1、流量控制系統的設計與仿真本科畢業設計題目流量控制系統的設計與仿真學生姓名古維維學號1007030122教學院系電氣信息學院專業年級自動化2010級指導教師任堰牛職稱講師單位西南石油大學電氣信息學院完成日期2013 年6月8日摘要為了控制水流量達到預期設定效果的目的，先利用SIMULINK進行仿真驗證控制方案的可行性，然后進行THI-2型高級過程控制裝置的相關實驗，獲取被控流量和設定流量的穩定傳遞函數傳遞函數，再利用組態軟件設計的人機界面進行驗證，最后得到預期控制效果的控制系統。設計的內容分為兩部分：單流量控制系統和流量比值控制系統。采用力控組態軟件，matlab的simulink仿真部分。兩種

2、流量比值控制系統的結構差別很大，單回路流量控制系統采用單閉環結構，而比值控制系統需要進行方案驗證來決定是用單閉環還是雙閉環結構。關鍵詞: 流量;過程控制;傳遞函數;力控;Simulink3AbstractIn order to control the water flow is expected to achieve the purpose of setting effects , Feasibility first use SIMULINK for simulation control scheme, then type THI-2 Advanced Process Control devi

3、ce related experiments , get charged with traffic and the transfer function of a stable set flow transfer function , re-use HMI configuration software design for verification , and finally get the expected effect of the control system controls .Design is divided into two parts: single flow control s

4、ystem and flow ratio control system. Using force control configuration software , matlab simulink simulation section. single-loop flow control system uses a single-loop structure, and the ratio of the control system needs to be verified to determine program with single-loop or double-loop structure.

5、Keywords : flow ;process control ;transfer function;Simulink;Forcecontrol3目錄 1 緒論11.1 選題的意義11.2 國內外研究現狀11.3 主要研究內容22 設計軟件及設備簡介32.1 THJ-2型過程控制裝置簡介32.2 力控組態軟件簡介32.2 matlab與simulink編程軟件介紹53 流量控制系統設計方案83.1 總體設計框架83.2 流量控制系統的工作原理84 方案仿真驗證84.1 單閉環流量控制系統的simulink仿真方案94.2 傳遞函數的參數整定94.2.1 湊試法104.2.2 臨界比例度法10

6、4.2.3 阻尼振蕩法114.3 單閉環流量比值控制系統的仿真方案124.4 雙閉環流量比值控制方案145 控制方案傳遞函數的獲取165.1 單回路流量控制系統實驗165.2 單流量控制系統傳遞函數獲取175.3 雙閉環比值控制系統實驗175.3.1 比值系數運算175.3.2 比值控制系統傳遞函數獲取186 流量控制系統設計196.1 單回路流量控制系統設計196.2 雙閉環流量比值控制系統的設計247 結論與展望317.1結論317.2 展望31致謝32 參考文獻333流量控制系統的設計與仿真1 緒論1.1 選題的意義流量控制系統在生產工業和過程控制中有著極其重要的作用，設計一套好的流量控

7、制系統不僅能夠幫助企業更好的管理進水出水流量以進一步控制管理生產過程，還能節約水資源、幫助企業實現水的循環多次使用。對流體流量進行正確測量和調節是保證生產過程安全經濟運行、提高產品質量、降低物質消耗、提高經濟效益、實現科學管理的基礎。流量的檢測和控制在化工、能源電力、冶金、石油等領域應用廣泛。人們為了控制大氣污染，必須對污染大氣的煙氣以及其他溫室氣體排放量進行監測；廢液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人們必須對廢液和污水進行處理，對排放量進行控制。于是數以百萬計的煙氣排放點和污水排放口都成了流量測量對象。同時在科學試驗領域，需要大量的流量控制系統進行仿真與試驗。1.2 國內外研究現

8、狀計算機技術在閘門開關自動化中的運用是從上世紀才開始發展起來的。20世紀40年代是幾乎主機與控制一體的直接控制。50年代引進遠方控制技術，大多采用電磁式、機械式繼電器。60年代集中化技術被普遍應用，出現了遠距離集中監控，進而實現大范圍控制。到了20世紀70年代，計算機發展程度較高，在發達國家過程控制自動化得到了普遍應用。進入20世紀80年代，隨著微電子技術、計算機技術、數據通信技術和自動控制理論的迅猛發展，計算機技術在流量自動控制系統中已占壓倒優勢。90年代計算機大量應用于流量自動控制系統，各種軟件應運而生，在技術或價格上已不存在任何問題。流量控制系統的核心是控制算法，控制算法是處理輸入和控制

9、輸出的邏輯處理過程。在流量的自動控制中出現了先后出現了“經典控制理論”、“現代控制理論”、“智能控制理論”三大部分。分別適用于不同的控制系統。PID是最早發展起來的控制策略，算法簡單、可靠性高。美國調水工程由水資源部統一管理運行，控制系統包括計算機、通信和電子設備。該系統可對泵站和電廠，節制閘的閘門和其他各種設備、實施實行計算機通信、監控、監測和調度。日本水管理幾乎全部實現了自動化。工程設施和自動化設備均由明確的使用期限，一般規定1020年更新一次。監控系統大都采用集中管理的分層分布式結構，即在一個水系上設有中央管理站，采用計算機和遙測、遙控裝置對各種泵站、水工建筑物、渠道等進行集中控制，以達

10、到水資源綜合利用的目的。我國當前水力計算機控制系統采用分層分布式的功能結構，分為主控級（上位機）、控制級（現地控制單元、現地采集單元），主控級采用雙機互為熱備用的方式。監控系統由主控計算機和現地單元級的人機接口，現場控制、采集單元根據地理條件采用現場總線、無線傳輸等通訊方式。從以上分析可以看出，我國當前水利工程計算機控制系統體系結構與國外沒有差別，但在管理與控制網絡上還不夠統一和規范，還有一些細節問題上還需要在具體使用環境下做詳細的研究、設計和規劃，力求達到設計最優、成本最低、運行可靠、操作簡單、維護方便等特點。1.3 主要研究內容通過運用MATLAB與SIMULINK仿真系統，驗證幾種不同的

11、流量控制方案，從中選擇一種較好的控制方案，再根據THJ-2型高級過程控制裝置對流量這一被控對象進行一系列的控制實驗所獲得的數據，通過解析法或實驗法獲取被控對象的傳遞函數，在力控人機界面設計模擬控制系統并顯示控制效果。2 設計軟件及設備簡介2.1 THJ-2型過程控制裝置簡介THJ-2型高級過程控制裝置是基于工業過程的物理模擬對象，它集自動化儀表技術，計算機技術，通訊技術，自動控制技術為一體的多功能實驗裝置，該系統包括流量、溫度、壓力等熱工參數，可實現系統參數辨識，單回路控制，串級控制，前饋反饋控制，比值控制，解耦控制等多種控制形式。本裝置還可根據需要設計構成DDC，DCS，PLC,FCS等多種

12、控制系統。本實驗裝置由被控對象和控制儀表兩部分組成。系統動力支路分兩路：一路由三磁力驅動泵、電動調節閥、直流電磁閥、渦輪流量計以及手動調節閥組成；另一路由日本三菱變頻器、三項磁力驅動泵、渦輪流量計及手動調節閥組成。被控對象：水箱。包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。上中下水箱可以組合成一階、二階、三階液位單回路控制實驗和雙閉環、三閉環液位串級控制等實驗。檢測裝置由流量傳感器和轉換器組成，流量傳感器分別用來對電動調節閥支路、變頻之路及盤管出口支路的流量進行測量。執行機構是電動調節閥、變頻器、水泵、電磁閥。電動調節閥采用智能型電動調節閥，用來進行控制回路流量的調節。變頻器輸出用來驅動三相磁力驅動泵

13、。水泵采用磁力驅動泵，本裝置采用兩只磁力驅動泵。電磁閥在苯裝置中作為電動調節閥的旁路，起到階躍干擾的作用。本裝置的基本配置的控制器有調節儀表、比值器前饋反饋補償器、解耦裝置。（還可根據需要擴展遠程數據采集和PLC可編程控制系統）比值器、前饋反饋裝置，此控制器與調節器一起使用可以實現流量的單閉環比值、雙閉環比值控制系統試驗。解耦控制裝置與調節器一起使用可以實現鍋爐內膽與鍋爐夾套的溫度、上水箱液位與出口溫度的解耦控制系統實驗。2.2 力控組態軟件簡介圖2.1 力控圖標北京三維力控科技有限公司是專業從事監控組態軟件研發與服務的高新技術企業，核心軟件產品初創于1992年，公司以自主創新為動力，逐漸奠定

14、了在國內市場的領先地位。國產監控組態軟件唯一的完整的冗余與熱備體系設計，完整的分布式網絡結構，持控制設備冗余、多重網絡冗余，多客戶端冗余、冗余的主從站都可以操作，機監控圖形界面與過程數據處理分離，內置獨立的實時歷史數據庫。圖2.2 力控主界面實時歷史數據庫支持Windows/Unix/Linux 操作系統，數據庫開放接口支持遠程訪問；軟件具備獨立的Web Server，支持 Web Service 接口，支持PDA終端訪問方式；和設備支持多種通訊方式，上千種的驅動程序，支持多協議設備共用一條通訊總線，支持不同通訊鏈路切換。力控組態軟件特點：方便、靈活的開發環境，提供各種工程、畫面模板、可嵌入各

15、種格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等）的圖片，方便畫面制作，大大降低了組態開發的工作量；高性能實時、歷史數據庫，快速訪問接口在數據庫4萬點數據負荷時，訪問吞吐量可達到20000次/秒；強大的分布式報警、事件處理，支持報警、事件網絡數據斷線存儲，恢復功能；支持操作圖元對象的多個圖層，通過腳本可靈活控制各圖層的顯示與隱藏；全新的、靈活的報表設計工具：提供豐富的報表操作函數集、支持復雜腳本控制，包括：腳本調用和事件腳本，可以提供報表設計器，可以設計多套報表模板；提供在Internet/Intranet上通過IE瀏覽器以“瘦”客戶端方式來監控工業現場的解決方案；支持通過PDA掌上終端在I

16、nternet實時監控現場的生產數據，支持通過移動GPRS、CDMA網絡與控制設備或其它遠程力控節點通訊支持控制設備冗余、控制網絡冗余、監控服務器冗余、監控網絡冗余、監控客戶端冗余等多種系統冗余方式。全新的高性能實時、歷史數據庫。進程管理器：可按照配置安全啟動、停止各個程序進程，支持進程異常自動處理功能。可遠程監測各進程狀態，遠程啟、停進程，遠程上傳、下載工程應用或更新程序組件。圖2.3 力控進程管理界面報警、事件處理：強大的分布式報警、事件處理，支持報警、事件網絡數據斷線存儲，恢復功。功能強大的、開放的過程可視化監控平臺。報表生成器：提供豐富的報表操作函數集、支持復雜腳本控制，包括：腳本調用

17、和事件腳本。兼容Excel工作表文件，提供類Excel的絕大部分功能，包括：編輯功能、計算功能、圖表功能等。支持圖表顯示自動刷新，可輸出多種文件格式： Excel、TXT、PDF、HTML、CSV等。可實現多層表頭，可以實現報表嵌套，可以制作復雜的報表格式。具備打印、打印預覽、頁眉頁腳打印功能。報表實時數據庫和各種關系數據庫，可顯示、處理實時和歷史數據。提供報表設計器，可以設計多套報表模板。圖2.4 力控圖庫力控組態軟件的圖庫豐富，新版本更重新設計、開發實時和歷史趨勢、XY曲線、多功能報警、歷史報表、總貌畫面、溫控曲線、ADO歷史曲線等標準組件。新增多功能圖片顯示、GIF透明動畫、CAD圖形組

18、件等實用圖形工具。優化、改造了文本輸入、下拉框、列表框、復選框、多選按鈕、起始時間、時間范圍、歷史追憶等Windows控件。優化、改造了多媒體播放器、Flash播放器、瀏覽器、幻燈片等子圖。增加了大批如：PID調節器、手操器等實用子圖。2.2 matlab與simulink編程軟件介紹MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。是由美國mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學

19、研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來

20、解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優點，使MATLAB成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接調用，用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶直接進行下載就可以用。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統。Simulink具有適應面廣、結構和流

21、程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優點，并基于以上優點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統，也就是系統中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創建動態系統模型，Simulink

22、提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統的仿真結果。Simulink®是用于動態系統和嵌入式系統的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統，Simulink提供了交互式圖形化環境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執行和測試。構架在Simulink基礎之上的其他產品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB® 緊密集成

23、，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創建、建模環境的定制以及信號參數和測試數據的定義。圖2.5 MATLAB界面圖3 流量控制系統設計方案3.1 總體設計框架圖3.1 總體設計框圖3.2 流量控制系統的工作原理本次設計內容分為兩部分：單流量控制系統和流量比值控制系統。單流量控制系統的控制目的是要使被控流量與設定流量相等，并且在simulink仿真系統里添加擾動的情況下根據對應的控制傳遞函數進行對應的變化并最終趨近于設定流量。系統的被控對象為管道閥門，通過改變閥門開度控制系統流量。流量比值控制系統需要主動量和從動量兩個變量，從動量隨著主動量的變化進

24、行變化，同時這種變化呈現一種穩定的比值關系。4 方案仿真驗證本次設計的主要內容由于涉及比值控制系統，由于一些系統不能消除自身振蕩，總出現一些隨機變化，導致控制結果不穩定，所以在比較各種比值控制系統的過程中需要仿真驗證各個方案的可行性和差別，以此來選擇較好的控制方案。在比值控制方案方面可初步選擇單閉環比值控制系統和雙閉環比值控制系統進行比較。而單流量控制系統則不存在這些問題。4.1 單閉環流量控制系統的simulink仿真方案首先虛擬一個單閉環流量控制系統的傳遞函數，設傳遞函數的參數是隨機設定的。在仿真階段只要比較更好的控制效果即可，不需要知道確切傳遞函數的參數。單流量控制系統仿真界面：圖4.1

25、 simulink單回路流量仿真利用假定產生的傳遞函數，根據階躍輸入，調節PID控制器的參數，從示波器的輸出響應曲線觀察單回路流量控制系統的穩定性。4.2 傳遞函數的參數整定控制器參數整定：指決定調節器的比例系數Kp、積分時間Ti、微分時間Td和采樣周期Ts的具體數值。整定的實質是通過改變調節器的參數，使其特性和過程特性相匹配，以改善系統的動態和靜態指標，取得最佳的控制效果。整定調節器參數的方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法。理論計算整定法有對數頻率特性法和根軌跡法等；工程整定法有湊試法、臨界比例法、經驗法、衰減曲線法和響應曲線法等。工程整定法特點不需要事先知道過程的

26、數學模型，直接在過程控制系統中進行現場整定方法簡單、計算簡便、易于掌握。4.2.1 湊試法采用湊試法，按照先比例（P）、再積分（I）、最后微分（D）的順序。置調節器積分時間Ti=，微分時間Td=0，在比例系數Kp按經驗設置的初值條件下，將系統投入運行，由小到大整定比例系數Kp。求得滿意的1/4衰減度過渡過程曲線。引入積分作用（此時應將上述比例系數Kp設置為5/6 Kp）。將Ti由大到小進行整定。若需引入微分作用時，則將Td按經驗值或按Td=（1/31/4）設置，并由小到大加入。將TD置0，Ti調到最大，Kp從小到大輸入數值并調節。得到較好的衰減過渡過程曲線。4.2.2 臨界比例度法閉環控制系統

27、中，首先使Ti、Td置0，讓調節器處于純比例作用下，然后再從小到大調節比例系數，此時得到等幅振蕩的比例成為臨街比例度系數Ku。而又知道兩個相鄰波峰之間的距離即為振蕩周期。臨界比例度法整定PID參數的步驟：1）、將調節器的積分時間Ti置于最大（Ti=），微分時間置零（Td=0），比例系數Kp適當，平衡操作一段時間，把系統投入自動運行。2）、將比例系數Kp逐漸增大，得到等幅振蕩過程，記下臨界比例系數Ku和臨界振蕩周期Tu值。3）、采用經驗公式，根據Ku和Tu值，計算出調節器Kp、Ti和Td的值。按“先P再I最后D”的操作程序將調節器整定參數調到計算值上。若還不夠滿意，可再作進一步調整。臨界比例度法

28、整定注意事項：有的過程控制系統，臨界比例系數很大，使系統接近兩式控制，調節閥不是全關就是全開，對工業生產不利。有的過程控制系統，當調節器比例系數調到最大刻度值時，系統仍不產生等幅振蕩，對此，就把最大刻度的比例度作為臨界比例度進行調節器參數整定。表4.1臨界比力度法整定計算公式 調節器參數控制規律TITDP2k PI2.2kTK/1.2 PID1.6k0.5Tk0.25Tk4.2.3 阻尼振蕩法在閉合控制系統中，把調節器的積分時間TI置于最大，微分時間TD置零，比例度置于較大數值反復做給定值擾動實驗，并逐漸減少比例度，直至記錄曲線出現4：1的衰減為止。記錄下此時的4：1衰減比例度k和衰減周期Tk

29、。根據以下經驗公式計算調節器參數：表4.2阻尼振蕩整定計算公式 調節器參數控制規律TITDPS PI1.2S0.5TS PID0.8S0.3TS0.1TS本設計采用阻尼振蕩法。根據上述步驟，首先將積分時間Ti調到最大，而微分時間常數Td調為0.而比例系數較大。則有，傳遞函數的參數中，I值為0，K值比較小。首先根據MATLAB的單回路流量控制仿真圖做出階躍響應曲線圖如下：圖4.2整定前單流量控制系統曲線圖根據步驟，調整I值和K值，使曲線衰減比近似4:1，調整數據如下：參數：K=12.衰減比近似4:1.周期大約為0.5S。根據上述公式，可得到PID參數： K1=12.5.Ti=300.Td=0.0

30、2.參數整定后系統曲線圖如下：圖4.3 參數整定后單流量系統曲線圖4.3 單閉環流量比值控制系統的仿真方案既然是單回路的比值系統，那即是調節器控制輸入流量直接進行比值變化，假定比值系數為一個定值，模擬一個單回路流量比值控制系統，根據上面的經驗，設計MATLAB仿真界面如下：圖4.4 單回路比值控制系統仿真方案圖中比值系數K取常數值，比如3。則系統曲線圖未整定前如下：圖4.5參數整定前單閉環流量比值控制曲線圖將TD置0，Ti調到最大，Kp從小到大輸入數值并調節。得到較好的衰減過渡過程曲線。圖4.6 PID整定運行曲線2在8秒加入擾動，可見系統曲線如圖：圖4.7單閉環比值控制系統加入擾動后由此圖可

31、見,由于主動量是開環，易受干擾，擾動對系統影響較大，并且超調過高，在擾動后振蕩還無法消除，使得從動量受到的影響過大，因此不夠穩定。4.4 雙閉環流量比值控制方案設計兩條回路，主副回路分別是主動量和從動量輸出，主回路輸出流量為主控流量Q1，副回路輸出流量為從動流量Q2。根據系統要求，Q2與Q1呈現比值關系。其中比值器數值K為一個常數，同上，取3.則設計雙閉環流量比值控制方案仿真界面：圖4.8雙閉環比值控制方案仿真圖分別對Q1、Q2兩個輸出流量的PID調節器進行參數整定。使系統控制效果達到預期的比值關系。改變PID參數，使得Q1穩定曲線圖如圖4.9所示：圖4.9雙閉環比值控制系統Q1曲線Q2的穩定

32、曲線如圖4.10所示：圖4.10雙閉環比值控制系統Q2曲線利用同樣的原理，在相同時刻加入相同擾動，觀察系統穩定性。加入擾動后Q1流量曲線圖：圖4.11擾動后Q1曲線圖Q2曲線：圖4.12擾動后Q2曲線根據比較，雙閉環比值控制系統在消除自身振蕩方面比較優越，同時在添加擾動之后超調較小。單閉環比值控制系統的自身振蕩不能消除，從而導致從動量跟著主動量的波動一起變化，使該系統控制后的流量不是一個定值。顯然雙閉環比值控制系統較好的避免了這一缺點。因此本次畢業設計采用雙閉環流量比值控制系統。5 控制方案傳遞函數的獲取5.1 單回路流量控制系統實驗設計通過改變調節閥開度，增減水箱的流入水量大小，從而達到兩個

33、流量的穩定關系。主控流量Q1作為流程的輸入量，被控流量Q2作為流程輸出量，靜態時Q1=Q2，當Q1發生變化時Q2也隨之變化，控制目的要求Q2趨近于Q1。假設水箱液位為h，水箱截面積為A。根據動態物料平衡：Q1-Q2=A(dh/dt)Q1-Q2=A(dh/dt)則有：Q1=Q2+A（dh/dt）。Q1=Q2+A（dh/dt）。傳遞函數為：W(s)=Q2(s)/Q1(s)=K/(TS+1).其中T為時間常數。K為放大系數。利用階躍響應實驗法，增減水箱的流入水量大小，從而改變水箱流出閥門實現對被控流量的階躍信號輸出。根據結構圖連接實驗線路，手動操作調節器,控制調節閥開度，初始開度OP1=30,等到水

34、箱的液位處于平衡位置時，即流出流量和流入流量達到平衡。改變調節閥開度到OP2=40,即對上水箱輸入階躍信號，使流入流量階躍變化，其液位離開原平衡狀態。經過一定調節時間后，水箱液位重新進入平衡狀態，流出流量和流入流量重新達到平衡。根據實驗獲得一組單流量階躍控制數據:表5.1 輸入流量階躍響應數據表11.85611.781120.1223.98714.211219.8735.97816.131320.0248.01917.991419.65510.351019.981520.115.2 單流量控制系統傳遞函數獲取根據參數表，利用MATLAB繪圖：>>x=0:1:15；>>

35、y=0 1.853.985.97 8.01 10.35 11.78 14.21 16.13 17.99 19.98 20.12 19.87 20.02 19.65 20.11；>> p=plot(x,y)；圖5.1單流量控制系統輸入輸出數據圖階躍響應擾動值為10，則靜態放大系數K=階躍響應曲線的穩態值與階躍擾動值之比K0=/.=2.01.取t=T0、2T0、3T0。求出T=10.傳遞函數為G1(s)=2.01/(10s+1).5.3 雙閉環比值控制系統實驗5.3.1 比值系數運算設流量變送器的輸出電流和輸入電流間成線性關系，當流量Q1由0Qmax變化時，相應變送器的輸出電流為420

36、mA。由此可知，任一瞬時主動流量Q1和從動流量Q2所對應變送器的輸出電流分別為I1=Q1/Q1max*16+4 （1）I2=Q2/Q2max*16+4 （2）式中Q1max和Q1max分別為Q1和Q2最大流量值。根據上面數據表，設最大流量值分別為20和20.12.K1值為2.01。假定設計要求Q2/Q1=k,則式（1）可改寫為Q1=（I1-4）/ Q1max （3）同理式（2）也可改寫為Q2=（I2-4）/ Q2max （4）于是求得Q2/Q1=（I2-4） /（ I1-4）* Q2max/Q1max折算成儀表的比值系數K1為：K1=K*Q1max/Q2max即比值控制器的比值系數K1=2.0

37、1*20/20.122.5.3.2 比值控制系統傳遞函數獲取根據比值系數，控制下方閥門開度，可獲得一組流量變化數據。比值控制系統數據表如下：表5.2 比值控制系統數據表11.98714.561326.521938.122550.053159.9924.13816.871429.012040.022652.143260.0536.02918.881530.342142.012754.023361.0248.101020.101633.102244.132856.013460.12510.231122.531734.612346.122958.083560.05612.421224.331836.

38、202448.063060.033660.01根據參數表，利用MATLAB繪圖：>>x=0:1.5:36；>> y=0 1.984.136.02 8.10 10.23 12.42 14.56 16.87 18.88 20.10 22.53 24.33 26.52 29.01 30.34 33.10 34.61 36.20 38.12 40.02 42.01 44.13 46.12 48.06 50.05 52.14 54.02 56.01 58.08 60.03 59.99 60.05 61.02 60.12 60.05 60.01；>> p=plot(x,

39、y)；圖5.2 流量比值控制系統輸入輸出數據曲線階躍響應擾動值為10，則靜態放大系數K等于階躍響應曲線的穩態值與階躍擾動值之比K0=/.=6.12.取t=T0、2T0、3T0。求出T=30.傳遞函數為G1(s)=6.12/(30s+1).6 流量控制系統設計6.1 單回路流量控制系統設計由于實驗裝置自帶控制閥門，流量控制通過改變閥門開度來實現，所以比較方便控制。單流量控制系統的大概設計圖如圖6.1所示：圖6.1單流量控制系統概圖系統的被控對象為管道，流經管道中的液體流量Q作為被控量。由于系統的控制任務是維持被控制量恒定不變，即在穩態時總等于給定值。因此需把流量Q經檢測變送后的信號作為系統的反饋

40、量。系統的控制方框圖：圖6.2 單流量控制系統結構框圖根據結構圖，在力控組態軟件界面設計相關人機界面如圖6.3所示：圖6.3單流量控制系統人機界面創建數據庫變量：圖6.10 模擬I/O點配置圖6.4 數據I/O點配置其中Q1為系統設定流量，即主控流量，Q2為系統從動流量。設定流量手動輸入數值，關聯主控流量Q1：開始和結束的按鍵動作如下：圖6.5 運行界面輸出的被控流量關聯Q2變量：圖6.6 改變變量輸入創建趨勢曲線，關聯兩個控制變量Q1、Q2:圖6.7 趨勢曲線建立PID手操器并且設置相關變量：圖6.8 PID手操器屬性界面圖6.9 PID手操器變量設置界面圖6.10 PID手操器參數整定界面

41、系統運行結果曲線如圖6.11所示：圖6.11 運行結果曲線圖6.2 雙閉環流量比值控制系統的設計流量比值控制系統結構概圖如圖6.12所示：圖6.12流量比值控制系統概圖雙閉環流量比值控制系統有兩條支路，一路是來自于主回路的流量Q1，它是一個主動量；另一路是來自于副回路的流量Q2，它是系統的從動量。要求從動量Q2能跟隨主動量Q1變化而變化，并且兩者之間保持一個定值的比例關系，即Q2/Q1=K。結構框圖如下：圖6.13 流量比值控制系統結構框圖力控組態軟件設計人機界面：圖6.14雙閉環流量比值控制系統人機界面界面按鈕開始與停止動作：圖6.15動作程序圖創建數據庫變量：圖6.16數據庫變量創建實時曲線圖關聯變量：圖6.17實時趨勢曲線關聯數據變量創建主副回路PID手操器并進行變量關聯：圖6.18 主回路PID手操器變量設置圖6.19主回路PID手操器參數設置圖6.20副回路PID手操器變量關聯圖6.21副回路PID手操器參數整定關聯運行結果曲線如圖6.22所示：圖6.22雙閉環比值控制系統運行結果曲線這樣，兩種流量控制系統：單回路流量控制系統、雙閉環流量比值控制系統就設計完成了。只要通過更改力控組