流量比值控制系统课题设计
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当流量与检测信号呈非线性关系时，差压与流量的平方成正比，即
(3-1)
式中，C为差压流量传感器的比例系数。
当物料流量从0变化到 时，差压则从0变化到 。相应地，变送器的输出则由4mA DC变化到20mA DC 。此时，任何一个流量值Q1或Q2所对应的变送器的输出电流信号I1和I2应为
(3-2)
式中，Q1为主流量氨气的体积流量或重量流量；Q2为副流量氧气的体积流量或重量流量； 为测量Q1所用变送器的最大量程； 为测量Q2所用变送器的最大量程；I1、I2分别为测量Q1、Q2时所用变送器的输出电流 (mA)。
过程控制综合课程设计
源自文库学生姓名
聂成洪
学 号
0707030123
教学院系
电气信息工程学院
专业年级
自动化07级
指导教师
任堰牛
完成日期
2011
年
1
月
7
日
力控和MATLAB软件在硝酸生产中的应用
聂成洪，张宝鹏，李健
（西南石油大学 电气工程学院，成都 610500）
摘要:在工业控制中常用的组态软件力控编写控制算法具有局限性,特别是随着智能技术的发展,复杂实时控制算法是很难解决的,而MATLAB具有强大的数值分析和计算处理功能,可以完成对复杂的智能控制器设计,及对数据分析处理。将二者优势互补,实现力控与MATLAB结合的实时控制,可促使智能控制技术在工业控制界广泛应用。本文阐述了监控组态软件力控和矩阵实验室(MATLAB)同时用来监控和分析氨气氧化成一氧化氮的实时数据以及单闭环与双闭环比值控制系统的方案。
尤其在化工生产中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行化学反应，如果比例失调，轻则造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生人身伤害，给企业带来较大的损失。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，否则将使燃烧反应不能正常进行，而煤气和空气比例超过一定的极限将会引起爆炸。比值控制的目的就是为了实现几种物料符合一定比例关系，以使安全生产正常进行。
为了提高氧化率，则要求达到的氨气和氧气的比例为2:1。
1.4.2
（1）设定总体方案，包括单闭环比值控制系统与双闭环比值控制系统两种方案， （都是属于无干扰作用下）再对于两种方案进行分析和比较，选择其中最为合适的控制方案；
（2）确定下控制方案后，画出控制系统的系统结构原理简图，计算K，对于系统在无干扰条件下进行动态仿真和比值器K,整定；
方案一的单闭环流量比值控制系统，与串级控制系统很相似，但功能很是不同。可以见得，系统中没有主对象和主调节器，这是单闭环比值控制系统在结构上与串级不同的地方，串级中的副变量是调节变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，而比值中，副流量不会影响主流量，这是两者之间本质上的区别。
经过分析，当系统处于稳态时，比值关系是比较精确的；在动态过程中，比值关系相对而言不够精确。另外，如果主流量处于不变的状态，副流量控制系统又相当于一个定值控制系统。
1.2
在工业控制中常用的组态软件力控编写控制算法具有局限性,特别是随着智能技术的发展,复杂实时控制算法是很难解决的,而MATLAB具有强大的数值分析和计算处理功能,可以完成对复杂的智能控制器设计,及对数据分析处理。将二者优势互补,实现力控与MATLAB结合的实时控制,可促使智能控制技术在工业控制界广泛应用。
Abstract:In the industrial control are a programming the controlalgorithms has limitations,using the ForceControl especially with thesmarttechnology,it is very difficult to solve complex real-time controlalgorithms ,andMATLAB haspowerful numericalanalysis and computing, processing function,which cancomplete the complex smartcontrollerdesign,data analysis and processing.Topromotesmartcontrol technologyin the industrial sector,and to combined the twosoftware for real-time control.TheConfiguration monitoring softwareForceControl and matrix laboratory(MATLAB)used to monitor andanalyzereal-time dataonammonia oxidationofnitric oxidesingle-closed-loop anddouble-closed-loopratio control system.
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及时控制的作用.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行,因为比值控制具有前馈控制的实质。
本文主要针对化学工业上硝酸生产中氨气氧化成一氧化氮的工序，介绍了两种闭环流量比值控制系统，并针对课题要求及实际生产安全，对比选择其中最优的系统，通过检测氧气的流量来控制氨气的流量，使之流量比值稳定，由此得到合格的产品和安全的生产过程。经实验和实践运行，证明选择双闭环比值控制系统更具有结构简单、稳态误差小、控制精度高等优点。
图2.1 单闭环流量比值控制系统原理图
方案二：
在单闭环控制系统基础上，增加一个主流量闭环控制系统，单闭环比值控制系统就成为双闭环比值控制系统，则可设计出一氧化氮生产的双闭环流量比值控制 系统，其方框图如图2.2所示。
图2.2 双闭环流量比值控制系统原理图
2.
就所设计的两种方案的方框图来看，明显可以看出方案二较之于方案一更加复杂，选用的设备也更多，但对于实际生产，生产效率和质量十分重要，因此对系统的稳定性和精确度要求较高，下面就这些因素对两个方案进行论证。
（3）针对本题要求对流量比值控制进行仿真，要求画出控制策略图，并结论。1.4.3设计内容
（1）建立起已确定比值控制系统方案的控制流程图和系统框图；
（2）根据已知，各种资料和计算获得主动控制量控制系统和从动控制量控制系统的广义传递函数，选择非延时系统。建立起Simulink仿真模型；
（3）采用理论分析法，结合仿真实验对K,参数进行整定，绘制出仿真结果曲线；
由于生产工艺要求 ，则 ，根据式(3-2)，则有
由此可得
(3-3)
式中 (3-3) 所示即为比值器的参数。上式表明，当物料流量的比值K一定、流量与其检测信号呈平方关系时，比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈平方关系。
则有比值器的参数
3.3
（1）主动控制量控制系统的数学模型为：
（2）从动量控制量控制系统的数学模型为：
2.3 方案选择
通过前面方案的论证可知，单闭环流量比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料间的比值要求较精确的生产过程。而双闭环流量比值控制系统适用于主副流量扰动频繁，负荷变化较大，同时保证主、副物料总量恒定的生产过程。
设计针对控制对象，主流量选择为氨气，而副流量则选择是氧气气，实际生产中，由于这两种化学成分并不十分稳定，因而可能造成扰动频繁，并且属于负荷变化较大。
关键词:力控; MATLAB；流量比值控制系统；单闭环；双闭环
Application ofForceControland MATLAB in Nitric acid manufacture
NIE Cheng-hong,ZHANGBao-peng,Leejian
( School of Electric Information Engineering, SouthwestPetroleum University, Chengdu610500, China)
方案二的双闭环流量比值控制系统，是在主流量也需要控制的情况下，增加一个主流量闭环控制系统构成的，由于增加了主流量闭环控制系统，主流量得以稳定，从而使得总流量能保持稳定。
双闭环比值控制系统主要应用于总流量需要经常调整（即工艺负荷提降）的场合。如果没有这个要求，两个单独的闭环控制系统也能使两个流量保持比例关系，仅仅在动态过程中，比例关系不能保证。
通过比较单闭环和双闭环流量比值控制系统的优缺点，最终确定设计方案。1.3小组成员及分工说明
表1-3 小组成员及分工说明
姓名
学号
分工
李 健
0707030119
资料的查找与力控的设计
聂成洪
0707030123
SIMULINK的仿真及力控组态
张宝鹏
0707030143
力控的设计
1.4
1.4.1
已知在硝酸生产中有个氧化工序，将氨气氧化为一氧化氮。氨气和氧气最大进量分别为12000方/小时和5000方/小时，调节阀前后压差分别为10Mpa和5Mpa，结合监控组态软件力控和矩阵实验室（MATLAB）来监控和分析其流量比值控制系统中实时数据。
（4）在力控中做出监控控制组态图，进行监控和分析。
第
2.1 总体方案比较
比值控制系统在实际生产中，可以根据实际情况选择不同的控制方案，比值系统的类型主要有开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统几种。
方案一：
根据比值系统的类型来设计生产一氧化氮的控制系统，由单闭环控制系统原理设计的系统框图如图2.1所示。
经过分析，选择方案二的双闭环流量比值控制系统来设计该生产控制系统。
第3章
3.1 双闭环比值控制系统
Q1X1(s)Q1(S)
-
Q2(S)
-
Q2
图 3.1.1 双闭环比值控制流程图图 3.1.2 双闭环比值控制系统框图
3.2 比值器参数
工艺要求的比值系数K，是不同物料之间的体积流量或重量流量之比，而比值器参数 ，则是仪表的读数，它与实际物料流量的比值K，一般的情况下并不是相等的。因此，在设计比值控制系统时，必须根据工艺要求的比值系数K计算出比值器参数 。
设定时，全都选择是非延时系统模型，开始建立Simulink模型。
3.4
图3.4.1 Simulink的设计图
（1）Scope—氧气和氨气比值输出曲线：氧气设定值为：4000方/小时
图 3.4.2 比值输出曲线
（2）Scope1—PID0控制器的输出显示：稳态值为1334方/小时
图 3.4.3 PID0控制器的输出图形
Key Words：ForceControl; MATLAB; flowratio control system; single-closed-loop; double-closed-loop
第１章
1.1
工业生产过程中，要求两种或多种物料成一定比例关系，一旦比例失调，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，所以严格控制其比例，对于安全生产来说是十分重要的。
（3）Scope2—PID1控制器的输出显示：稳态值为849方/小时
图 3.4.4 PID1控制器的输出图形
（4）Scope3—氧气的输出曲线：氧气设定值为4000方/小时
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.由于过程工业中大部分物料都是以气态,液态或混合的流体状态在密闭管道,容器中进行能量传递与物质交换,所以保持两种或几种物料的比例实际上是保持两种或几种物料的流量比例关系,因此比值控制系统一般是指流量比值控制系统.
在需要保持比值关系的两种物料中,必有一种物料处于主导地位,这种物料称之为主物料,表征这种物料的参数称之为主动量。由于在生产过程控制中主要是流量比值控制系统,所以主动量也称为主流量,用Q1表示；而另一种物料按主物料进行配比,在控制过程中随主物料而变化；因此称为从物料,表征其特性的参数称为从动量或副流量,用Q2表示。一般情况下,总是把生产中主要物料定为主物料。在有些场合,以不可控物料定为主物料,用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值关系。比值控制系统就是要实现副流量Q2与主流量Q1成一定比值关系,满足如下关系式:K=Q2/Q1，式中K为副流量与主流量的流量比值。
(3-1)
式中，C为差压流量传感器的比例系数。
当物料流量从0变化到 时，差压则从0变化到 。相应地，变送器的输出则由4mA DC变化到20mA DC 。此时，任何一个流量值Q1或Q2所对应的变送器的输出电流信号I1和I2应为
(3-2)
式中，Q1为主流量氨气的体积流量或重量流量；Q2为副流量氧气的体积流量或重量流量； 为测量Q1所用变送器的最大量程； 为测量Q2所用变送器的最大量程；I1、I2分别为测量Q1、Q2时所用变送器的输出电流 (mA)。
过程控制综合课程设计
源自文库学生姓名
聂成洪
学 号
0707030123
教学院系
电气信息工程学院
专业年级
自动化07级
指导教师
任堰牛
完成日期
2011
年
1
月
7
日
力控和MATLAB软件在硝酸生产中的应用
聂成洪，张宝鹏，李健
（西南石油大学 电气工程学院，成都 610500）
摘要:在工业控制中常用的组态软件力控编写控制算法具有局限性,特别是随着智能技术的发展,复杂实时控制算法是很难解决的,而MATLAB具有强大的数值分析和计算处理功能,可以完成对复杂的智能控制器设计,及对数据分析处理。将二者优势互补,实现力控与MATLAB结合的实时控制,可促使智能控制技术在工业控制界广泛应用。本文阐述了监控组态软件力控和矩阵实验室(MATLAB)同时用来监控和分析氨气氧化成一氧化氮的实时数据以及单闭环与双闭环比值控制系统的方案。
尤其在化工生产中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行化学反应，如果比例失调，轻则造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生人身伤害，给企业带来较大的损失。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，否则将使燃烧反应不能正常进行，而煤气和空气比例超过一定的极限将会引起爆炸。比值控制的目的就是为了实现几种物料符合一定比例关系，以使安全生产正常进行。
为了提高氧化率，则要求达到的氨气和氧气的比例为2:1。
1.4.2
（1）设定总体方案，包括单闭环比值控制系统与双闭环比值控制系统两种方案， （都是属于无干扰作用下）再对于两种方案进行分析和比较，选择其中最为合适的控制方案；
（2）确定下控制方案后，画出控制系统的系统结构原理简图，计算K，对于系统在无干扰条件下进行动态仿真和比值器K,整定；
方案一的单闭环流量比值控制系统，与串级控制系统很相似，但功能很是不同。可以见得，系统中没有主对象和主调节器，这是单闭环比值控制系统在结构上与串级不同的地方，串级中的副变量是调节变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，而比值中，副流量不会影响主流量，这是两者之间本质上的区别。
经过分析，当系统处于稳态时，比值关系是比较精确的；在动态过程中，比值关系相对而言不够精确。另外，如果主流量处于不变的状态，副流量控制系统又相当于一个定值控制系统。
1.2
在工业控制中常用的组态软件力控编写控制算法具有局限性,特别是随着智能技术的发展,复杂实时控制算法是很难解决的,而MATLAB具有强大的数值分析和计算处理功能,可以完成对复杂的智能控制器设计,及对数据分析处理。将二者优势互补,实现力控与MATLAB结合的实时控制,可促使智能控制技术在工业控制界广泛应用。
Abstract:In the industrial control are a programming the controlalgorithms has limitations,using the ForceControl especially with thesmarttechnology,it is very difficult to solve complex real-time controlalgorithms ,andMATLAB haspowerful numericalanalysis and computing, processing function,which cancomplete the complex smartcontrollerdesign,data analysis and processing.Topromotesmartcontrol technologyin the industrial sector,and to combined the twosoftware for real-time control.TheConfiguration monitoring softwareForceControl and matrix laboratory(MATLAB)used to monitor andanalyzereal-time dataonammonia oxidationofnitric oxidesingle-closed-loop anddouble-closed-loopratio control system.
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及时控制的作用.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行,因为比值控制具有前馈控制的实质。
本文主要针对化学工业上硝酸生产中氨气氧化成一氧化氮的工序，介绍了两种闭环流量比值控制系统，并针对课题要求及实际生产安全，对比选择其中最优的系统，通过检测氧气的流量来控制氨气的流量，使之流量比值稳定，由此得到合格的产品和安全的生产过程。经实验和实践运行，证明选择双闭环比值控制系统更具有结构简单、稳态误差小、控制精度高等优点。
图2.1 单闭环流量比值控制系统原理图
方案二：
在单闭环控制系统基础上，增加一个主流量闭环控制系统，单闭环比值控制系统就成为双闭环比值控制系统，则可设计出一氧化氮生产的双闭环流量比值控制 系统，其方框图如图2.2所示。
图2.2 双闭环流量比值控制系统原理图
2.
就所设计的两种方案的方框图来看，明显可以看出方案二较之于方案一更加复杂，选用的设备也更多，但对于实际生产，生产效率和质量十分重要，因此对系统的稳定性和精确度要求较高，下面就这些因素对两个方案进行论证。
（3）针对本题要求对流量比值控制进行仿真，要求画出控制策略图，并结论。1.4.3设计内容
（1）建立起已确定比值控制系统方案的控制流程图和系统框图；
（2）根据已知，各种资料和计算获得主动控制量控制系统和从动控制量控制系统的广义传递函数，选择非延时系统。建立起Simulink仿真模型；
（3）采用理论分析法，结合仿真实验对K,参数进行整定，绘制出仿真结果曲线；
由于生产工艺要求 ，则 ，根据式(3-2)，则有
由此可得
(3-3)
式中 (3-3) 所示即为比值器的参数。上式表明，当物料流量的比值K一定、流量与其检测信号呈平方关系时，比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈平方关系。
则有比值器的参数
3.3
（1）主动控制量控制系统的数学模型为：
（2）从动量控制量控制系统的数学模型为：
2.3 方案选择
通过前面方案的论证可知，单闭环流量比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料间的比值要求较精确的生产过程。而双闭环流量比值控制系统适用于主副流量扰动频繁，负荷变化较大，同时保证主、副物料总量恒定的生产过程。
设计针对控制对象，主流量选择为氨气，而副流量则选择是氧气气，实际生产中，由于这两种化学成分并不十分稳定，因而可能造成扰动频繁，并且属于负荷变化较大。
关键词:力控; MATLAB；流量比值控制系统；单闭环；双闭环
Application ofForceControland MATLAB in Nitric acid manufacture
NIE Cheng-hong,ZHANGBao-peng,Leejian
( School of Electric Information Engineering, SouthwestPetroleum University, Chengdu610500, China)
方案二的双闭环流量比值控制系统，是在主流量也需要控制的情况下，增加一个主流量闭环控制系统构成的，由于增加了主流量闭环控制系统，主流量得以稳定，从而使得总流量能保持稳定。
双闭环比值控制系统主要应用于总流量需要经常调整（即工艺负荷提降）的场合。如果没有这个要求，两个单独的闭环控制系统也能使两个流量保持比例关系，仅仅在动态过程中，比例关系不能保证。
通过比较单闭环和双闭环流量比值控制系统的优缺点，最终确定设计方案。1.3小组成员及分工说明
表1-3 小组成员及分工说明
姓名
学号
分工
李 健
0707030119
资料的查找与力控的设计
聂成洪
0707030123
SIMULINK的仿真及力控组态
张宝鹏
0707030143
力控的设计
1.4
1.4.1
已知在硝酸生产中有个氧化工序，将氨气氧化为一氧化氮。氨气和氧气最大进量分别为12000方/小时和5000方/小时，调节阀前后压差分别为10Mpa和5Mpa，结合监控组态软件力控和矩阵实验室（MATLAB）来监控和分析其流量比值控制系统中实时数据。
（4）在力控中做出监控控制组态图，进行监控和分析。
第
2.1 总体方案比较
比值控制系统在实际生产中，可以根据实际情况选择不同的控制方案，比值系统的类型主要有开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统几种。
方案一：
根据比值系统的类型来设计生产一氧化氮的控制系统，由单闭环控制系统原理设计的系统框图如图2.1所示。
经过分析，选择方案二的双闭环流量比值控制系统来设计该生产控制系统。
第3章
3.1 双闭环比值控制系统
Q1X1(s)Q1(S)
-
Q2(S)
-
Q2
图 3.1.1 双闭环比值控制流程图图 3.1.2 双闭环比值控制系统框图
3.2 比值器参数
工艺要求的比值系数K，是不同物料之间的体积流量或重量流量之比，而比值器参数 ，则是仪表的读数，它与实际物料流量的比值K，一般的情况下并不是相等的。因此，在设计比值控制系统时，必须根据工艺要求的比值系数K计算出比值器参数 。
设定时，全都选择是非延时系统模型，开始建立Simulink模型。
3.4
图3.4.1 Simulink的设计图
（1）Scope—氧气和氨气比值输出曲线：氧气设定值为：4000方/小时
图 3.4.2 比值输出曲线
（2）Scope1—PID0控制器的输出显示：稳态值为1334方/小时
图 3.4.3 PID0控制器的输出图形
Key Words：ForceControl; MATLAB; flowratio control system; single-closed-loop; double-closed-loop
第１章
1.1
工业生产过程中，要求两种或多种物料成一定比例关系，一旦比例失调，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，所以严格控制其比例，对于安全生产来说是十分重要的。
（3）Scope2—PID1控制器的输出显示：稳态值为849方/小时
图 3.4.4 PID1控制器的输出图形
（4）Scope3—氧气的输出曲线：氧气设定值为4000方/小时
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.由于过程工业中大部分物料都是以气态,液态或混合的流体状态在密闭管道,容器中进行能量传递与物质交换,所以保持两种或几种物料的比例实际上是保持两种或几种物料的流量比例关系,因此比值控制系统一般是指流量比值控制系统.
在需要保持比值关系的两种物料中,必有一种物料处于主导地位,这种物料称之为主物料,表征这种物料的参数称之为主动量。由于在生产过程控制中主要是流量比值控制系统,所以主动量也称为主流量,用Q1表示；而另一种物料按主物料进行配比,在控制过程中随主物料而变化；因此称为从物料,表征其特性的参数称为从动量或副流量,用Q2表示。一般情况下,总是把生产中主要物料定为主物料。在有些场合,以不可控物料定为主物料,用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值关系。比值控制系统就是要实现副流量Q2与主流量Q1成一定比值关系,满足如下关系式:K=Q2/Q1，式中K为副流量与主流量的流量比值。