1、東北大學秦皇島分校控制工程學院過程控制系統課程設計 設計題目：智能化流量控制系統設計 學 生： 專 業： 班級學號： 指導教師： 設計時間：2013.7. 1-2013.7.6目錄一. 設計任務3二前言3四 系統硬件設計5 4.1 設備的選型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6 4.2 硬件電路7五軟件設計8 5.1 控制規律的選擇8 5.2 MATLAB 仿真85.2.1 傳遞函數的確定85.2.2 采用數字PID控制的系統框圖95.2.3 基于臨界比例度法的PID參數整定95.3程序編寫12六結束語16七參考文獻17附頁.Matlab 仿真

2、程序及原始圖表17一. 設計任務1、 系統構成：系統主要由流量傳感器，PLC控制系統、對象、執行器（查找資料自己選擇）等組成。傳感器、對象、控制器、執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，繪制流量控制系統組成框圖。3、系統硬件電路設計自選。4、編制流量測量控制程序：軟件采用模塊化程序結構設計，由流量采集程序、流量校準程序、流量控制程序等部分組成二前言 本課程設計來源于工業工程中對于流量的監測和控制過程，其目的是利用PLC來實現過程自動控制。目前，PLC使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制，應用領域極為廣泛，涉及到所有與

3、自動檢測、自動化控制有關的工業及民用領域。PLC通過模擬量I/O模塊和A/D、D/A模塊實現模擬量與數字量之間的轉換，并對模擬量進行閉環控制。三系統控制方案設計圖3.1 控制系統工藝流程圖 如圖3.1所示為智能化流量控制系統的工藝流程圖，要求實現對管道中水流量的控制，該系統只有一個過程參數即管道的水流量，故可采用單回路控制系統實現控制要求。 該控制系統中，被控量為水的流量，控制量為水泵電機的轉速，控制器選用PLC和變頻器,傳感變送器選用電磁流量傳感器，執行器選用水泵電機。根據工藝流程圖畫出系統框圖，即圖3.2。圖3.2系統框圖從上圖看出，該控制系統分為：控制機構；信號檢測變送機構； 

4、執行機構(l)控制機構：本系統的控制機構包括控制器(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生的偏差進行一定規律（PID控制規律）的運算，并輸出統一標準信號, 去控制執行機構的動作，以實現對過程量的自動控制。變頻器可以通過RS-485通信協議和接口直接與西門子PLC相連，便于設備之間的通信，通過變頻調速器和接觸器對執行機構(即水泵電機)進行控制；使用變頻器的作用就是為了調速，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速用，又叫變頻調速器。變頻器是對水泵電機進行轉速控制的單元，其跟蹤控制器送來的控制信號

5、改變水泵電機的轉速控制(2) 信號檢測變送機構：在系統控制過程中傳感變送器選用電磁流量傳感器將工業生產過程參數經檢測變送單元轉化為標準信號，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的主要反饋信號。該信號是模擬信號，在模擬儀表中，標準信號通常采用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轉換。 (3) 執行機構：執行機構由水泵和電機組成，即把水泵與電動機直接連接在一起，但不需要傳動軸。它具有結構簡單，體積小，重量輕，安裝、運行成本低，維護方便，節能效果好，噪音低的有

6、點。它用于將水供入管道，通過變頻器改變電機的轉速，以達到控制管道水流量的目的。  智能化流量控制系統以供水出口管道水流量為控制目標，在控制上實現出口管道的實際流量跟隨設定的水流量。水流量的設定值可以是一個定值，也可以是一個時間分段函數，在每一個時段內是一個常數。4 系統硬件設計 4.1 設備的選型 設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、編程簡單等優點，故該控制系統采用PLC作為控制器。由于水流量自動控制系統控制設備相對較少，因此，我們選用西門子S7-200系列PLC，

7、該系列PLC結構緊湊，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。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.根據控制系統實際所需端子數目，并考慮PLC端子數目要有一定的預留量，因此，CPU選用西門子CPU 224，其開關量輸出為10點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關量輸入為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，模擬量輸出點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。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

8、個模擬量輸出通道。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通信協議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設備之間的通信。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

9、流量，通常安裝在的出水口，流量轉換器是將水管中的水流量的變化轉變為420mA的模擬量信號，作為A/D轉換模塊的輸入，選型時，為減少傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用420mA輸出流量轉換器。  根據上述分析，本課設中選用電磁流量傳感器SHLDZ、電磁流量轉換器SHLDZ1實現流量的檢測、顯示和變送。流量表測量范圍00.6m3/h，精度1.0。轉換器輸出420mA電流信號，該模擬信號經A/D轉換模后讀入并與設定值進行比較，將比較后的偏差值進行PID運算，再將運算后的數字信號通過D/A轉換模塊轉換成模擬信號，送給與CPU224連接模擬量模塊EM235，作為PID調節的反饋電信號。4.1.4

10、執行器的選型水泵電機的選型基本原則：確保平穩運行；選用的電機必須與系統用水量的變化幅度相匹配，則電機經常處于高效區運行，以求取得較好的節能效果。 本課設的要求為：電機額定功率0.37KW,額定轉速為2800r/min。根據本設計要求確定采用1臺SFL低轉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，葉輪、導葉采用鑄造件，經過靜電噴塑處理，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；采用低進低出的結構設計，水力模型先進，性能更可

11、靠。它可以輸送清水及理化性質類似于水的無顆粒、無雜質不揮發、弱腐蝕介質，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調冷卻系統、消防給水等。4.2 硬件電路五軟件設計5.1 控制規律的選擇PID控制是控制系統中技術成熟、應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點。本控制系統采用離散PID控制規律。位置型離散PID控制規律表達式如下:式中：Kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數。(1) 比例環節：快速調節有余差，P過大，系統穩定性會變差 。(2) 積分環節：表明控制器的輸出與偏差持續的時間有關。積分環節主要用于消除靜差

12、，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，易引起系統超調量加大，反之則越強，易引起系統振蕩。 (3) 微分環節：改善動態性能，超前調節，預測功能。微分調節器不能單獨作用。5.2 MATLAB 仿真5.2.1 傳遞函數的確定用MATLAB中的Simulink仿真該控制系統，整定PID參數。由于用Simulink仿真需要知道各環節傳遞函數，經查資料，找到變頻器，水泵電機，管道傳遞函數近似分別為：， ， 。傳感器傳遞函數為1。在Matlab中采用c2d函數將各環節傳遞函數離散化，轉化為差分方程。分別依次為：，。傳感器的離散傳遞函數仍為1。當

13、不加任何控制器時，系統的單位階躍響應曲線如下圖3所示：圖5.1無控制器時階躍響應曲線5.2.2 采用數字PID控制的系統框圖由于采用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參數整定臨界比例度法整定離散PID參數的仿真數字PID的表達式為步驟概括：（1） 利用開環連續傳遞函數的根軌跡圖或勞斯定理求取系統等幅振蕩時（此時P=，I=0，D=0）的臨界比例度和臨界振蕩周期；（2） 根據臨界比例度法整定參數的經驗算式表，求出PID控制器理論上的最佳參數值；（3） 如果按以上參數整定，系統的超調量、調節時間等性能

14、指標還不符合要求，則要根據P、I、D參數大小對系統的影響，做適當改變，以提高PID控制器的調節質量。具體仿真方法：先令I=0，D=0，采樣周期取較小的值即Ts=0.001，調整P，使階躍響應曲線等幅振蕩，可知，當臨界比例K=5.27時，響應曲線等幅振蕩，響應曲線如下圖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，查表計算得 對應該仿真模塊：，然后根據實際響應曲線調整參數(二次整定)為：P=3.0 ，I=0.025，D=0.01對應，對應單位階躍響應曲線如下所示：圖5.3二次整定單位階躍響應曲線由圖5.3估算得： 響應超調量為15.3%，3%誤差帶調節時間4.7

15、s，所以調節質量較好。5.3程序編寫5.3.1 PLC寄存器分配5.3.2程序流程圖子程序開始主程序開始設置PID參數：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裝入回路設定值為1開始掃描，啟動子程序開計時器時間是否到達?N子程序結束Y1） 對采樣的數據進行處理做PID運算2）重置定時器主程序結束5.3.3源程序源程序如下圖所示：1 主程序2 初始化子程序六結束語基于PLC的智能化流量控制系統設計目的是實現對管道水流量的控制，我們采用單回控制系統進行設計。調試方面，由于在硬件設備上缺乏相應的變頻器、水泵電機和電磁流量傳感變送器。于是我們利用Matl

16、ab中simulink仿真該系統的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的基礎上，采用臨界比例度法整定PID參數（包括二次整定），從而仿真得到比較理想的階躍響應曲線。另外該課設還可以適當擴展，設計一個上位機來對控制過程參數（管道水流量）進行設定以及對控制過程進行監控。通過本次課程設計，使我對過程控制系統這門課程有了進一步的掌握，對所學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1、 黃永紅主編 電氣控制與PLC應用技術 機械工業出版社2、 顧德英等主編 計算機控制技術 北京郵電大學出版社3、 任彥碩等主編 自動控制系統 北京郵電

17、大學出版社4、 李紅，鄭穎，秦武軒 PID控制的泵供水系統仿真實驗 附頁.Matlab 仿真程序及原始圖表1、求取系統開環傳遞函數的根軌跡（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、傳遞函數離散化程序 2.1變頻器傳遞函數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') % 轉化為差分方程% extractnum, den = tfd

18、ata(dsys,'v') % 提取差分方程系數>> 2.2水泵電機傳遞函數 離散化為差分方程程序>> b=0.75;>> a=1,2.5;>> sys = tf(b,a);% discretizets = 0.1; % 采樣周期dsys = c2d(sys, ts, 'z') % 轉化為差分方程% extractnum, den = tfdata(dsys,'v') % 提取差分方程系數>> 2.3管道傳遞函數離散化為差分方程程序>> b=-1,1;>> a=1

19、0,1;>> sys = tf(b,a);% discretizets = 0.1; % 采樣周期dsys = c2d(sys, ts, 'z') % 轉化為差分方程% extractnum, den = tfdata(dsys,'v') % 提取差分方程系數>> 3、simulink仿真框圖4、.輸出響應曲線原始圖表 圖5.1無控制器時階躍響應曲線（原始曲線） 圖5.2等幅振蕩曲線（原始曲線）圖5.3二次整定單位階躍響應曲線（原始曲線）5. 利用MATLAB命令將simulink示波器的圖形畫出的相應程序curve=plot(aa(:,