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1、东北大学秦皇岛分校控制工程学院 过程控制系统课程设计 设计题目:智能化流量控制系统设计 学生: 专业: 班级学号: 指导教师: 设计时间: 2013.7. 1-2013.7.6 目录 一. 设计任务 3 二前言 . 3 四系统硬件设计 5 4.1 设备的选型 5 4.1.1 控制器的选型 5 4.1.2 变频器的选型. 6 4.1.3 流量传感器变送器的选型. 6 4.2 硬件电路 7 五软件设计 . 8 5.1 控制规律的选择 8 5.2 MATLAB 仿真 . 8 5.2.1 传递函数的确定 8 5.2.2 采用数字PID 控制的系统框图 . 9 5.2.3 基于临界比例度法的PID 参数
2、整定 . 9 5.3 程序编写 12 六结束语 . 16 七参考文献 . 17 附页 .Matlab 仿真程序及原始图表 . 17 一.设计任务 1、 系统构成: 系统主要由流量传感器,PLC 控制系统、 对象、 执行器 (查找资料自己选择) 等组成。传感器、对象、控制器、执行器可查找资料自行选择,控制器选择PLC 为控制 器。 PLC 类型自选。 2、写出流量测量与控制过程,绘制流量控制系统组成框图。 3、系统硬件电路设计自选。 4、编制流量测量控制程序:软件采用模块化程序结构设计,由流量采集程序、流量校准程 序、流量控制程序等部分组成 二前言 本课程设计来源于工业工程中对于流量的监测和控制
3、过程,其目的是利用PLC 来实现 过程自动控制。目前,PLC 使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控 制,应用领域极为广泛,涉及到所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域。PLC 通过模拟量I/O 模块和 A/D 、D/A 模块实现模拟量与数字量之间的转换,并对模拟量进行闭 环控制。 三系统控制方案设计 图 3.1 控制系统工艺流程图 如图 3.1 所示为智能化流量控制系统的工艺流程图,要求实现对管道中水流量的控制, 该系统只有一个过程参数即管道的水流量,故可采用单回路控制系统实现控制要求。 该控制系统中,被控量为水的流量,控制量为水泵电机的转速,控制器选用PLC 和变
4、频器 ,传感变送器选用电磁流量传感器,执行器选用水泵电机。根据工艺流程图画出系统框 图,即图3.2。 图 3.2 系统框图 从上图看出,该控制系统分为:控制机构; 信号检测变送机构; 执行机构 (l)控制机构 :本系统的控制机构包括控制器(PLC)和变频器两个部分。 控制器是整个流量控制系统的核心。将来自流量传感变送器的测量值与给定值相比较 后产生的偏差进行一定规律(PID 控制规律)的运算,并输出统一标准信号, 去控制执行 机构的动作,以实现对过程量的自动控制。 变频器可以通过RS-485 通信协议和接口直接与西门子PLC 相连,便于设备之间的通 信,通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵
5、电机 )进行控制;使用变频器的作用就是为 了调速, 并降低启动电流。变频器输出的波形是模拟正弦波,主要是用在三相异步电动机调 速用, 又叫变频调速器。变频器是对水泵电机进行转速控制的单元,其跟踪控制器送来的控 制信号改变水泵电机的转速控制 (2) 信号检测变送机构:在系统控制过程中传感变送器选用电磁流量传感器将工业生产 过程参数经检测变送单元转化为标准信号,需要检测的信号包括管道水流量信号,其中水流 量信号是本控制系统的主要反馈信号。 该信号是模拟信号,在模拟仪表中,标准信号通常采用4-20mA 、0-10mA 电流信号、 1-5V 电压信号、或者20-100kPa 气压信号。读入PLC 时,
6、需对输入的信号进行A/D 转换。 (3) 执行机构 :执行机构由水泵和电机组成,即把水泵与电动机直接连接在一起,但不 需要传动轴。它具有结构简单,体积小,重量轻,安装、运行成本低,维护方便,节能效果 好,噪音低的有点。它用于将水供入管道,通过变频器改变电机的转速,以达到控制管道水 流量的目的。 智能化流量控制系统以供水出口管道水流量为控制目标,在控制上实现出口管道的实 际流量跟随设定的水流量。水流量的设定值可以是一个定值,也可以是一个时间分段函数, 在每一个时段内是一个常数。 四系统硬件设计 4.1 设备的选型 设计硬件选型的部分有:控制器、变频器、水泵、流量传感变送器。 4.1.1 控制器的
7、选型 PLC 控制器具有抗干扰能力强,扩展模块组合方便、编程简单等优点,故该控制系统 采用 PLC 作为控制器。由于水流量自动控制系统控制设备相对较少,因此,我们选用西门 子 S7-200系列 PLC,该系列PLC 结构紧凑,价格低廉,具有较高的性价比,广泛适用于一 些小型控制系统。 S7-200系列 PLC 可提供 4种不同的基本型号的8种 CPU 供选择使用 .根据控制系统实际所 需端子数目,并考虑PLC 端子数目要有一定的预留量,因此,CPU 选用西门子CPU 224 , 其开关量输出为10点,输出形式为AC220V继电器输出;开关量输入为14点,输入形式为 +24V 直流输入。 由于实
8、际中需要模拟量输入点1个,模拟量输出点 1个,所以需要选择扩展模块。S7-200 系列 PLC 主要有 6种扩展单元,它本身没有CPU,只能与基本单元相连接使用,用于扩展 I/O 点数。模拟量扩展模块选用EM 235,该模块有 4个模拟量输入通道,1个模拟量输出通 道。 4.1.2 变频器的选型 选择 Siemens MicroMaster440 变频器,便于S7-200PLC 和变频器之间的通信。该系列 变频器专适用于三相交流电动机调速,由微处理器控制, 采用绝缘栅双极型晶体管作为功率 输出器件,具有很高的运行可靠性和很强的功能。MicroMaster440 变频器的输入信号为380V 交流
9、电压,输出功率为0.7590KW ,适用于大功率高要求超所。 该变频器的优点:其输出信号能作为75KW 的水泵电机的输入信号。该变频器可 以通过 RS-485 通信协议和接口直接与西门子PLC 相连,更便于设备之间的通信。 4.1.3 流量传感器变送器的选型 流量传感器器用于检测管道中的水流量,通常安装在的出水口,流量转换器是将水管中 的水流量的变化转变为420mA 的模拟量信号,作为A/D 转换模块的输入,选型时,为减 少传输过程中的干扰与损耗,我们采用420mA 输出流量转换器。 根据上述分析,本课设中选用电磁流量传感器SHLDZ 、电磁流量转换器SHLDZ 1 实 现流量的检测、显示和变
10、送。流量表测量范围00.6m3/h,精度1.0。转换器输出420mA 电流信号,该模拟信号经A/D 转换模后读入并与设定值进行比较,将比较后的偏差值进行 PID 运算,再将运算后的数字信号通过D/A 转换模块转换成模拟信号,送给与 CPU224 连接 模拟量模块EM235 ,作为 PID 调节的反馈电信号。 4.1.4 执行器的选型 水泵电机的选型基本原则:确保平稳运行; 选用的电机必须与系统用水量的变化幅 度相匹配,则电机经常处于高效区运行,以求取得较好的节能效果。 本课设的要求为:电机额定功率0.37KW,额定转速为2800r/min 。根据本设计要求确定 采用 1 台 SFL 低转速低噪
11、音多级离心水泵电机(电机功率0.37KW ) 。 SFL 型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质,叶轮、导叶采用铸造件,经过 静电喷塑处理, 效率可提高5%以上; 采用低噪音电机,机械密封, 前端配有泄压保护装置, 噪声更低 (室外噪音60dB)、磨损小、寿命更长;下轴承采用柔性耐磨轴承,噪音低,寿命 长;采用低进低出的结构设计,水力模型先进,性能更可靠。它可以输送清水及理化性质类 似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质,一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却 系统、消防给水等。 4.2 硬件电路 1 .1 1 .)( z z TsN N D z z TIPzY s 五软件设计 5.1
12、 控制规律的选择 PID 控制是控制系统中技术成熟、应用最广泛的控制方式。它具有理论成熟,算法简 单,控制效果好,易于为人们熟悉和掌握等优点。 本控制系统采用离散PID 控制规律。位置型离散PID 控制规律表达式如下: 式中: Kp 为比例系数;Ti 为积分时间常数;Td 为微分时间常数。 (1) 比例环节 :快速调节有余差,P 过大,系统稳定性会变差。 (2) 积分环节 : 表明控制器的输出与偏差持续的时间有关。积分环节主要用于消除静差, 提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti,Ti 越大,积分作用越弱,易 引起系统超调量加大,反之则越强,易引起系统振荡。 (3) 微分环节
13、:改善动态性能,超前调节,预测功能。微分调节器不能单独作用。 5.2 MATLAB 仿真 5.2.1 传递函数的确定 用 MATLAB 中的 Simulink 仿真该控制系统,整定PID 参数。由于用Simulink 仿真需 要知道各环节传递函数,经查资料,找到变频器,水泵电机,管道传递函数近似分别为: 15.0 5 s , 14.0 3.0 s , 1.0 )1(1.0 s s 。传感器传递函数为1。在 Matlab 中采用 c2d 函数将 各环节传递函数离散化,转化为差分方程。分别依次为: 8187.0 9063.0 z , 7788.0 06636.0 z , )99.0( )1.1(
14、1.0 z z 。传感器的离散传递函数仍为1。 当不加任何控制器时,系统的单位阶跃响应曲线如下图3 所示: 图 5.1 无控制器时阶跃响应曲线 5.2.2 采用数字 PID 控制的系统框图 由于采用 PLC 控制,所以采用离散PID 控制。 框图如下图所示 图 5.2Simulink 仿真框图(离散化PID) 5.2.3 基于临界比例度法的PID 参数整定 临界比例度法整定离散PID 参数的仿真数字PID 的表达式为 步骤概括: (1)利用开环连续传递函数的根轨迹图或劳斯定理求取系统等幅振荡时(此时P= k /1, I=0,D=0 )的临界比例度 k 和临界振荡周期 K T; (2)根据临界比
15、例度法整定参数的经验算式表,求出PID 控制器理论上的最佳参数值; (3)如果按以上参数整定,系统的超调量、调节时间等性能指标还不符合要求,则要根据 P、I、 D 参数大小对系统的影响,做适当改变,以提高PID 控制器的调节质量。 具体仿真方法: 先令 I=0,D=0,采样周期取较小的值即 Ts=0.001, 调整 P,使阶跃响应曲线等幅振荡, 可知,当临界比例K=5.27 时,响应曲线等幅振荡,响应曲线如下图5.2 所示: 图 5.2 等幅振荡曲线 求得振荡周期Tk=67.3 取控制精度为1.50,查表计算得 317. 027.567.167.1 K 65.333 .675. 05.0 KI
16、 TT 42.865.3325.025. 0 ID TT 对应该仿真模块: 155.3P,030.0/1 I TI,42. 8 D TD 然后根据实际响应曲线调整参数(二次整定 )为: P=3.0 ,I=0.025,D=0.01 对应333.0,40 I T,01. 0 D T 对应单位阶跃响应曲线如下所示: 图 5.3 二次整定单位阶跃响应曲线 由图 5.3 估算得:响应超调量为15.3%,3%误差带调节时间4.7s,所以调节质量较好。 5.3 程序编写 5.3.1 PLC寄存器分配 5.3.2 程序流程图 开 N Y 主程序开始 开始扫描,启动子程序 计时器时间是否 到达 ? 1) 对采样
17、的数据进行处理 做 PID 运算 2)重置定时器 主程序结束 子程序开始 设置 PID 参数: 回路增益Kc=3.0 装入回路采样时间T=6s 积分时间Ti=40s 微分时间Td=0.01s 装入回路设定值为1 子程序结束 5.3.3 源程序 源程序如下图所示: 1 主程序 2 初始化子程序 六结束语 基于 PLC 的智能化流量控制系统设计目的是实现对管道水流量的控制,我们采用单回 控制系统进行设计。调试方面, 由于在硬件设备上缺乏相应的变频器、水泵电机和电磁流量 传感变送器。于是我们利用Matlab 中 simulink 仿真该系统的PID 控制策略,即在得到变频 器、水泵电机、管道和电磁流
18、量传感变送器的传递函数的基础上,采用临界比例度法整定 PID 参数(包括二次整定) ,从而仿真得到比较理想的阶跃响应曲线。另外该课设还可以适 当扩展, 设计一个上位机来对控制过程参数(管道水流量) 进行设定以及对控制过程进行监 控。 通过本次课程设计,使我对过程控制系统这门课程有了进一步的掌握,对所学的理论 知识有了更深的理解,也锻炼了我的动手能力和团队合作能力。 七参考文献 1、 黄永红主编电气控制与PLC 应用技术机械工业出版社 2、 顾德英等主编计算机控制技术北京邮电大学出版社 3、 任彦硕等主编自动控制系统北京邮电大学出版社 4、 李红,郑颖,秦武轩PID 控制的泵供水系统仿真实验 附
19、页.Matlab 仿真程序及原始图表 1、求取系统开环传递函数 19.102 .92 5.15.1 1.0 )1(1 .0 . 14.0 3.0 . 15.0 5 )( 23 sss s s s ss sGo 的根轨迹(得到临界比例K) b=-1.5,1.5; a=2,9.2,10.9,1; g=tf(b,a); rlocus(g) 2、传递函数离散化程序 2.1变频器传递函数 15.0 5 s 离散化为差分方程程序 b=10; a=1,2; sys = tf(b,a); % discretize ts = 0.1; % 采样周期 dsys = c2d(sys, ts, z) % 转化为差分方
20、程 % extract num, den = tfdata(dsys,v) % 提取差分方程系数 2.2水泵电机传递函数 14 .0 3 .0 s 离散化为差分方程程序 b=0.75; a=1,2.5; sys = tf(b,a); % discretize ts = 0.1; % 采样周期 dsys = c2d(sys, ts, z) % 转化为差分方程 % extract num, den = tfdata(dsys,v) % 提取差分方程系数 2.3管道传递函数 1 .0 )1( 1.0 s s 离散化为差分方程程序 b=-1,1; a=10,1; sys = tf(b,a); % di
21、scretize ts = 0.1; % 采样周期 dsys = c2d(sys, ts, z) % 转化为差分方程 % extract num, den = tfdata(dsys,v) % 提取差分方程系数 3、simulink 仿真框图 4、.输出响应曲线原始图表 图 5.1 无控制器时阶跃响应曲线(原始曲线) 图 5.2 等幅振荡曲线(原始曲线) 图 5.3 二次整定单位阶跃响应曲线(原始曲线) 5. 利用 MATLAB 命令将 simulink示波器的图形画出的相应程序 curve=plot(aa(:,1),aa(:,2),-r) %aa(:,1) 表示取 aa 的第一列,仿真时间 %aa(:,2) 表示取 aa 的第二列,示波器的输入 %-r 表示曲线 2 显示的形式和颜色,这里是(red) set(curve,linewidth,3) % 设置曲线的粗细 legend(阶跃响应曲线 ,PID) % 曲线名称标注 xlabel(仿真时间 40(ms )) %X 坐标轴名称标注 ylabel(幅值) %Y 轴坐标轴标注 title(扩充临界比例度法二次整定阶跃响应曲线) % 所画图的名称 grid on % 添加网格
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