流量控制系统的设计与仿真毕业论文.docx
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流量控制系统的设计与仿真毕业论文
流量控制系统的设计与仿真毕业论文
1绪论
1.1选题的意义
流量控制系统在生产工业和过程控制中有着极其重要的作用，设计一套好的流量控制系统不仅能够帮助企业更好的管理进水出水流量以进一步控制管理生产过程，还能节约水资源、帮助企业实现水的循环多次使用。
对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。
流量的检测和控制在化工、能源电力、冶金、石油等领域应用广泛。
人们为了控制大气污染，必须对污染大气的烟气以及其他温室气体排放量进行监测；废液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人们必须对废液和污水进行处理，对排放量进行控制。
于是数以百万计的烟气排放点和污水排放口都成了流量测量对象。
同时在科学试验领域，需要大量的流量控制系统进行仿真与试验。
1.2国内外研究现状
计算机技术在闸门开关自动化中的运用是从上世纪才开始发展起来的。
20世纪40年代是几乎主机与控制一体的直接控制。
50年代引进远方控制技术，大多采用电磁式、机械式继电器。
60年代集中化技术被普遍应用，出现了远距离集中监控，进而实现大范围控制。
到了20世纪70年代，计算机发展程度较高，在发达国家过程控制自动化得到了普遍应用。
进入20世纪80年代，随着微电子技术、计算机技术、数据通信技术和自动控制理论的迅猛发展，计算机技术在流量自动控制系统中已占压倒优势。
90年代计算机大量应用于流量自动控制系统，各种软件应运而生，在技术或价格上已不存在任何问题。
流量控制系统的核心是控制算法，控制算法是处理输入和控制输出的逻辑处理过程。
在流量的自动控制中出现了先后出现了“经典控制理论”、“现代控制理论”、“智能控制理论”三大部分。
分别适用于不同的控制系统。
PID是最早发展起来的控制策略，算法简单、可靠性高。
美国调水工程由水资源部统一管理运行，控制系统包括计算机、通信和电子设备。
该系统可对泵站和电厂，节制闸的闸门和其他各种设备、实施实行计算机通信、监控、监测和调度。
日本水管理几乎全部实现了自动化。
工程设施和自动化设备均由明确的使用期限，一般规定10~20年更新一次。
监控系统大都采用集中管理的分层分布式结构，即在一个水系上设有中央管理站，采用计算机和遥测、遥控装置对各种泵站、水工建筑物、渠道等进行集中控制，以达到水资源综合利用的目的。
我国当前水力计算机控制系统采用分层分布式的功能结构，分为主控级（上位机）、控制级（现地控制单元、现地采集单元），主控级采用双机互为热备用的方式。
监控系统由主控计算机和现地单元级的人机接口，现场控制、采集单元根据地理条件采用现场总线、无线传输等通讯方式。
从以上分析可以看出，我国当前水利工程计算机控制系统体系结构与国外没有差别，但在管理与控制网络上还不够统一和规范，还有一些细节问题上还需要在具体使用环境下做详细的研究、设计和规划，力求达到设计最优、成本最低、运行可靠、操作简单、维护方便等特点。
1.3主要研究内容
通过运用MATLAB与SIMULINK仿真系统，验证几种不同的流量控制方案，从中选择一种较好的控制方案，再根据THJ-2型高级过程控制装置对流量这一被控对象进行一系列的控制实验所获得的数据，通过解析法或实验法获取被控对象的传递函数，在力控人机界面设计模拟控制系统并显示控制效果。
2设计软件及设备简介
2.1THJ-2型过程控制装置简介
THJ-2型高级过程控制装置是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置，该系统包括流量、温度、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————反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。
本装置还可根据需要设计构成DDC，DCS，PLC,FCS等多种控制系统。
本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成。
系统动力支路分两路：
一路由三磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计以及手动调节阀组成；另一路由日本三菱变频器、三项磁力驱动泵、涡轮流量计及手动调节阀组成。
被控对象：
水箱。
包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。
上中下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶液位单回路控制实验和双闭环、三闭环液位串级控制等实验。
检测装置由流量传感器和转换器组成，流量传感器分别用来对电动调节阀支路、变频之路及盘管出口支路的流量进行测量。
执行机构是电动调节阀、变频器、水泵、电磁阀。
电动调节阀采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。
变频器输出用来驱动三相磁力驱动泵。
水泵采用磁力驱动泵，本装置采用两只磁力驱动泵。
电磁阀在苯装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。
本装置的基本配置的控制器有调节仪表、比值器\前馈—反馈补偿器、解耦装置。
（还可根据需要扩展远程数据采集和PLC可编程控制系统）比值器、前馈—反馈装置，此控制器与调节器一起使用可以实现流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统试验。
解耦控制装置与调节器一起使用可以实现锅炉内胆与锅炉夹套的温度、上水箱液位与出口温度的解耦控制系统实验。
2.2力控组态软件简介
图2.1力控图标
北京三维力控科技有限公司是专业从事监控组态软件研发与服务的高新技术企业，核心软件产品初创于1992年，公司以自主创新为动力，逐渐奠定了在国内市场的领先地位。
国产监控组态软件唯一的完整的冗余与热备体系设计，完整的分布式网络结构，持控制设备冗余、多重网络冗余，多客户端冗余、冗余的主从站都可以操作，机监控图形界面与过程数据处理分离，内置独立的实时历史数据库。
图2.2力控主界面
实时历史数据库支持Windows/Unix/Linux操作系统，数据库开放接口支持远程访问；软件具备独立的WebServer，支持WebService接口，支持PDA终端访问方式；和设备支持多种通讯方式，上千种的驱动程序，支持多协议设备共用一条通讯总线，支持不同通讯链路切换。
力控组态软件特点：
方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等）的图片，方便画面制作，大大降低了组态开发的工作量；高性能实时、历史数据库，快速访问接口在数据库4万点数据负荷时，访问吞吐量可达到20000次/秒；强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能；支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏；全新的、灵活的报表设计工具：
提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：
脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板；提供在Internet/Intranet上通过IE浏览器以“瘦”客户端方式来监控工业现场的解决方案；支持通过PDA掌上终端在Internet实时监控现场的生产数据，支持通过移动GPRS、CDMA网络与控制设备或其它远程力控节点通讯支持控制设备冗余、控制网络冗余、监控服务器冗余、监控网络冗余、监控客户端冗余等多种系统冗余方式。
全新的高性能实时、历史数据库。
进程管理器：
可按照配置安全启动、停止各个程序进程，支持进程异常自动处理功能。
可远程监测各进程状态，远程启、停进程，远程上传、下载工程应用或更新程序组件。
图2.3力控进程管理界面
报警、事件处理：
强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功。
功能强大的、开放的过程可视化监控平台。
报表生成器：
提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：
脚本调用和事件脚本。
兼容Excel工作表文件，提供类Excel的绝大部分功能，包括：
编辑功能、计算功能、图表功能等。
支持图表显示自动刷新，可输出多种文件格式：
Excel、TXT、PDF、HTML、CSV等。
可实现多层表头，可以实现报表嵌套，可以制作复杂的报表格式。
具备打印、打印预览、页眉页脚打印功能。
报表实时数据库和各种关系数据库，可显示、处理实时和历史数据。
提供报表设计器，可以设计多套报表模板。
图2.4力控图库
力控组态软件的图库丰富，新版本更重新设计、开发实时和历史趋势、XY曲线、多功能报警、历史报表、总貌画面、温控曲线、ADO历史曲线等标准组件。
新增多功能图片显示、GIF透明动画、CAD图形组件等实用图形工具。
优化、改造了文本输入、下拉框、列表框、复选框、多选按钮、起始时间、时间范围、历史追忆等Windows控件。
优化、改造了多媒体播放器、Flash播放器、浏览器、幻灯片等子图。
增加了大批如：
PID调节器、手操器等实用子图。
2.2matlab与simulink编程软件介绍
MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。
是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。
它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。
在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。
可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户直接进行下载就可以用。
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
Simulink与MATLAB®紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
图2.5MATLAB界面图
3流量控制系统设计方案
3.1总体设计框架
图3.1总体设计框图
3.2流量控制系统的工作原理
本次设计内容分为两部分：
单流量控制系统和流量比值控制系统。
单流量控制系统的控制目的是要使被控流量与设定流量相等，并且在simulink仿真系统里添加扰动的情况下根据对应的控制传递函数进行对应的变化并最终趋近于设定流量。
系统的被控对象为管道阀门，通过改变阀门开度控制系统流量。
流量比值控制系统需要主动量和从动量两个变量，从动量随着主动量的变化进行变化，同时这种变化呈现一种稳定的比值关系。
4方案仿真验证
本次设计的主要内容由于涉及比值控制系统，由于一些系统不能消除自身振荡，总出现一些随机变化，导致控制结果不稳定，所以在比较各种比值控制系统的过程中需要仿真验证各个方案的可行性和差别，以此来选择较好的控制方案。
在比值控制方案方面可初步选择单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统进行比较。
而单流量控制系统则不存在这些问题。
4.1单闭环流量控制系统的simulink仿真方案
首先虚拟一个单闭环流量控制系统的传递函数，设
传递函数的参数是随机设定的。
在仿真阶段只要比较更好的控制效果即可，不需要知道确切传递函数的参数。
单流量控制系统仿真界面：
图4.1simulink单回路流量仿真
利用假定产生的传递函数，根据阶跃输入，调节PID控制器的参数，从示波器的输出响应曲线观察单回路流量控制系统的稳定性。
4.2传递函数的参数整定
控制器参数整定：
指决定调节器的比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td和采样周期Ts的具体数值。
整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。
整定调节器参数的方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。
理论计算整定法有对数频率特性法和根轨迹法等；工程整定法有凑试法、临界比例法、经验法、衰减曲线法和响应曲线法等。
工程整定法特点不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握。
4.2.1凑试法
采用凑试法，按照先比例（P）、再积分（I）、最后微分（D）的顺序。
置调节器积分时间Ti=∞，微分时间Td=0，在比例系数Kp按经验设置的初值条件下，将系统投入运行，由小到大整定比例系数Kp。
求得满意的1/4衰减度过渡过程曲线。
引入积分作用（此时应将上述比例系数Kp设置为5/6Kp）。
将Ti由大到小进行整定。
若需引入微分作用时，则将Td按经验值或按Td=（1/3～1/4）设置，并由小到大加入。
将TD置0，Ti调到最大，Kp从小到大输入数值并调节。
得到较好的衰减过渡过程曲线。
4.2.2临界比例度法
闭环控制系统中，首先使Ti、Td置0，让调节器处于纯比例作用下，然后再从小到大调节比例系数，此时得到等幅振荡的比例成为临街比例度系数Ku。
而又知道两个相邻波峰之间的距离即为振荡周期。
临界比例度法整定PID参数的步骤：
1）、将调节器的积分时间Ti置于最大（Ti=∞），微分时间置零（Td=0），比例系数Kp适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行。
2）、将比例系数Kp逐渐增大，得到等幅振荡过程，记下临界比例系数Ku和临界振荡周期Tu值。
3）、采用经验公式，根据Ku和Tu值，计算出调节器Kp、Ti和Td的值。
按“先P再I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算值上。
若还不够满意，可再作进一步调整。
临界比例度法整定注意事项：
有的过程控制系统，临界比例系数很大，使系统接近两式控制，调节阀不是全关就是全开，对工业生产不利。
有的过程控制系统，当调节器比例系数调到最大刻度值时，系统仍不产生等幅振荡，对此，就把最大刻度的比例度作为临界比例度进行调节器参数整定。
表4.1临界比力度法整定计算公式
调节器参数
控制规律
δ
TI
TD
P
2δk
PI
2.2δk
TK/1.2
PID
1.6δk
0.5Tk
0.25Tk
4.2.3阻尼振荡法
在闭合控制系统中，把调节器的积分时间TI置于最大，微分时间TD置零，比例度δ置于较大数值反复做给定值扰动实验，并逐渐减少比例度，直至记录曲线出现4：
1的衰减为止。
记录下此时的4：
1衰减比例度δk和衰减周期Tk。
根据以下经验公式计算调节器参数：
表4.2阻尼振荡整定计算公式
调节器参数
控制规律
δ
TI
TD
P
δS
PI
1.2δS
0.5TS
PID
0.8δS
0.3TS
0.1TS
本设计采用阻尼振荡法。
根据上述步骤，首先将积分时间Ti调到最大，而微分时间常数Td调为0.而比例系数较大。
则有，传递函数的参数中，I值为0，K值比较小。
首先根据MATLAB的单回路流量控制仿真图做出阶跃响应曲线图如下：
图4.2整定前单流量控制系统曲线图
根据步骤，调整I值和K值，使曲线衰减比近似4:
1，调整数据如下：
参数：
K=12.衰减比近似4:
1.周期大约为0.5S。
根据上述公式，可得到PID参数：
K1=12.5.Ti=300.Td=0.02.
参数整定后系统曲线图如下：
图4.3参数整定后单流量系统曲线图
4.3单闭环流量比值控制系统的仿真方案
既然是单回路的比值系统，那即是调节器控制输入流量直接进行比值变化，假定比值系数为一个定值，模拟一个单回路流量比值控制系统，根据上面的经验，设计MATLAB仿真界面如下：
图4.4单回路比值控制系统仿真方案
图中比值系数K取常数值，比如3。
则系统曲线图未整定前如下：
图4.5参数整定前单闭环流量比值控制曲线图
将TD置0，Ti调到最大，Kp从小到大输入数值并调节。
得到较好的衰减过渡过程曲线。
图4.6PID整定运行曲线2
在8秒加入扰动，可见系统曲线如图：
图4.7单闭环比值控制系统加入扰动后
由此图可见,由于主动量是开环，易受干扰，扰动对系统影响较大，并且超调过高，在扰动后振荡还无法消除，使得从动量受到的影响过大，因此不够稳定。
4.4双闭环流量比值控制方案
设计两条回路，主副回路分别是主动量和从动量输出，主回路输出流量为主控流量Q1，副回路输出流量为从动流量Q2。
根据系统要求，Q2与Q1呈现比值关系。
其中比值器数值K为一个常数，同上，取3.则设计双闭环流量比值控制方案仿真界面：
图4.8双闭环比值控制方案仿真图
分别对Q1、Q2两个输出流量的PID调节器进行参数整定。
使系统控制效果达到预期的比值关系。
改变PID参数，使得Q1稳定曲线图如图4.9所示：
图4.9双闭环比值控制系统Q1曲线
Q2的稳定曲线如图4.10所示：
图4.10双闭环比值控制系统Q2曲线
利用同样的原理，在相同时刻加入相同扰动，观察系统稳定性。
加入扰动后Q1流量曲线图：
图4.11扰动后Q1曲线图
Q2曲线：
图4.12扰动后Q2曲线
根据比较，双闭环比值控制系统在消除自身振荡方面比较优越，同时在添加扰动之后超调较小。
单闭环比值控制系统的自身振荡不能消除，从而导致从动量跟着主动量的波动一起变化，使该系统控制后的流量不是一个定值。
显然双闭环比值控制系统较好的避免了这一缺点。
因此本次毕业设计采用双闭环流量比值控制系统。
5控制方案传递函数的获取
5.1单回路流量控制系统实验
设计通过改变调节阀开度，增减水箱的流入水量大小，从而达到两个流量的稳定关系。
主控流量Q1作为流程的输入量，被控流量Q2作为流程输出量，静态时Q1=Q2，当Q1发生变化时Q2也随之变化，控制目的要求Q2趋近于Q1。
假设水箱液位为h，水箱截面积为A。
根据动态物料平衡：
Q1-Q2=A（dh/dt）
Q1-Q2=A（dh/dt）
则有：
Q1=Q2+A（dh/dt）。
Q1=Q2+A（dh/dt）。
传递函数为：
W（s）=Q2（s）/Q1（s）=K/（TS+1）.其中T为时间常数。
K为放大系数。
利用阶跃响应实验法，增减水箱的流入水量大小，从而改变水箱流出阀门实现对被控流量的阶跃信号输出。
根据结构图连接实验线路，手动操作调节器,控制调节阀开度，初始开度OP1=30,等到水箱的液位处于平衡位置时，即流出流量和流入流量达到平衡。
改变调节阀开度到OP2=40,即对上水箱输入阶跃信号，使流入流量阶跃变化，其液位离开原平衡状态。
经过一定调节时间后，水箱液位重新进入平衡状态，流出流量和流入流量重新达到平衡。
根据实验获得一组单流量阶跃控制数据:
表5.1输入流量阶跃响应数据表
1
1.85
6
11.78
11
20.12
2
3.98
7
14.21
12
19.87
3
5.97
8
16.13
13
20.02
4
8.01
9
17.99
14
19.65
5
10.35
10
19.98
15
20.11
5.2单流量控制系统传递函数获取
根据参数表，利用MATLAB绘图：
>>x=0:
1:
15；
>>y=[01.853.985.978.0110.3511.7814.2116.1317.9919.9820.1219.8720.0219.6520.11]；
>>p=plot（x,y）；
图5.1单流量控制系统输入输出数据图
阶跃响应扰动值为10，则静态放大系数K=阶跃响应曲线的稳态值
与阶跃扰动值
之比K0=
/
.=2.01.取t=T0、2T0、3T0。
求出T=10.传递函数为G1（s）=2.01/（10s+1）.
5.3双闭环比值控制系统实验
5.3.1比值系数运算
设流量变送器的输出电流和输入电流间成线性关系，当流量Q1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=Q1/Q1max*16+4
（1）
I2=Q2/Q2max*16+4
（2）
式中Q1max和Q1max分别为Q1和Q2最大流量值。
根据上面数据表，设最大流量值分别为20和20.12.K1值为2.01。
假定设计要求Q2/Q1=k,则式
（1）可改写为
Q1=（I1-4）/Q1max（3）
同理式
（2）也可改写为
Q2=（I2-4）/Q2max（4）
于是求得
Q2/Q1=（I2-4）/（I1-4）*Q2max/Q1max
折算成仪表的比值系数K1为：
K1=K*Q1max/Q2max
即比值控制器的比值系数K1=2.01*20/20.12≈2.
5.3.2比值控制系统传递函数获取
根据比值系数，控制下方阀门开度，可获得一组流量变化数据。
比值控制系统数据表如下：
表5.2比值控制系统数据表
1
1.98
7
14.56
13
26.52
19
38.12
25
50.05
31
59.99
2
4.13
8
16.87
14
29.01
20
40.02
26
52.14
32
60.05
3
6.02
9
18.88
15
30.34
21
42.01
27
54.02
33
61.02
4
8.10
10
20.10
16
33.10
22
44.13
28
56.01
34
60.12
5
10.23
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