课程设计报告模版

课程设计任务书

电气工程与自动化专业 06 年级 2 班沈敏生

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。根据比值控制，选择合适的双回路调节器控制规律，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

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

摘要

在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。

实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之流量比值控制系统。

比值控制系统可分为：开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统，变比值控制系统，串级和比值控制组合的系统等。

关键字：双闭环比值控制,电动阀, 磁力泵

目录

一．设计任务分析 (1)

二．控制系统总体方案的设计 (1)

2.1设计目的 (1)

2.2设计要求 (1)

2.3双闭环比值控制系统的结构 (2)

2.4双闭环比值控制系统的特点 (2)

三．单回路参数整定 (3)

3.1被控对象特性测试方法 (3)

3.2电动阀传递函数测试 (3)

3.3变频器—磁力泵传递函数测试 (4)

3.4用MATLAB进行仿真 (5)

四．比值控制系统参数调节 (6)

4.1比值系数的计算 (6)

4.2比值控制系统参数的整定 (7)

五．设备使用说明 (7)

5.1系统主要组成 (7)

5.2操作前准备 (8)

5.3控制面板接线说明 (9)

六．结果与分析 (11)

6.1给定阶跃响应曲线 (11)

6.2加入扰动时的响应曲线 (13)

七. 心得体会 (14)

八．参考文献 (16)

附录：实验总图 (17)

一．设计任务分析

在了解、熟悉和掌握双闭环流量比值控制系统的工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础之上，根据生产过程对控制系统所提出的安全性、经济性和稳定性要求，应用控制理论对控制系统进行分析和综合，最后采用计算机控制技术予以实现。

二．控制系统总体方案的设计

2.1设计目的

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设计要求

1.从组成、工作原理上对工业型流量传感器、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。

2.3双闭环比值控制系统的结构

本设计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，而且两者间保持一个定值的比例关系，即Q2／Q1＝K，同时要求保证主动量与从动量保持总量恒定。

双闭环比值控制系统的结构图，如图2-1

图2-1

2.4双闭环比值控制系统的特点

双闭环比值控制系统能实现主动量的抗扰动、定值控制，使从动量均比较稳定，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。当需要实现动态壁纸关系时，比值器就不能省。

双闭环比值控制所用设备较多、投资较高，而且运行投入比较麻烦，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。三．单回路参数整定

由于电动阀跟变频器控制下的磁力泵的过程传递函数是未知的，因此我们必须对这测出这两个被控对象特性。

3.1被控对象特性测试方法

按单回路的整定方法（先手动后自动的原则）分别整定调节器1、2的PID参数(也可按经验设置参数)，但在具体操作中应先整定调节器1的参数，待主回路系统稳定后，再整定从动回路中的调节器2（CF=8，即外部给定）的参数。

3.2电动阀传递函数测试

图为电动阀输入与输出特性的方框图：

图3-1

在t0时给电动阀的输入量，得出相应的曲线。

图3-2

t0前输出量为20，t0手动改变输入量模拟单位阶跃，改变量由原来为40%的开度调到25%的开度。由图可知稳定后的值h(∞)为28.5，则：

K=(28.5-20)/(0.4-0.25)≈56

由图可知T=5S 。

3.3变频器——磁力泵传递函数测试。

图为变频器——磁力泵输入与输出特性的方框图：

与电动阀传递函数相同，得出其相应曲线如图3-4所示：

图3-3

图3-4

K=(33.6-21)/(0.4-0.25)≈125.4

T=4S

3.4用MATLAB进行仿真

流量PI的经验值&(%)为40~100，I值为0.1~1之间设定。

如图所示为电动阀、变频器——磁力泵两个回路在MATLAB的仿真：

图3-5

其中两个回路的比例度&分别为40%和50%，I值都为0.5，仿真的响应曲线如图3-6所示：

图3-6

说明：左图为电动阀回路相应曲线，右图为变频器——磁力泵响应曲线，图中对Y 轴上进行了放大，以更好地显示波形在1附近的变化情况，由观察可得，这种PI 设置基本能够使响应曲线稳定在1左右。

四．比值控制系统参数调节

4.1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

I 1=416max

11+?Q Q (1) I 2=

416max 22+?Q Q (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

Q 1=16

)4(1-I Q 1max (3) 同理式（2）也可改写为

Q 2=16

)4(2-I Q 2max (4) 于是求得

12Q Q =4

412--I I max 1max 2Q Q (5) 折算成仪表的比值系数K ′为:

K ′ = K max

2max 1Q Q (6)

4.2比值控制系统参数的整定

按单回路的镇定方法分别镇定调节器1、2的PID参数，但在具体操作中先整定调节器1的参数，待主回路系统稳定后，在整定从动回路中的调节器2（CF=8，即外给定）的参数。

在主回路运用上面提到的PI值，输出流量调剂时间稍长，系统在长时间运行以后有一点偏差，因此稍为减小P的作用，适当加大I的值。根据工艺要求，从余差、衰减率、最大偏差、过渡时间考虑设置，主从回路的PI现场整定如下表所示：

五．设备使用说明

5.1系统主要组成

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（380V交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成，下面对此次要用到的器件作简要的介绍。

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4～20mA DC或1～5V DC，输出4～20mA DC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。

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。

5.2操作前准备

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。具体管道开关及器件位置如图所示：

图5-1

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。

5.3控制面板接线说明

控制面板入图5-2所示

图5-2

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，所以用到的泵为220V磁力驱动泵，开启实验设备前谨记保证F2-1阀门处于打开的状态。

AI智能调节仪部分设置参数解释：

Sn（输入规格）

Sn=32：0.2—1V（100mV-500mV）

Sn=33：1-5V电压输入

dip（小数点位）

dil（输入下限显示值）

dih（输入上限显示值）

oPL（调节器输出下限值）

oPH（调节器输出上限值）

CF（系统功能选择）

CF=0为反作用调节方式

CF=8为有分段功能限制功能的反作用调节方式Addr（通讯地址）

run（运行状态及上电信号处理）

run=0手动调节状态

run=1自动调节状态

六．结果与分析

6.1给定阶跃响应曲线

双闭环控制系统达到稳态时的特性曲线图

图6-1

说明：图3-7为主回路曲线，红线表示给定值的变化，从给定流量20上升到30作为输入，绿线表示输出值的变化，由图可以看出输出值在输入值变化一段时间后能自动跟踪输入值，而且偏差不大，基本符合要求。

图6-2

说明：图3-8为从动回路曲线，红线是自动跟踪主回路输出值作为从动回路的输出值，实现自动控制。在比例控制系统中，采用了K=1的比值控制，因此主回路的输出值与从动回路的输出值比值为1：1。紫色线是从动回路的输出量，由图能清楚地看到输出流量基本与输入值重合，从动回路的快速性很好。改变K的大小，能改变系统两种流量的比值

6.2加入扰动时的响应曲线

双闭环控制系统引入扰动后系统恢复稳态时的特性曲线图。

图6-3

说明：当加入扰动以后，系统电动阀在流量信号反馈前保持原来的开度，因此图形出现一定的波动，在输入量不变的情况下，系统能很快地进行自动调节，最后达到平衡状态。

图6-4

说明：在主回路输出Q1出现波动的情况下，影响了从动回路的输入量，导致输出量跟随输入量Q1变化，当Q1稳定是，Q2也很快地趋于稳定。

七．心的体会

生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋；正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这

有什么不好？我们不断的反问自己。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。社会需要我们，我们也可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要失落呢？于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去

八．参考文献

戴先中.过程控制工程.【M】.北京：机械工业出版社，2000.5

王俊杰.过程检测与仪器仪表.【M】.北京：武汉理工大学出版社2005.7 林梅金、张彩霞、肖红军.过程控制系统课程设计指导书.【M】.佛山：佛山科学技术学院，2007.9