智能化流量控制系統(tǒng)設(shè)計

1、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)計設(shè)計題目：智能化流量控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生：專業(yè)： 班級學(xué)號：指導(dǎo)教師：設(shè)計時間： 2013.7. 1-2013.7.6目錄一. 設(shè)計任務(wù) 3二前言 3四 系統(tǒng)硬件設(shè)計 54.1 設(shè)備的選型 54.1.1 控制器的選型 54.1.2 變頻器的選型 64.1.3 流量傳感器變送器的選型 64.2 硬件電路 7五軟件設(shè)計 85.1 控制規(guī)律的選擇 85.2 MATLAB 仿真 85.2.1 傳遞函數(shù)的確定 85.2.2 采用數(shù)字 PID 控制的系統(tǒng)框圖 95.2.3 基于臨界比例度法的 PID 參數(shù)整定 95.3 程序編寫 12六結(jié)束語 16七參考文獻(xiàn)

2、17附頁 .Matlab仿真程序及原始圖表 17一.設(shè)計任務(wù)1、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，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)

3、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模塊實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，并對模擬量進行閉環(huán)控制。三.系統(tǒng)控制方案設(shè)計流量傳感器電機流量方向圖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。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

4、統(tǒng)分為：控制機構(gòu)；信號檢測變送機構(gòu)；執(zhí)行機構(gòu)(l)控制機構(gòu)：本系統(tǒng)的控制機構(gòu)包括控制器(PLC)和變頻器兩個部分。控制器是整個流量控制系統(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)生的偏差進行一定規(guī)律(PID控制規(guī)律)的運算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，去控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，以實現(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)行機構(gòu)(即水泵電機)進行控制；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調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。變頻器是對水泵電機進行轉(zhuǎn)速

5、控制的單元，其跟蹤控制器送來的控制信號改變水泵電機的轉(zhuǎn)速控制(2)信號檢測變送機構(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，需對輸入的信號進行 A/D轉(zhuǎn)換。(3)執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)由水泵和電機組成，即把水泵與電動機直接連接在一起，但不需要傳動軸。它具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，安裝、運行成本低，維護方便，節(jié)能效果 好，

6、噪音低的有點。它用于將水供入管道，通過變頻器改變電機的轉(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)，在控制上實現(xiàn)出口管道的實 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)。四.系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1 設(shè)備的選型設(shè)計硬件選型的部分有：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，擴展模塊組合方便、編程簡單等優(yōu)點，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，

7、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CPU 224,其開關(guān)量輸出為10點，輸出形式為 AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入為 14點，輸入形式為 +24V直流輸入。由于實際中需要模擬量輸入點 1個，模擬量車出點1個，所以需要選擇擴展模塊。 S7-200 系列PLC主要有6種擴展單元，它本身沒有 CPU,只能與基本單元相連接使用，用于擴展 I/O點數(shù)。模擬量擴展模塊選用EM 235,該模塊有4個模擬量輸入通道，1個

8、模擬量輸出通道。4.1.2 變頻器的選型選擇 Siemens MicroMaster440 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， 具有很高的運行可靠性和很強的功能。 MicroMaster440 變頻器的輸入信號為 380V交流電壓，輸出功率為 0.7590KW ，適用于大功率高要求超所。該變頻器的優(yōu)點：其輸出信號能作為75KW的水泵電機的輸入信號。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

9、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)?420mA 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 420mA 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420mA電流信號，該模擬信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換模后讀入并與設(shè)定值進行比較，將比較后的偏差值進行PID 運算， 再將運算后的數(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

10、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的選型基本原則： 確保平穩(wěn)運行； 選用的電機必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配，則電機經(jīng)常處于高效區(qū)運行，以求取得較好的節(jié)能效果。本課設(shè)的要求為：電機額定功率0.37KW, 額定轉(zhuǎn)速為 2800r/min 。根據(jù)本設(shè)計要求確定采用 1 臺 SFL 低轉(zhuǎn)速低噪音多級離心水泵電機（電機功率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， 機械密封， 前端配有泄壓保護裝置，噪聲更低（室外噪音60dB） 、磨損

11、小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計， 水力模型先進，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nr 24VCPI-224N IL 0.00. ： U. JL 5 .bk l 0,nn kqsTTA，控制單元執(zhí)行單元五.軟件設(shè)計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。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：zY

12、P1TsnND1 N.Ts-z- z 1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，易引起系統(tǒng)振蕩。(3)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)器不能單獨作用。5.2 MATLAB 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

13、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，管道傳遞函數(shù)近似分別為:一5 ,0.3,0.1(S . 。傳感器傳遞函數(shù)為0.5s 10.4s 1 s 0.1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：1。在 Matlab中采用c2d函數(shù)將0.90630.06636z 0.8187 z 0.77880.1(z 1.1)。傳感器的離散傳遞函數(shù)仍為 1。(z 0.99)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:1無控制器時系統(tǒng)單代階躍響應(yīng)曲線n 口單位階躍響應(yīng)曲線U.70.B0.7。6鬻0-6-E-0 40.30 20.1n，L=_ .-9 1r 11J_ & _

14、_ J - - - - ii11_1J11卜 J L 1iL012345673910仿直時間(40ms)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?？驁D如下圖所示SenEfirq trarsdua&r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:P=1/（1）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I=0, D=0)的臨界比例度 k和臨界振蕩周期Tk ;(2)根據(jù)臨界比例度法整

15、定參數(shù)的經(jīng)驗算式表，求出PID控制器理論上的最佳參數(shù)值;(3)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。表臨界比例度法整定參數(shù)的經(jīng)驗算式表調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)參數(shù)比例度型積分時間Tf激分時間.P2/80PI2 2%0, 85 0PID1- 7僅05兀0. 25Tk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

16、控制精度為1.50,查表計算得1.67 k 1.67 5.27 0.317TI0.5TK0.5 67.3 33.65TD0.25TI0.25 33.65 8.42對應(yīng)該仿真模塊:P 3.155, I 1/TI 0.030, D TD 8.42然后根據(jù)實際響應(yīng)曲線調(diào)整參數(shù)（二次整定）為:P=3.0 , 1=0.025, D=0.01對應(yīng) 0.333, Ti 40, Td 0.01對應(yīng)單位階躍響應(yīng)曲線如下所示:擴充臨界比例度法二次整定階躍響應(yīng)曲線A1-單位階躍響應(yīng)曲鼓r ：、11l ! ”1 ：t-J一11i :1 :F1：11111 >T1:r , 1h _ _ uiiL050100150

17、2002S0300350仿真時間(40ms)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。開始掃描，啟動子程序 開計時器時間是否到達(dá)？子程序結(jié)束5.3程序編寫5.3.1 PLC寄存器分配o|S符號I碘 I1VD200過程登里標(biāo)堆信2IVD204裝入回胳設(shè)定值3KCumyUtorVD2D6回路霸加名KcVD212回即滑就抬5taffclng_tnn6VD216回路親擇時闔TiVD220快分時間7TdIVD224徽的間8rprtrter_nputrAQW(J費弱整餐入便擬里3COnweter_(XitfXJtAIWO5.3

18、.2程序流程圖主程序開始子程序開始設(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11）對采樣的數(shù)據(jù)進行處理做PID運算2）重置定時器主程序結(jié)束5.3.3源程序源程序如下圖所示:1主程序網(wǎng)笫4i流里學(xué)票程序137苻號1碗加8nvef”outputamo西躲摭帆切h也jVDMO斕夏金林菱值網(wǎng)絡(luò)5券里控自嵬欺時心制）T37MO.OIriDEN ENOVB100-5T8LLOOPT432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)計目的是實現(xiàn)對管道水流量的控制，我們采用單回 控制系統(tǒng)進行設(shè)計。 調(diào)試方面，由于在硬

19、件設(shè)備上缺乏相應(yīng)的變頻器、水泵電機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、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)擴展，設(shè)計一個上位機來對控制過程參數(shù)（管道水流量）進行設(shè)定以及對控制過程進行監(jiān)控。通過本次課程設(shè)計，使我對過程控制系統(tǒng)這門課程有了進一步的掌握，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隊合作能力。七.參考文獻(xiàn)1、黃永紅主編電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)機械工業(yè)出版社2、顧德英等主編計算

20、機控制技術(shù)北京郵電大學(xué)出版社3、任彥碩等主編自動控制系統(tǒng)北京郵電大學(xué)出版社4、李紅，鄭穎，秦武軒PID控制的泵供水系統(tǒng)仿真實驗1.5s 1.52s3 9.2s2 10.9s 1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)c /、50.30.1(s 1)Go( s).0.5s 1 0.4s 1 s 0.1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)離散化程序一 .52.1 變頻器傳遞函數(shù) 離放化為差分萬程程序0.5s 1> > b=10;> > a=1,2;> &

21、gt; sys = tf(b,a);% discretizets = 0.1; %采樣周期dsys = c2d(sys, ts, 'z') % 轉(zhuǎn)化為差分方程% extractnum, den = tfdata(dsys,'v') % 提取差分方程系數(shù)>>2.2水泵電機傳遞函數(shù)0.3離散化為差分方程程序0.4s 1>> b=0.75;>> a=1,2.5;>> sys = tf(b,a);% discretizets = 0.1; %采樣周期dsys = c2d(sys, ts, 'z') % 轉(zhuǎn)化為差分方程% extractnum, den = tfdata