单闭环管道流量比值控制系统设计

《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 080311022

080311035 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 MATLAB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 PLC程序 (7)

4.2 MCGS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。通过对过程控制系统的分析与设计，获得面向工业生产过程系统分析与设计的实践知识，初步掌握过程控制系统开发和应用的技能。

基于组态软件的流量比值过程控制系统通过某种组态软件，结合实验室已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，通过流量传感器将检测到的流量与设定值送入计算机，计算机运用PID算法得到相应的控制信号，并将其输出给执行器，然后执行器调节调节阀，以达到调节流量的控制目的。设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的流量比值单回路过程控制系统。

流量比值控制系统在实际生产中应用十分广泛，它能使系统稳定，精确地输出，更能实现自动化控制，是过程控制系统的一个典型。本设计针对生产中两种液体的流量的控制，对其设计了单闭环流量比值控制系统，将液体A作为主流量，液体B为副流量进行设计，设计中用到了多个硬件设备，并基于计算机实现过程的自动控制。

1.2任务要求

根据要求自己设计系统结构，分析系统的特点和系统特性，在实验室连接系统部件、构造硬件系统。可以自己跳线、连线，并连好对象、控制器、计算机，但是打开电源之前必须经过指导教师检查。在过程监控计算机上编制相应监控组态程序。通过对控制器、监控计算机和实验对象的联机调试、执行、观察结果，达到预期应用功能和控制目的，比较不同方案的应用效果。

⑵了解流量比值控制系统的物理结构，闭环调节系统的数学结果和PID控

制算法。

⑵逐一明确各路检测信号到PLC的输入通道，包括传感器的原理，连接方法，信号种类，信号调理电路，引入PLC的接线以及PLC中的编址。

⑶逐一明确从PLC到各执行机构的输出通道，包括各执行机构的种类和工作原理，驱动电路的构成，PLC输出信号的种类和地址。

⑷绘制出流量控制系统的电路原理图，编制I/O地址分配表。

⑸编制PLC的程序结合过程控制实验室的现有设备进行调试，要求能在实验设备上演示控制过程。

2、设计方案

2.1设计原理

比值控制有开环比值控制、单闭环比值控制、双闭环比值控制、串级比值控制系统和变比值控制系统。开环比值控制是最简单的控制方案。单闭环比值控制和双闭环比值控制是实现两种物料流量间的定比值控制在系统运行过程中其比值系数是不变的。串级比值控制系统实现两种物料的比值随第三个参数的需求而变化。变比值控制系统最终目的是生产过程的结果，物料按比值输出不是关键。根据设计要求，本系统必须采用单闭环比值控制或双闭环比值控制，本系统采取单闭环控制方案。

2.2系统原理图

图1 单闭环流量比值控制系统原理图

2.3 MATLAB 仿真调试

本系统的主要的实现是PID 算法的实现，根据流量比值单回路控制系统的原理，运用组态王所提供的类似于C 语言的程序编写语言实现PID 控制算法。取采样周期Ts=1s 。本系统采用PID 位置控制算式，其控制算式如下：

0120122()(1)(1)()(1)(1)(2)(1)()(1)(2)(1)2(1)D

D D P P P I D

P I D

P D

P

T T T T u k u k K e k K e k K e k T T T T

u k a e k a e k a e k T T a K T T T a K T

T a K T

=-++

+-+-+-=-+--+-=++=+=

算式中，Kp 为比例系数，Ti 为积分时间，Td 为微分时间，以u(k)作为计算机的当前输出值，以Kc*PV 作为给定值，PV2作为反馈值即AD 设备的转换值，e(k)作为偏差。

图5 PID 控制器