双闭环流量比值控制比值的课程设计任务书.docx

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双闭环流量比值控制比值的课程设计任务书

一、设计题目

双闭环流量比值控制

二、主要内容

熟悉THJ-2型高级过程控制系统实验装置，获取电动阀支路的流量和变频器－磁力泵支路的流量曲线，利用实验建模法求出它们的数学模型。

根据串级控制，选择合适的调节器控制规律，并在Matlab上进行仿真。

最终在过程控制系统实验装置平台上完成实际系统的调试，并说明两种方法的所得结果的差别。

三、具体要求

1.从组成、工作原理上对工业型传感器、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。

6.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。

四、进度安排

第一周

分组；查找资料；对象模型的获取，Matlab仿真

第二周

系统调试，撰写课程设计报告，答辩

五、完成后应上交的材料

课程设计报告。

六、总评成绩

指导教师签名日期年月日

系主任审核日期年月日

目录

一、被控对象以及仪器仪表的描述

二、控制方案选择及其论述，控制系统方框图及其说明

三、对象的特性曲线测试，对象的数学模型

四、matlab仿真

五、控制系统连线示意图及说明，并且记录最佳控制结果的调节器参数以及结果曲线

六、心得体会

一、被控对象以及仪器仪表的描述

1.1系统简介

“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”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、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—反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。

1.2被控对象

由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接有机玻璃圆筒形水箱、4.5千瓦电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成）、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管道组成。

水箱：

包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。

上、中、下水箱采用优质淡蓝色圆筒型有机玻璃。

上、中水箱尺寸均为：

d=25cm,h=20cm；下水箱尺寸为：

d=35cm,h=20cm。

水箱结构非常独特，有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。

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。

储水箱是采用不锈钢板制成，尺寸为：

长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝完全能满足上、中、下水箱的实验需要。

1.3检测装置

流量传感器、转换器：

流量传感器分别用来对电动调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。

涡轮流量计型号：

LWGY-10，流量范围：

0～1.2m3/h，精度：

1.0%。

输出：

4～20mA标准信号。

本装置用了三套涡轮流量传感器、变送器。

1.4执行机构

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。

电动调节阀型号为：

QSVP-16K。

具有精度高、控制单元与电动执行机构一体化、操作方便等优点，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。

变频器：

本装置采用日本三菱变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，～220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

水泵：

本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。

本装置采用两只磁力驱动泵。

一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

1.5控制器

本实验装置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。

图1.1实验装置总貌图

二、控制方案选择及其论述，控制系统方框图及其说明

2.1控制方案选择

在现代工业生产过程中，经常遇到生产工艺要求两种或多种物料流量成一定比例关系的问题，一旦比例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。

如硝酸生产中的氨氧化炉，其进料是氨气和空气，两者的流量必须具有一个合适的比例，因为氨在空气中的含量，低温时在15～28％之间，高温时在14～30％之间都有可能产生爆炸的危险，严格控制其比例，使其不进入爆炸范围，对于安全生产来说十分重要。

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。

2.2控制系统方框图

图2.1双闭环比值控制

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。

。

双闭环比值控制系统的特点与分析

双闭环比值控制系统能实现主动量的抗扰动、定植控制，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。

双闭环比值控制系统设计中的几个问题

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=

（1）

I2=

（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=

Q1max（3）

同理式

（2）也可改写为

Q2=

Q2max（4）

于是求得

=

（5）

折算成仪表的比值系数K′为:

K′=K

（6）

三、对象的特性曲线测试，对象的数学模型

3.1由分析法建模可知，单容水箱的数学模型为：

=

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Q1（s）=

，则

H（S）=

×

=K

-

对上式取拉氏反变换得

h（t）=KX0（1-

）

当t—>∞时，h（∞）=KX0，因而有

K=h（∞）/X0=输出稳态值/阶跃输入

当t=T时，则有

h（T）=KX0（1-e-1）=0.632KX0=0.632h（∞）

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2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，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）=

。

图3.2单容水箱的阶跃响应曲线

3.2电动阀特性曲线测试

图3.3电动阀特性曲线

K=0.38/0.4=0.95

T=1.44

所以电动阀的数学模型为

H（S）=0.95/（1.44S+1）

3.3变频器特性曲线测试

图3.4变频器特性曲线

K=6.4/0.4=16

T=2.4

所以变频器的数学模型为

H（S）=16/（2.4S+1）

四、matlab仿真

图4.1matlab仿真图

图4.2主回路和副回路输出的波形图

五、控制系统连线示意图及说明，记录最佳控制结果的调节器参数以及结果曲线

5.1接线示意图

实验前，要对被控对象及其控制系统所涉及的仪器仪表有清楚的认识。

先将储水箱中贮足水量，电动调节阀可以通过阀F1-1、磁力泵、F1-2、F1-8流至下水箱。

变频器—磁力泵支路可以通过阀F2-1、变频器控制的磁力泵、阀F2-5流至下水箱。

两个支路的流量传感器分别为FT1与FT2。

AI智能调节仪1设置参考：

;Sn=33;CF=0;ADDR=1;SV=15；diH=100;dil=0;调节仪2：

Sn=32;CF=8;ADDR=2;diH=100;dil=0;

电动调节阀使用：

电动阀上电后切不可用手来旋转黑色手轮，断开控制信号后，阀位有保持功能，也不可旋转手轮，只有在断开AC220V后，才可使用手动，在一般情况下无须手动。

接线说明：

图形部分（强电）

图形部分（弱电）

图5.1接线图

①强电部分：

三相电源输出u、v、w接到380v磁力泵的输入u、v、w端；变频器输出端A、B、C接到220v磁力泵输入A、B、C端；单相Ⅰ的L、N并联接到调节仪1和调节仪2的L、N端；单相Ⅱ的L、N端接到电动调节阀电源的L、N端；单相Ⅲ的L、N端接到比值器电源的L、N端；

②弱电部分：

电动阀支路流量FT1信号并联接到调节仪1的1、2输入端和比值模块电压输入1的+、-端，比值模块的电压输出+、-端对应接到调节仪2的1、2端，FT2信号+、-端对应接到调节仪2的3、2输入端；调节仪1的输出7、5端对应接到电动调节阀控制信号+、-端，调节仪2的输出7、5端对应接到变频器4～20mA控制信号输入+、-端，变频器STF端、SD端和RH端短接；24v电源输出+、-端接到流量计电源输入+、-端。

变频器使用：

开启变频器后，其指示灯会自动工作在“EXT”外部控制状态下，当我们设置好参数（P30=1，P53=1，P62=4）选择正转（将STF和SD短接）再将DC4~20mA控制信号给到变频器信号输入端子去，就可以自动控制了，其中0~5V电压输入不可用。

手动控制频率时，可在控制信号线和正反转短接线都拔下的情况下，按下“PU/EXT”按钮，就可将变频器的工作状态从EXT切到PU状态下，将频率调到某一值，按下“SET”键，这时会有F和设定值交替闪烁3秒的状态，表示设定成功，按下“RUN”键，变频器会自动运行到设定频率，在运行状态下，可通过旋转频率设定器来调整当前运行频率。

注意切不可在变频器带电机运行时，拔下任一根强电输入输出线，造成变频器在运行状态下突然断电或电机缺相，先将变频器停止（按下“STOP”）键，再在断开变频器输入电源的情况下接线。

磁力驱动泵1为380V磁力驱动泵，磁力驱动泵2为220V磁力驱动泵。

本实验采用变频器控制泵打水，所