智能化流量控制系统设计

东北大学秦皇岛分校控制工程学院《过程控制系统》课程设计

设计题目：智能化流量控制系统设计

学生：

专业：

班级学号：

指导教师：

设计时间：2013.7. 1-2013.7.6

目录

一. 设计任务 (3)

二．前言 (3)

四．系统硬件设计 (5)

4.1 设备的选型 (5)

4.1.1 控制器的选型 (5)

4.1.2变频器的选型 (6)

4.1.3流量传感器变送器的选型 (6)

4.2 硬件电路 (7)

五．软件设计 (8)

5.1 控制规律的选择 (8)

5.2 MATLAB 仿真 (8)

5.2.1 传递函数的确定 (8)

5.2.2 采用数字PID控制的系统框图 (9)

5.2.3 基于临界比例度法的PID参数整定 (9)

5.3程序编写 (12)

六．结束语 (16)

七．参考文献 (17)

附页.Matlab 仿真程序及原始图表 (17)

一.设计任务

1、系统构成：系统主要由流量传感器，PLC控制系统、对象、执行器（查找资料自己选择）

等组成。传感器、对象、控制器、执行器可查找资料自行选择，控制器选择PLC为控制器。PLC类型自选。

2、写出流量测量与控制过程，绘制流量控制系统组成框图。

3、系统硬件电路设计自选。

4、编制流量测量控制程序：软件采用模块化程序结构设计，由流量采集程序、流量校准程序、流量控制程序等部分组成

二．前言

本课程设计来源于工业工程中对于流量的监测和控制过程，其目的是利用PLC来实现过程自动控制。目前，PLC使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制，应用领域极为广泛，涉及到所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域。PLC 通过模拟量I/O模块和A/D、D/A模块实现模拟量与数字量之间的转换，并对模拟量进行闭环控制。

三．系统控制方案设计

图3.1 控制系统工艺流程图

如图3.1所示为智能化流量控制系统的工艺流程图，要求实现对管道中水流量的控制，该系统只有一个过程参数即管道的水流量，故可采用单回路控制系统实现控制要求。

该控制系统中，被控量为水的流量，控制量为水泵电机的转速，控制器选用PLC和变频器,传感变送器选用电磁流量传感器，执行器选用水泵电机。根据工艺流程图画出系统框图，即图3.2。

图3.2系统框图

从上图看出，该控制系统分为：①控制机构；②信号检测变送机构；③执行机构(l)控制机构：本系统的控制机构包括控制器(PLC)和变频器两个部分。

控制器是整个流量控制系统的核心。将来自流量传感变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行一定规律（PID控制规律）的运算，并输出统一标准信号, 去控制执行机构的动作，以实现对过程量的自动控制。

变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，便于设备之间的通信，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵电机)进行控制；使用变频器的作用就是为了调速，并降低启动电流。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。变频器是对水泵电机进行转速控制的单元，其跟踪控制器送来的控制信号改变水泵电机的转速控制

(2) 信号检测变送机构：在系统控制过程中传感变送器选用电磁流量传感器将工业生产过程参数经检测变送单元转化为标准信号，需要检测的信号包括管道水流量信号，其中水流量信号是本控制系统的主要反馈信号。

该信号是模拟信号，在模拟仪表中，标准信号通常采用4-20mA、0-10mA电流信号、1-5V电压信号、或者20-100kPa气压信号。读入PLC时，需对输入的信号进行A/D转换。

(3) 执行机构：执行机构由水泵和电机组成，即把水泵与电动机直接连接在一起，但不

需要传动轴。它具有结构简单，体积小，重量轻，安装、运行成本低，维护方便，节能效果好，噪音低的有点。它用于将水供入管道，通过变频器改变电机的转速，以达到控制管道水流量的目的。

智能化流量控制系统以供水出口管道水流量为控制目标，在控制上实现出口管道的实际流量跟随设定的水流量。水流量的设定值可以是一个定值，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。

四．系统硬件设计

4.1 设备的选型

设计硬件选型的部分有：控制器、变频器、水泵、流量传感变送器。

4.1.1 控制器的选型

PLC控制器具有抗干扰能力强，扩展模块组合方便、编程简单等优点，故该控制系统采用PLC作为控制器。由于水流量自动控制系统控制设备相对较少，因此，我们选用西门子S7-200系列PLC，该系列PLC结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。

S7-200系列PLC可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用.根据控制系统实际所需端子数目，并考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此，CPU选用西门子CPU 224，其开关量输出为10点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入为14点，输入形式为+24V直流输入。

由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要选择扩展模块。S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数。模拟量扩展模块选用EM 235，该模块有4个模拟量输入通道，1个模拟量输出通道。

4.1.2变频器的选型

选择Siemens MicroMaster440变频器，便于S7-200PLC和变频器之间的通信。该系列变频器专适用于三相交流电动机调速，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。MicroMaster440变频器的输入信号为380V 交流电压，输出功率为0.75~90KW，适用于大功率高要求超所。

该变频器的优点：①其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。②该变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。

4.1.3流量传感器变送器的选型

流量传感器器用于检测管道中的水流量，通常安装在的出水口，流量转换器是将水管中的水流量的变化转变为4~20mA的模拟量信号，作为A/D转换模块的输入，选型时，为减少传输过程中的干扰与损耗，我们采用4~20mA输出流量转换器。

根据上述分析，本课设中选用电磁流量传感器SHLDZ、电磁流量转换器SHLDZ—1实现流量的检测、显示和变送。流量表测量范围0—0.6m3/h，精度1.0。转换器输出4~20mA 电流信号，该模拟信号经A/D转换模后读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号，送给与CPU224连接模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号。

4.1.4执行器的选型

水泵电机的选型基本原则：①确保平稳运行；②选用的电机必须与系统用水量的变化幅度相匹配，则电机经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。

本课设的要求为：电机额定功率0.37KW,额定转速为2800r/min。根据本设计要求确定采用1台SFL低转速低噪音多级离心水泵电机（电机功率0.37KW）。

SFL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低(室外噪音60dB)、磨损小、寿命更长；下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。

4.2 硬件电路

1

.11.)(-++-+=z z Ts N N D

z z T I P z Y s

五．软件设计

5.1 控制规律的选择

PID 控制是控制系统中技术成熟、应用最广泛的控制方式。它具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等优点。

本控制系统采用离散PID 控制规律。位置型离散PID 控制规律表达式如下:

式中：Kp 为比例系数；Ti 为积分时间常数；Td 为微分时间常数。 (1) 比例环节：快速调节有余差，P 过大，系统稳定性会变差 。

(2) 积分环节：表明控制器的输出与偏差持续的时间有关。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti ，Ti 越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。

(3) 微分环节：改善动态性能，超前调节，预测功能。微分调节器不能单独作用。

5.2 MATLAB 仿真

5.2.1 传递函数的确定

用MA TLAB 中的Simulink 仿真该控制系统，整定PID 参数。由于用Simulink 仿真需要知道各环节传递函数，经查资料，找到变频器，水泵电机，管道传递函数近似分别为：

15.05+s ，14.03.0+s ， 1

.0)1(1.0+--s s 。传感器传递函数为1。在Matlab 中采用c2d 函数将

各环节传递函数离散化，转化为差分方程。分别依次为：8187.09063.0-z ，7788.006636

.0-z ，

)

99.0()

1.1(1.0---z z 。传感器的离散传递函数仍为1。

当不加任何控制器时，系统的单位阶跃响应曲线如下图3所示：

图5.1无控制器时阶跃响应曲线

5.2.2 采用数字PID控制的系统框图

由于采用PLC控制，所以采用离散PID控制。

框图如下图所示

图5.2Simulink仿真框图（离散化PID）

5.2.3 基于临界比例度法的PID参数整定

临界比例度法整定离散PID参数的仿真数字PID的表达式为

步骤概括：

/1，（1）利用开环连续传递函数的根轨迹图或劳斯定理求取系统等幅振荡时（此时P=

k

I=0，D=0）的临界比例度k δ和临界振荡周期K T ；

（2）根据临界比例度法整定参数的经验算式表，求出PID 控制器理论上的最佳参数值； （3）如果按以上参数整定，系统的超调量、调节时间等性能指标还不符合要求，则要根据P 、I 、D 参数大小对系统的影响，做适当改变，以提高PID 控制器的调节质量。

具体仿真方法：

先令I=0，D=0，采样周期取较小的值即 Ts=0.001，调整P ，使阶跃响应曲线等幅振荡，可知，当临界比例K=5.27时，响应曲线等幅振荡，响应曲线如下图5.2所示：

图5.2等幅振荡曲线

求得振荡周期Tk=67.3

取控制精度为1.50，查表计算得

317.027.567.167.1=÷=?=K δδ

65.333.675.05.0=?==K I T T 42.865.3325.025.0=?==I D T T

对应该仿真模块：

155.3=P ，030.0/1==I T I ，42.8==D T D

然后根据实际响应曲线调整参数(二次整定)为： P=3.0 ，I=0.025，D=0.01

对应333.0=δ，40=I T ，01.0=D T 对应单位阶跃响应曲线如下所示：

图5.3二次整定单位阶跃响应曲线

由图5.3估算得： 响应超调量为15.3%，3%误差带调节时间4.7s ，所以调节质量较好。

5.3程序编写

5.3.1 PLC寄存器分配

5.3.2程序流程图

开

N

Y

主程序开始

开始扫描，启动子程序

计时器时间是否

到达?

1）对采样的数据进行处理

做PID运算

2）重置定时器

主程序结束

子程序开始

设置PID参数：

回路增益Kc=3.0

装入回路采样时间T=6s

积分时间Ti=40s

微分时间Td=0.01s

装入回路设定值为1

子程序结束

5.3.3源程序

源程序如下图所示：1 主程序

2 初始化子程序

六．结束语

基于PLC的智能化流量控制系统设计目的是实现对管道水流量的控制，我们采用单回控制系统进行设计。调试方面，由于在硬件设备上缺乏相应的变频器、水泵电机和电磁流量传感变送器。于是我们利用Matlab中simulink仿真该系统的PID控制策略，即在得到变频器、水泵电机、管道和电磁流量传感变送器的传递函数的基础上，采用临界比例度法整定PID参数（包括二次整定），从而仿真得到比较理想的阶跃响应曲线。另外该课设还可以适当扩展，设计一个上位机来对控制过程参数（管道水流量）进行设定以及对控制过程进行监控。

通过本次课程设计，使我对过程控制系统这门课程有了进一步的掌握，对所学的理论

知识有了更深的理解，也锻炼了我的动手能力和团队合作能力。

七．参考文献

1、 黄永红主编 《电气控制与PLC 应用技术》 机械工业出版社

2、 顾德英等主编 《计算机控制技术》 北京邮电大学出版社

3、 任彦硕等主编 《自动控制系统》 北京邮电大学出版社

4、 李红，郑颖，秦武轩 《PID 控制的泵供水系统仿真实验》

附页.Matlab 仿真程序及原始图表

1、求取系统开环传递函数1

9.102.925

.15.11.0)1(1.0.14.03.0.15.05)(23

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

s s s s s s s s s Go 的根轨迹（得到临界比例K ） b=[-1.5,1.5]; a=[2,9.2,10.9,1]; g=tf(b,a); rlocus(g)

2、传递函数离散化程序

2.1变频器传递函数1

5.05

+s 离散化为差分方程程序

>> b=10; >> a=[1,2]; >> sys = tf(b,a); % discretize ts = 0.1; % 采样周期

dsys = c2d(sys, ts, 'z') % 转化为差分方程 % extract

[num, den] = tfdata(dsys,'v') % 提取差分方程系数 >>

2.2水泵电机传递函数1

4.03

.0+s 离散化为差分方程程序

>> b=0.75; >> a=[1,2.5]; >> sys = tf(b,a); % discretize ts = 0.1; % 采样周期

dsys = c2d(sys, ts, 'z') % 转化为差分方程 % extract

[num, den] = tfdata(dsys,'v') % 提取差分方程系数 >>

2.3管道传递函数1

.0)

1(1.0+--s s 离散化为差分方程程序

>> b=[-1,1]; >> a=[10,1]; >> sys = tf(b,a); % discretize ts = 0.1; % 采样周期

dsys = c2d(sys, ts, 'z') % 转化为差分方程 % extract

[num, den] = tfdata(dsys,'v') % 提取差分方程系数 >>

3、simulink 仿真框图

4、.输出响应曲线原始图表

图5.1无控制器时阶跃响应曲线（原始曲线）

图5.2等幅振荡曲线（原始曲线）

图5.3二次整定单位阶跃响应曲线（原始曲线）

5.利用MATLAB命令将simulink示波器的图形画出的相应程序

curve=plot(aa(:,1),aa(:,2),'--r')

%aa(:,1)表示取aa的第一列，仿真时间

%aa(:,2)表示取aa的第二列，示波器的输入

%--r表示曲线2显示的形式和颜色，这里是（red)

set(curve,'linewidth',3)

%设置曲线的粗细

legend('阶跃响应曲线','PID')

%曲线名称标注

xlabel('仿真时间40（ms）')

%X坐标轴名称标注

ylabel('幅值')

%Y轴坐标轴标注

title('扩充临界比例度法二次整定阶跃响应曲线')

%所画图的名称

grid on

%添加网格