智能化流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

東北大學(xué)秦皇島分?？刂乒こ虒W(xué)院《過程控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：智能化流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生：專業(yè)：班級學(xué)號：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時間：2013.7.1-2013.7.6目錄31123一.設(shè)計(jì)任務(wù) 330003二．前言 326095四．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 587264.1設(shè)備的選型 5324604.1.1控制器的選型 5275724.1.2變頻器的選型 641814.1.3流量傳感器變送器的選型 6224924.2硬件電路 715030五．軟件設(shè)計(jì) 863445.1控制規(guī)律的選擇 845795.2MATLAB仿真 8140975.2.1傳遞函數(shù)的確定 8303895.2.2采用數(shù)字PID控制的系統(tǒng)框圖 922525.2.3基于臨界比例度法的PID參數(shù)整定 9136475.3程序編寫 1231825六．結(jié)束語 1615005七．參考文獻(xiàn) 176896附頁.Matlab仿真程序及原始圖表 17設(shè)計(jì)任務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成：系統(tǒng)主要由流量傳感器，PLC控制系統(tǒng)、對象、執(zhí)行器（查找資料自己選擇）等組成。傳感器、對象、控制器、執(zhí)行器可查找資料自行選擇，控制器選擇PLC為控制器。PLC類型自選。2、寫出流量測量與控制過程，繪制流量控制系統(tǒng)組成框圖。3、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)自選。4、編制流量測量控制程序：軟件采用模塊化程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由流量采集程序、流量校準(zhǔn)程序、流量控制程序等部分組成二．前言本課程設(shè)計(jì)來源于工業(yè)工程中對于流量的監(jiān)測和控制過程，其目的是利用PLC來實(shí)現(xiàn)過程自動控制。目前，PLC使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，涉及到所有與自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域。PLC通過模擬量I/O模塊和A/D、D/A模塊實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，并對模擬量進(jìn)行閉環(huán)控制。三．系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)圖3.1控制系統(tǒng)工藝流程圖如圖3.1所示為智能化流量控制系統(tǒng)的工藝流程圖，要求實(shí)現(xiàn)對管道中水流量的控制，該系統(tǒng)只有一個過程參數(shù)即管道的水流量，故可采用單回路控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制要求。該控制系統(tǒng)中，被控量為水的流量，控制量為水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制器選用PLC和變頻器,傳感變送器選用電磁流量傳感器，執(zhí)行器選用水泵電機(jī)。根據(jù)工藝流程圖畫出系統(tǒng)框圖，即圖3.2。圖3.2系統(tǒng)框圖從上圖看出，該控制系統(tǒng)分為：①控制機(jī)構(gòu)；②信號檢測變送機(jī)構(gòu)；③

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(l)控制機(jī)構(gòu)：本系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)包括控制器(PLC)和變頻器兩個部分?？刂破魇钦麄€流量控制系統(tǒng)的核心。將來自流量傳感變送器的測量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進(jìn)行一定規(guī)律（PID控制規(guī)律）的運(yùn)算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號,去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，以實(shí)現(xiàn)對過程量的自動控制。變頻器可以通過RS-485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，便于設(shè)備之間的通信，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵電機(jī))進(jìn)行控制；使用變頻器的作用就是為了調(diào)速，并降低啟動電流。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機(jī)調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。變頻器是對水泵電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤控制器送來的控制信號改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制(2)

信號檢測變送機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中傳感變送器選用電磁流量傳感器將工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)經(jīng)檢測變送單元轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號，需要檢測的信號包括管道水流量信號，其中水流量信號是本控制系統(tǒng)的主要反饋信號。該信號是模擬信號，在模擬儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號通常采用4-20mA、0-10mA電流信號、1-5V電壓信號、或者20-100kPa氣壓信號。讀入PLC時，需對輸入的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

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執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)由水泵和電機(jī)組成，即把水泵與電動機(jī)直接連接在一起，但不需要傳動軸。它具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，安裝、運(yùn)行成本低，維護(hù)方便，節(jié)能效果好，噪音低的有點(diǎn)。它用于將水供入管道，通過變頻器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制管道水流量的目的。

智能化流量控制系統(tǒng)以供水出口管道水流量為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口管道的實(shí)際流量跟隨設(shè)定的水流量。水流量的設(shè)定值可以是一個定值，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1設(shè)備的選型設(shè)計(jì)硬件選型的部分有：控制器、變頻器、水泵、流量傳感變送器。

4.1.1控制器的選型PLC控制器具有抗干擾能力強(qiáng)，擴(kuò)展模塊組合方便、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)，故該控制系統(tǒng)采用PLC作為控制器。由于水流量自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此，我們選用西門子S7-200系列PLC，該系列PLC結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。S7-200系列PLC可提供4種不同的基本型號的8種CPU供選擇使用.根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，并考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此，CPU選用西門子CPU224，其開關(guān)量輸出為10點(diǎn)，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入為14點(diǎn)，輸入形式為+24V直流輸入。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn)1個，模擬量輸出點(diǎn)1個，所以需要選擇擴(kuò)展模塊。S7-200系列PLC主要有6種擴(kuò)展單元，它本身沒有CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴(kuò)展I/O點(diǎn)數(shù)。模擬量擴(kuò)展模塊選用EM235，該模塊有4個模擬量輸入通道，1個模擬量輸出通道。4.1.2變頻器的選型選擇SiemensMicroMaster440變頻器，便于S7-200PLC和變頻器之間的通信。該系列變頻器專適用于三相交流電動機(jī)調(diào)速，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。MicroMaster440變頻器的輸入信號為380V交流電壓，輸出功率為0.75~90KW，適用于大功率高要求超所。該變頻器的優(yōu)點(diǎn)：①其輸出信號能作為75KW的水泵電機(jī)的輸入信號。②該變頻器可以通過RS-485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設(shè)備之間的通信。4.1.3流量傳感器變送器的選型流量傳感器器用于檢測管道中的水流量，通常安裝在的出水口，流量轉(zhuǎn)換器是將水管中的水流量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)?~20mA的模擬量信號，作為A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入，選型時，為減少傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用4~20mA輸出流量轉(zhuǎn)換器。

根據(jù)上述分析，本課設(shè)中選用電磁流量傳感器SHLDZ、電磁流量轉(zhuǎn)換器SHLDZ—1實(shí)現(xiàn)流量的檢測、顯示和變送。流量表測量范圍0—0.6m3/h，精度1.0。轉(zhuǎn)換器輸出4~20mA電流信號，該模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模后讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號，送給與CPU224連接模擬量模塊EM235，作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號。4.1.4執(zhí)行器的選型水泵電機(jī)的選型基本原則：①確保平穩(wěn)運(yùn)行；②選用的電機(jī)必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配，則電機(jī)經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。本課設(shè)的要求為：電機(jī)額定功率0.37KW,額定轉(zhuǎn)速為2800r/min。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求確定采用1臺SFL低轉(zhuǎn)速低噪音多級離心水泵電機(jī)（電機(jī)功率0.37KW）。SFL型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高5%以上；采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低(室外噪音60dB)、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水力模型先進(jìn)，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。4.2硬件電路五．軟件設(shè)計(jì)5.1控制規(guī)律的選擇PID控制是控制系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。它具有理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優(yōu)點(diǎn)。本控制系統(tǒng)采用離散PID控制規(guī)律。位置型離散PID控制規(guī)律表達(dá)式如下:式中：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。(1)

比例環(huán)節(jié)：快速調(diào)節(jié)有余差，P過大，系統(tǒng)穩(wěn)定性會變差

。(2)

積分環(huán)節(jié)：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時間有關(guān)。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。

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微分環(huán)節(jié)：改善動態(tài)性能，超前調(diào)節(jié)，預(yù)測功能。微分調(diào)節(jié)器不能單獨(dú)作用。5.2MATLAB仿真5.2.1傳遞函數(shù)的確定用MATLAB中的Simulink仿真該控制系統(tǒng)，整定PID參數(shù)。由于用Simulink仿真需要知道各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，經(jīng)查資料，找到變頻器，水泵電機(jī)，管道傳遞函數(shù)近似分別為：，，。傳感器傳遞函數(shù)為1。在Matlab中采用c2d函數(shù)將各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)離散化，轉(zhuǎn)化為差分方程。分別依次為：，，。傳感器的離散傳遞函數(shù)仍為1。當(dāng)不加任何控制器時，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如下圖3所示：圖5.1無控制器時階躍響應(yīng)曲線5.2.2采用數(shù)字PID控制的系統(tǒng)框圖由于采用PLC控制，所以采用離散PID控制。框圖如下圖所示圖5.2Simulink仿真框圖（離散化PID）5.2.3基于臨界比例度法的PID參數(shù)整定臨界比例度法整定離散PID參數(shù)的仿真數(shù)字PID的表達(dá)式為步驟概括：利用開環(huán)連續(xù)傳遞函數(shù)的根軌跡圖或勞斯定理求取系統(tǒng)等幅振蕩時（此時P=，I=0，D=0）的臨界比例度和臨界振蕩周期；根據(jù)臨界比例度法整定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)算式表，求出PID控制器理論上的最佳參數(shù)值；如果按以上參數(shù)整定，系統(tǒng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間等性能指標(biāo)還不符合要求，則要根據(jù)P、I、D參數(shù)大小對系統(tǒng)的影響，做適當(dāng)改變，以提高PID控制器的調(diào)節(jié)質(zhì)量。具體仿真方法：先令I(lǐng)=0，D=0，采樣周期取較小的值即 Ts=0.001，調(diào)整P，使階躍響應(yīng)曲線等幅振蕩，可知，當(dāng)臨界比例K=5.27時，響應(yīng)曲線等幅振蕩，響應(yīng)曲線如下圖5.2所示：圖5.2等幅振蕩曲線求得振蕩周期Tk=67.3取控制精度為1.50，查表計(jì)算得對應(yīng)該仿真模塊：，，然后根據(jù)實(shí)際響應(yīng)曲線調(diào)整參數(shù)(二次整定)為：P=3.0，I=0.025，D=0.01對應(yīng)，，對應(yīng)單位階躍響應(yīng)曲線如下所示：圖5.3二次整定單位階躍響應(yīng)曲線由圖5.3估算得：響應(yīng)超調(diào)量為15.3%，3%誤差帶調(diào)節(jié)時間4.7s，所以調(diào)節(jié)質(zhì)量較好。5.3程序編寫5.3.1PLC寄存器分配5.3.2程序流程圖子程序開始主程序開始 子程序開始主程序開始 設(shè)置PID參數(shù)：回路增益Kc=3.0設(shè)置PID參數(shù)：回路增益Kc=3.0裝入回路采樣時間T=6s積分時間Ti=40s微分時間Td=0.01s裝入回路設(shè)定值為1開始掃描，啟動子程序開計(jì)時器時間是否到達(dá)?計(jì)時器時間是否到達(dá)? N子程序結(jié)束子程序結(jié)束 Y對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理做PID運(yùn)算2）重置定時器主程序結(jié)束主程序結(jié)束5.3.3源程序源程序如下圖所示：1主程序

2初始化子程序六．結(jié)束語基于PLC的智能化流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)對管道水流量的控制，我們采用單回控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。調(diào)試方面，由于在硬件設(shè)備上缺乏相應(yīng)的變頻器、水泵電機(jī)和電磁流量傳感變送器。于是我們利用Matlab中simulink仿真該系統(tǒng)的PID控制策略，即在得到變頻器、水泵電機(jī)、管道和電磁流量傳感變送器的傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，采用臨界比例度法整定PID參數(shù)（包括二次整定），從而仿真得到比較理想的階躍響應(yīng)曲線。另外該課設(shè)還可以適當(dāng)擴(kuò)展，設(shè)計(jì)一個上位機(jī)來對控制過程參數(shù)（管道水流量）進(jìn)行設(shè)定以及對控制過程進(jìn)行監(jiān)控。通過本次課程設(shè)計(jì)，使我對過程控制系統(tǒng)這門課程有了進(jìn)一步的掌握，對所學(xué)的理論知識有了更深的理解，也鍛煉了我的動手能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。七．參考文獻(xiàn)黃永紅主編《電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)》機(jī)械工業(yè)出版社顧德英等主編《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》北京郵電大學(xué)出版社任彥碩等主編《自動控制系統(tǒng)》北京郵電大學(xué)出版社李紅，鄭穎，秦武軒《PID控制的泵供水系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)》附頁.Matlab仿真程序及原始圖表1、求取系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡（得到臨界比例K）b=[-1.5,1.5];a=[2,9.2,10.9,1];g=tf(b,a);rlocus(g)2、傳遞函數(shù)離散化程序2.1變頻器傳遞函數(shù)離散化為差分方程程序>>b=10;>>a=[1,2];>>sys=tf(b,a);%discretizets=0.1;%采樣周期dsys=c2d(sys,ts,'z')%轉(zhuǎn)化為差分方程%extract[num,den]=tfdata(dsys,'v')%提取差分方程系數(shù)>>2.2水泵電機(jī)傳遞函數(shù)離散化為差分方程程序>>b=0.75;>>a=[1,2.5];>>sys=tf(b,a);%discretizets=0.1;