t）将成比例的变化，而且几乎是同时产生的。
控制作用的变化目的是调节进入对象的流入量，消除不平衡流量，是被调量回到原来的值上。
从这一点看，比例调节规律的特点之一就是调节及时、迅速。
图5.2比例调节规律
由上图还可看出，在t
时调节过程结束，但偏差信号e（t）仍存在；
在系统受到扰动后，被调量偏离了其给定值，而出现偏差，调节器的调节使系统再次进入稳定状态，但偏差或大或小还要存在，否则偏差为零，控制作用也随之消失，干扰信号的存在就不可能使系统稳定下来。
调节过程结束，被调量偏差仍存在称为有差调节，这是比例调节规律的又一特点。
3.2.2积分控制对控制性能的影响
比例调节规律的特点是控制及时，控制作用贯穿整个调节过程，因此它是基本的调节作用。
然而比例调节不能保证系统无差，因此对于一些要求较高的控制（定值调节）还需引入积分调节规律，实现无差调节。
积分调节规律是调节器输出控制作用u（t）与其偏差输入信号e（t）随时间的积累值成正比，即
（5-11）
其传递函数形式：
（5-12）
式中
---积分时间。
积分调节器的阶跃响应如图5.3所示。
由图可以看出，当被调量出现偏差并成阶跃形式变化时，积分调节器输出的控制作用并不立即变化，而是由零开始线性增长。
从这一点看，积分调节作用是不及时的。
只要偏差信号存在，调节器输出旨在消除对系统影响的控制作用就一直增加，且其增长的速度始终为初始速度。
由下式可知：
（5-13）
上式表明，控制作用在积分时间TI越小时越强。
从响应曲线看，只要偏差存在，积分控制作用一直增加；
换言之，只有偏差为零时，积分作用才停止变化。
这表明系统达到再次稳定状态时，被调量的偏差必然为零。
积分调节规律的另一特点就是消除稳态偏差，实现无差调节，其控制作用体现在调节过程的后期。
描述比例积分调节规律的动态方程是：
（5-14）
---比例增益；
---积分时间
图5.3积分作用曲线
比例积分调节器的传递函数为：
（5-15）
综上分析，当被调量一旦偏离给定值出现偏差时，调节器立即输出一个与偏差成比例的控制作用，这是比例作用的结果；
随着时间的增长，控制作用线性增加，积分作用表现出来；
只要偏差存在，控制作用就一直增长下去，直至消除偏差时，控制作用才停
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