单闭环流量定值控制系统设计

《单闭环管道流量比值控制系统》过程控制系统课程设计说明书专业班级：11级自动化1班姓名：孙勇李自强周程鲍凯学号：080311009 080311022080311035 080311047指导教师：陈世军设计时间: 2014年6月11日物理与电气工程学院2014年 6 月11 日摘要在现代工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料流量保持一定的比例关系，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。

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，称之为流量比值控制系统，这次课程设计的内容就是流量比值过程控制系统。

流量测量是比值控制的基础。

各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流量选在满量程的70%左右），必须正确选择使用。

在工程上，具体实施比值控制时，通常有比值器、乘法器或除法器等单元仪表可供选择，相当方便。

若采用计算机控制来实现，只要进行乘法或除法运算即可，我们这次就主要使用计算机及组态王软件进行设计。

关键词：组态王；流量；比值控制系统目录1、引言 (1)1.1主要内容 (1)1.2任务要求 (1)2、设计方案 (2)2.1设计原理 (2)2.2系统原理图 (2)2.3 仿真调试 (3)3、硬件设计 (4)3.1使用仪器 (4)4、软件设计 (7)4.1 程序 (7)4.2 系统组态设计 (11)4.2.1组态图 (11)4.2.2静态画面 (12)4.2.3数字字典 (14)4.2.4系统应用程序 (16)4.2.5动画连接 (17)5、课程设计总结 (17)6、参考文献 (18)1、引言1.1主要内容本课程设计是学完《过程控制系统》课程后的一个应用性实践环节。

通过本课程设计的训练，对过程控制工程设计的概念有完整地了解，同时培养综合应用基础课、专业课所学知识与工程实际知识的能力。

工业过程控制课程设计题目: 基于组态软件流量单回路过程控制系统院系名称：电气工程学院专业班级：学生姓名：学号：指导教师：设计地点：中2-211 设计时间：设计成绩：指导教师：本栏由指导教师根据大纲要求审核后，填报成绩并签名。

工业过程控制课程设计任务书摘要流量单闭环控制系统时间上就是根据流量传感器来检测管道中的流量，再通过也为传感器来检测容积的液位，送人计算机，让计算机按照PID控制规律就行分析计算从而调节管道中的流量，实践上就是控制电动阀的阀门开度的大小，从而实现液位定位，和流量定位。

关键字：流量液位传感器，电动阀，PID控制规律目录摘要 (2)目录 (3)1.设计目的与要求 (4)1.1设计目的 (4)1.2设计要求 (4)2.系统的设计结构 (4)2.1对对象的认识 (4)2.2方案设计 (5)2.3系统结构 (6)3.仪器仪表的选择 (6)3.1液位传感器 (7)3.2电动阀的选择 (7)3.3电磁流量传感器 (7)3.4水泵选择 (8)3.5模拟器件选择 (8)4.系统组态设计 (9)4.1工艺流程图与系统组态图设计 (10)4.2流量单回路闭环系统的组态图 (10)4.3 数据字典 (11)4.4 应用程序 (11)4.5 动画连接 (12)5.设计心得 (13)参考文献 (13)附录A 流量比值控制系统PID控制算法 (14)附录B PID控制算法流程图 (14)1设计目的与要求1.1 设计目的这次设计单回路流量闭环控制系统，通过组态王软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID 控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的流量单回路过程控制系统。

并满足控制系统所要求的稳定性，快速性和准确性。

1.2 设计要求(1) 根据流量单回路过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。

(2) 根据流量单回路过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。

标题：探究基于MCGS的单闭环流量比值控制系统的设计在当今工业自动化控制系统中，流量控制系统是至关重要的一环。

而基于MCGS（多变量控制系统）的单闭环流量比值控制系统的设计，更是一项挑战而又高效的技术。

本文将从深度和广度探讨该主题，帮助读者更好地理解这一概念。

一、流量控制系统概述1.1 什么是流量控制系统在工业生产中，流体的流动是一个普遍存在的过程，而流量控制系统则是用来准确控制流体的流动速度、流量和压力的系统。

它可以应用在化工、石油、制药等领域，对生产过程起着至关重要的作用。

1.2 流量控制系统的主要组成部分基于MCGS的单闭环流量比值控制系统由哪些主要组成部分组成？（这里可以详细介绍各个部分的功能和作用）二、基于MCGS的单闭环流量比值控制系统的设计2.1 MC基于MCGS的单闭环流量比值控制系统的设计，首当其冲的就是MC （多变量控制系统）。

MC是一种先进的控制系统，它采用多个输入、多个输出（MIMO）的控制方法，相比传统的单变量控制系统（SISO），MC能够更准确地控制流量的比值。

2.2 单闭环流量比值控制系统（这里可以详细描述单闭环流量比值控制系统的特点和设计原理，以及与MC的结合）三、个人观点和理解在我看来，基于MCGS的单闭环流量比值控制系统的设计不仅是技术创新的体现，更是工业自动化控制系统发展的必然趋势。

它将有效提高生产过程的稳定性和效率，为工业生产带来巨大的益处。

总结和回顾通过本文的探讨，我们对基于MCGS的单闭环流量比值控制系统的设计有了更深入的了解。

从流量控制系统的概述，到MC和单闭环流量比值控制系统的设计，再到个人观点和理解，我们获得了全面、深刻和灵活的知识体系。

基于MCGS的单闭环流量比值控制系统的设计是一项充满挑战和机遇的工作，它必将推动工业自动化控制系统向更高水平迈进。

希望本文能够帮助读者更好地理解和应用这一技术，为工业生产带来更大的效益。

在文章中，我尽力多次提及了指定的主题文字“基于MCGS的单闭环流量比值控制系统的设计”，并按照知识的文章格式进行撰写，保证了文章内容的丰富和深度。

摘要当今，自动化控制系统已经在各行业得到了广泛的应用和发展，而直流调速系统控制作为电气传动的主要方式之一，在现代化生产中起着主要作用。

随着微电子技术的发展，集成芯片在调速系统中的应用不仅使系统简化，体积减小，可靠性提高，而且各种经典和智能算法都分别在调速系统中得到了灵活的应用，以此来实现最优控制。

本设计从直流电动机的工作原理入手，并详细分析了系统的原理与其静态和动态性能。

然后按照自动控制原理，对转速闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，还在直流调速系统理论研究的基础上，对转速闭环直流调速系统中的转速调节器采用PI控制算法；提出了PI参数的整定方法，转速闭环直流调速系统是性能很好，应用广泛的直流调速系统, 采用转速闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。

转速闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。

在设计中采用TL494控制的PWM 脉宽调节作为控制电路。

关键词：PWMVDMOS 转速闭环ABSTRACTNowadays, automation control system has been widely in industries, and the application and development of electric control system of dc speed as the main method of transmission, in modern plays a main role in production. Along with the development of microelectronics technology, integrated chips in the governing system not only makes the application system, volume decreases, and reliability, and various classic and intelligent algorithm in the governing system of the flexible application, so as to achieve the optimal control.This design from the working principle of dc motor are analyzed in detail, and the principle and system static and dynamic performance. Then according to the principle of the automatic control system of single loop, the design parameters of analysis and calculation, and also in dc speed control system based on the study of the theory of single closed loop speed regulator in the dc speed control system by PI control algorithm,, the speed closed loop dc speed control system is performance is very good, one of the most widely used dc speed control system, adopt single closed loop speed dc speed control system can get good static and dynamic characteristics of speed. Speed single closed loop control dc speed control system, the characteristics and the design method of ac, dc power is dragging the automatic control system is the important foundation. In the design of TL494 adopted PWM control pulse width adjustment as the control circuit. Keywords: PWM VOMOS CLOSED LOOP SPEED REGULATION目录前言1第1章PWM单闭环直流调速控制系统方案的确定21.1 PWM单闭环直流调速系统拖动方案的确定21.1.1 直流电机的选择与调速方法21.1.2 电力拖动供电方案的确定31.2 PWM单闭环直流调速系统控制方案的确定51.2.1 采用转速闭环直流调速的理由71.2.2 选择PWM控制系统的理由71.2.3 选择VDMOS的主电路的理由8第2章转速单闭环直流调速控制系统92.1 转速单闭环直流调速系统的系统组成92.1.1 转速控制的要求102.1.2 转速调速指标102.1.3 调速围、静差率和额定速降之间的关系112.2 转速单闭环直流调速系统的原理图122.2.1 转速单闭环直流调速系统的静特性分析122.2.2 转速单闭环直流调速系统的稳态结构图13第3章变流器主电路和保护环节设计153.1 PWM信号发生器153.1.1 TL494芯片的主要特点153.1.2 TL494引脚各端子功能173.1.3 TL494的工作原理173.2 检测环节183.2.1 转速检测与其测速发电机183.2.2过电流保护环节 (19)3.2.3电机驱动电路203.2.4调速方法 (2)13.3 调节器的选择与调整213.3.1 调节器电路213.3.2 调节器限幅22第4章调速系统动态参数的工程设计244.1 调节器工程设计方法的基本思路244.2 转速调节器的设计254.2.1转速调节器的选择254.2.2 转速调节器参数的选择25结论27参考文献28附录错误!未定义书签。

开封大学毕业论文单闭环流量定值控制系统专业：[电气自动化]班级：[2班]学生姓名：[毕士杰]指导教师：[曹红英]完成时间：2018年10月13日目录第1章实验装置介绍 (1)1.1对象系统组成 (1)1．2 对象系统主要特点 (2)第2章系统的方案设计 (3)2.1硬件设计 (5)2.2软件设计 (6)第3章组态王软件设计 (10)3.1组态王软件介绍 (10)3.2使用组态王 (11)3. 3 创建组态画面 (14)3. 4 动画连接 (18)第4章系统中的问题和解决方案 (22)4.1控制规律的确定 (22)4.2调节器参数的整定方法 (23)总结 (27)参考文献 (28)第1章实验装置介绍1.1 对象系统组成（1）过程控制实验对象系统实验对象系统包含有：不锈钢储水箱；上、中、下三个串接有机玻璃圆筒型水箱；三相4.5kw电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加热筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成）和铝塑盘管组成。

系统动力系统两套：一套由三相（380V交流）不锈钢磁力驱动泵、电动调节阀、交流电磁阀、涡轮流量计等组成；另一套由日本三菱变频器、三相不锈钢磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计等组成。

整套对象系统完全由不锈钢材料制造，包括对象框架、管道、底板、甚至小到每一颗紧固螺钉。

如图1-1（2）对象系统中的各类检测变送及执行装置扩散硅压力变送器三只：分别检测上水箱、中水箱、下水箱液位；涡轮流量计三只：分别检测两条动力支路及盘管出水口的流量；Pt100热电阻温度传感器六只：分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（三只）及上水箱出水口水温；控制模块：包括电磁阀、电动调节阀各一个；三相380V不锈钢磁力驱动泵、三相220V不锈钢磁力驱动泵；1．2 对象系统主要特点（1）被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数；（2）执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构，又有变频器等电力拖动类执行器；（3）系统除了能改变调节器的设定值作阶跃扰动外，还可在对象中通过电磁阀和手操作阀制造各种扰动；（4）一个被调参数可用不同的动力源、不同的执行器和不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣；（5）能进行多变量控制系统及特定的过程控制系统实验。

摘要在现代工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料流量保持一定的比例关系，一旦比例失调，就会影响生产的正常进展，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。

例如氨分解工艺中的氨分解炉，入炉煤气和空气应保持一定的比例，否如此将使燃烧反响不能正常进展，而煤气和空气比例超过一定的极限将会引起爆炸。

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，称之为流量比值控制系统，这次课程设计的内容就是单闭环流量比值过程控制系统。

在实际的生产过程控制中,比值控制系统除了实现一定比例的混合外,还能起到在扰动影响到被控过程质量指标之前与时控制的作用.而且当最终质量指标难于测量,变送时,可以采用比值控制系统,使生产过程在最终质量达到预期指标下安全正常地进展,因为比值控制具有前馈控制的实质。

关键词：流量；比值控制；PID控制；可编程控制器目录1设计背景12比值控制系统概述4比值控制系统定义5比值控制原理5比值控制系统特点5比值控制系统的类型6开环比值控制系统6单闭环比值控制系统73单闭环流量比值控制系统方案设计9系统方案设计9系统硬件设计104上位机组态与程序设计124.1组态软件WinCC104.1.1WinCC简介104.1.2WinCC的开展与应用104.2上位机组态设计114.3PLC程序设计125PID参数整定与系统调试19控制器19控制器的优点20控制规律的选择20控制器参数的调节与其对控制性能的影响21比例控制对控制性能的影响19积分控制对控制性能的影响20微分控制对控制性能的影响22控制系统的整定23控制系统整定的根本要求23调节器参数的整定方法23 调节器参数的整定与调试27总结29参考文献301设计背景石油炼制生产过程中，把两种或两种以上根底组分油与各种添加剂按一定比例均匀混合，从而成为一种新产品的过程称为调和。

单闭环流量比值控制系统一、实验目的1．了解单闭环比值控制系统的原理与结构组成。

2．掌握比值系数的计算方法。

3．掌握比值控制系统的参数整定与投运方法。

二、实验设备三、实验原理在工业生产过程中,往往需要几种物料以一定的比例混合参加化学反应。

如果比例失调，则会导致产品质量的降低、原料的浪费，严重时还会发生事故。

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。

本实验是单闭环流量比值控制系统。

其实验系统结构图如图1所示。

该系统中有两条支路，一路是来自于电动调节阀支路的流量Q1，它是一个主流量；另一路是来自于变频器—磁力泵支路的流量Q2，它是系统的副流量。

要求副流量Q2能跟随主流量Q1的变化而变化，而且两者之间保持一个定值的比例关系，即Q2/Q1=K。

图1 单闭环流量比值控制系统(a)结构图 (b)方框图由图中可以看出副流量是一个闭环控制回路，当主流量不变，而副流量受到扰动时，则可通过副流量的闭合回路进行定值控制；当主流量受到扰动时，副流量按一定比例跟随主流量变化，显然，单闭环流量控制系统的总流量是不固定的。

四、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，即当流量Q 由0～Q max 变化时，相应变送器的输出电流为4～20mA 。

由此可知，任一瞬时主流量Q 1和副流量Q 2所对应变送器的输出电流分别为I 1＝416max11+⨯Q Q (1) I 2＝416max 22+⨯Q Q (2) 式中Q 1max 和Q 2max 分别为Q 1和Q 2 最大流量值，即涡轮流量计测量上限，由于两只涡轮流量计完全相同，所以有Q 1max ＝Q 2max 。

设工艺要求Q 2/Q 1＝K ，则式（1）、（2）可改写为Q 1＝16)4(1-I Q 1max (3) Q 2＝16)4(2-I Q 2max (4) 于是求得12Q Q ＝4412--I I ×max 1max 2Q Q ＝4412--I I (5) 折算成仪表的比值系数K ′为K ′＝K ×max2max 1Q Q ＝K (6) 五、实验内容与步骤本实验选择电动阀支路和变频器支路组成流量比值控制系统。

第二节单闭环流量定值控制系统一．实验目的：1．了解单闭环流量控制系统的结构组成与原理。

2．掌握单闭环流量控制系统调节器参数的整定方法。

3．研究P、PI、PD和PID四种控制分别对流量系统的控制作用。

二．实验原理：离心泵恒流量控制系统图如图5.3-1所示，控制系统方框图如图5.3-2所示。

图5.3-1 离心泵恒流量控制系统图图5.3-2 离心泵恒流量控制系统方框图离心泵恒流量控制系统为单回路简单控制系统，安装在离心泵出口管路上涡轮流量传感器TT将离心泵出口流量转换成脉冲信号，其脉冲频率经频率/电压转换器转换成电压信号后输出至流量调节器TC，TC将流量信号与流量给定值比较后，按PID调节规律输出4—20mA信号，驱动电动调节阀改变调节阀的开度，达到恒定离心泵出口流量的目的。

离心泵恒流量控制系统方框图如图十三所示。

控制参数如下：1．控变量y：离心泵出口流量Q。

2．定值(或设定值)ys：对应于被控变量所需保持的工艺参数值3．测量值ym：由传感器检测到的被控变量的实际值4．操纵变量(或控制变量)：实现控制作用的变量，在本实验中为离心泵出口流量。

使用电动调节阀作为执行器对离心泵出口流量进行控制。

电动调节阀的输入信号范围：4—20mA。

5．干扰(或外界扰动)f：干扰来自于外界因素，将引起被控变量偏离给定值。

在本实验中采用突然改变离心泵转速的方法，改变离心泵出口压力，人为模拟外界扰动给控制变量造成干扰。

6．偏差信号e:被控变量的实际值与给定值之差， e=ys-ym 。

ym---离心泵出口流量值Q 。

ys---离心泵出口流量设定值。

7．控制信号u ：工业调节器将偏差按一定规律计算得到的量。

离心泵恒流量控制系统采用比例积分微分控制规律(PID)对离心泵流量进行控制。

比例积分微分控制规律是比例、积分与微分三种控制规律的组合，理想的PID 调节规律的数学表达式为：01()()()()tP D I de t u t K e t e t dt T T dt ⎡⎤∆=++⎢⎥⎣⎦⎰ 三．实验方法：1．向V103中注入2/3以上清水 2．打开设备总电源，检查各仪表，执行器是否正常3．打开阀门VA110或VA111，A112，A117，其余阀门关闭4．松动离心泵放气螺丝，直到有水流出，拧紧螺丝5．将离心泵出口压力测量表（PI-03）设为手动输出且输出值为100，变频器的频率即设为50.00Hz6．打开实验软件，进入流量曲线界面点击菜单栏中的“曲线 流量控制曲线”开始记录液位变化7．将流量测量表（FI-01）设为自动输出且SV 值为4.00，P=3，I=5，D=1.5 FILE=58．打开立式离心泵向观察曲线变化情况，待流量稳定后，点击菜单栏中的“曲线 流量控制曲线”重新记录液位变化9．大约10秒钟后通过以下几种方式加干扰：（1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，下面方法仅供参考）。

单闭环流量比值控制系统matlab在控制系统工程中，单闭环流量比值控制系统是一种常见的控制系统结构，它可以实现对给定流量比值的精准控制。

在本文中，我们将探讨这一主题，并结合Matlab的实际应用来深入理解。

1. 单闭环流量比值控制系统概述单闭环流量比值控制系统是指在控制过程中，通过检测两个流量变量的比值，从而实现对流量比值的控制。

这种控制系统结构通常包括传感器、控制器和执行器等组成部分，它能够在一定程度上解决流量控制中的非线性和耦合问题。

2. 控制系统参数评估在设计单闭环流量比值控制系统时，需要对系统参数进行评估。

我们需要确定传感器的精度和灵敏度，以确保能够准确地检测流量比值。

控制器的参数也需要进行调整，包括比例、积分和微分参数的设定，以实现对流量比值的精准控制。

在Matlab中，可以通过仿真和参数优化的方法来进行参数评估，从而实现系统控制的优化。

3. Matlab在单闭环流量比值控制系统中的应用Matlab作为一种功能强大的工具，可以用于建立单闭环流量比值控制系统的数学模型，并进行仿真分析。

通过Matlab/Simulink工具箱，可以方便地搭建系统模型，并对控制器参数和系统结构进行优化。

Matlab还提供了丰富的数据可视化和分析工具，可以帮助工程师更直观地理解控制系统的性能，并进行系统设计与优化。

4. 个人观点和理解在实际工程应用中，单闭环流量比值控制系统具有广泛的应用价值，尤其是在化工、环保和生物工程等领域。

通过Matlab对控制系统进行建模和仿真分析，可以帮助工程师更加深入地理解系统动态特性和稳定性，从而实现系统设计的优化。

在实际工程中，需要综合考虑系统的稳定性、鲁棒性和实时性等因素，进一步优化单闭环流量比值控制系统的性能和可靠性。

总结回顾通过本文对单闭环流量比值控制系统的深入探讨，我们更深入地理解了控制系统工程中的关键概念和方法。

Matlab作为一种功能强大的工具，为工程师提供了便利的系统设计与优化评台，可以帮助实现对单闭环流量比值控制系统的高效建模和仿真分析。

第一章直流电动机基本控制电路1.1 基本电路图1-1直流电动机基本控制电路1.2 各器件参数电动机：额定数据为10KV，220V，55A，,1000r/m，电枢电阻R=0.5Ω晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y／Y 联结，二次线电压U21=230V，电压放大系数KA=44: V-M系统电枢回路总电阻R=1.0；测速发电机：永磁式，额定数据为23.1W,110V,0.21A,1900r/m；直流稳压电源±15V。

1.3 动态结构图及数学模型直流电动机数学模型的建立：他励直流电动机在额定励磁下的等效电路绘于图1-2，其中电枢回路总电阻R 和电感L 包含电力电子变换器内阻、电枢电阻和电感以及可能在主电路中接入的其他电阻和电感，规定的正方向如图所示。

假定主电路电流连续，则动态电压方程为(1-1)(1-1)忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为(1-2)额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为 式中包括电动机空载转矩在内的负载转矩N.m 电力拖动系统折算到电动机轴上的飞轮惯量额定励磁下的电动机的转矩系数电枢回路电磁时间常数电力拖动系统机电时间常数直流电动机动态结构图：图1-2直流电动机动态结构框图的变换和简化直流电动机的基本电路的动态结构图及数学模型：图1-3 直流电动机的基本电路的动态结构图由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是（（（（1-3）式中设从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是第二章系统的静态分析2.1静态时的性能指标：要求调速范围D=10，静差率s≦5%。

2.2计算调速系统的稳态参数：1）为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为2）求闭环系统应有的开环放大系数。

求闭环系统应有的开环放大系数。

则开环系统额定速降为闭环系统的开环放大系数应为3）计算转速反馈环节的反馈系数和参数。

转速反馈系数包含测速发电机的电动势系数和其输出电位器的分压系数，即根据测速发电机的额定数据，有试取。