双闭环比值控制课程设计论文

双闭环比值控制课程设计论文

摘 要

实现两个或两个以上的参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统，用来保持两种物料的流量保持一定的比值关系。双闭环比值控制系统能实现主动量的抗扰动、定值控制，使主、从动量均比较稳定，从而使总物料也比较平稳。

本次的课程设计分析控制系统各个环节的动态特性，通过机理分析法和试验法两种建立数学模型，应用“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”进行数学模型的数据仿真。采用双闭环比值控制系统控制方案，电动阀支路的流量是系统的主动量，变频器-磁力泵支路的流量是系统的从动量。

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课程设计的目的 ..................................................................... 1

2.2课程设计的要求 ..................................................................... 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 ................................................. 3

2.5比值系数的计算 ..................................................................... 3

三．单回路参数整定 ........................................................................... 4

3.1被控对象特性测试方法 ......................................................... 4

3.2电动阀传递函数测试 ............................................................. 6

3.3变频器——磁力泵传递函数测试 ......................................... 7

3.4用MATLAB进行仿真 ........................................................... 8

四．比值控制系统参数调节 ....................................................... 10

4.1比值控制系统参数的整定 ................................................... 10

五．设备使用说明 ............................................................................. 10

5.1 系统主要组成 ...................................................................... 10

5.2 操作前准备 .......................................................................... 12

5.3 控制面板接线说明 .............................................................. 13

六. 实验结果与分析 .......................................................................... 13

6.1比值控制器值不同下的实验结果 ....................................... 13

6.2加入扰动时的响应曲线 ....................................................... 15

6.3双闭环比值控制系统实际操作调试结果 ........................... 16

6.4双闭环比值控制系统实际操作输出曲线 ........................... 17

七．心的体会 ..................................................................................... 17

参考文献 ............................................................................................. 18

附录：实验总图 ................................................................................. 19

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课程设计的目的

在本课程设计中，通过一个完整的生产过程控制系统的设计，使学生在进一步加深理解和掌握《过程控制系统》课程中所学内容的基础之上，着重训练学生将《过程检测与控制仪表》、《自动控制原理》、《微机控制技术》和《过程工程基础》等课程中所学到知识进行综合应用。锻炼学生的综合知识应用能力，让学生了解一般工程系统的设计方法、步骤，系统的集成和投运。

2.2课程设计的要求

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。

7.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

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。双闭环比值控制系统的结构图，如图

2.1

图2.1双闭环比值控制系统的结构图

从图中可以看出，双闭环比值系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上由一个定值控制的主动量回路（Q1）和一个随主动量变化的从动量随动控制回路（Q2）组成，并通过比值器发生联系。凡是两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统，均需采用比值控制系统。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，无论主回路或从动回路都有各自的调节对象，测量变送元件和调节器。应

该指出，系统中尽管有两个调节器，它们的作用各不相同。调节器1和调节器2具有自己独立的设定值，分别控制主动量回路和从动量回路。

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，使主、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器的给定值，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。当需要实现动态比值关系时，比值器不能省。

双闭环比值控制所用设备较多、投资较高，而且运投比较麻烦，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。

2.5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

I1=Q1⨯16+4 (1) Q1max

I2=Q2⨯16+4 (2) Q2max

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

Q1=(I1-4)Q1max (3) 16

同理式（2）也可改写为

Q2=(I2-4)Q2max (4) 16

于是求得

Q2I2-4Q2max= (5) Q1maxQ1I1-4

折算成仪表的比值系数K′为:

K′ = K Q1max (6) Q2max

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

通过分析建模可知，其数学模型为：

W0(s)=H(s)K (7) =Q1(s)Ts+1

式中T=RC为水箱的时间常数，K为放大系数，K=R；C为水箱的容量系数。若令Q1(s)作阶跃扰动，即Q1(s)=

H（S）=X0，则 SK/TX0X0KX0×=K- (8) SSS+S+TT

对上式取拉氏反变换得

h(t)=KX0(1-e-tT) (9)

当t—>∞时，h（∞）=KX0，因而有

K=h（∞）/X0=输出稳态值/阶跃输入当t=T时，则有

-1h(T)=KX（=0.632KX0=0.632h(∞) (10) 01-e）

由上可知一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图3.1所示。当由实验求得图2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%。

图3.1 单容水箱的单调上升指数曲线

所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐

标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。如果对象的阶跃响应曲线为图3.2，则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：Ke-τs

H(S)= (11) 1+Ts

图3.2 单容水箱的阶跃响应曲线

3.2电动阀传递函数测试

电动阀输入与输出特性的方框图如图3.3所示：

图3.3电动阀输入与输出特性方框图

在t0时给电动阀的输入量，得出相应的曲线。如图3.4所示

图3.4 电动阀的输入量特性曲线图

K=3.8/0.4=9.5 T=1.44

所以电动阀的数学模型为

H(S)=9.5/（1.44S+1） （12）

3.3变频器——磁力泵传递函数测试

变频器——磁力泵输入与输出特性的方框图如图3.5所示：

图3.5磁力泵输入与输出方框特性图

与电动阀传递函数相同，得出其相应曲线如图3.6所示：

图3.6 磁力泵输入与输出特性曲线图

K=6.4/0.4=16

T=2.4

所以变频器的数学模型为

H（S）=16/（2.4S+1） （13）

3.4用MATLAB进行仿真

如图3.7所示为电动阀、变频器——磁力泵两个回路在MATLAB的仿真：

图3.7 MATLAB仿真原理图

仿真的响应曲线如图3.8和图3.9所示：

图3.8主变量流量曲线图

图3.9副变量流量曲线图

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。

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。

压力传感器、变送器：采用工业用的扩散硅压力变送器，含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。

温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～ 20mADC电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。

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。

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4～20mADC或1～5mADC，输出4～20mADC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：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。

可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。

电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/cm2，最大压力为7Kg/cm2 ；工作温度：－5～80℃。

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。

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=33;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

控制面板如图5.1所示：

图5.1控制面板图

六.实验结果与分析

6.1比值控制器值不同下的实验结果

设定设定值为6.0 l/min，电动调节阀支路调节器参数，比例系数是10，积分系数为30。变频器支路调节器参数，比例系数是20，积分系数为45。比值控制器为0.5。可以得到如下测量结果，设置参数及数据曲线如图6-1。

图6-1 比值控制器值为0.5

设定设定值为6.0 l/min，电动调节阀支路调节器参数，比例系数是10，积分系数为30。变频器支路调节器参数，比例系数是20，积分系数为45。比值控制器为0.63。如图6-2。

图6-2 比值控制器值为0.63

6.2加入扰动时的响应曲线

图6.3加入扰动时的响应曲线图

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自动调节输出曲线

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。

6.3双闭环比值控制系统实际操作调试结果

图6.5 双闭环比值控制系统实际操作调试结果

由图可以得出主回路调节器最佳的比例系数P=10，积分时间T=30。副回路调节器最佳的比例系数P=20，积分时间T=45。

6.4双闭环比值控制系统实际操作输出曲线

图6.6 双闭环比值控制系统实际操作输出曲线

由图可以看出，两个流量之间有着固定的比例关系。比例控制值为0.5。因此，此双闭环比值控制是稳定可靠的。

七．心得体会

过程控制应用性比较强，必须亲自动手调一调参数才能更深刻的理解什么叫过程控制。PID参数调节从来就不是容易的事。通过不停的调试来获取最佳的PID参数是其中一种很常见的方法，但如果没有理论的指导，具有很大的盲目性。另外matlab的功能时非常强大的，数据仿真，为我们调试提供了很大的指导。深刻认识到这款软件是自动化必备的。