1、畢業論文-流量比值控制系統課題設計 過程控制綜合課程設計學生姓名聶成洪學號0707030123教學院系電氣信息工程學院專業年級自動化07級指導教師任堰牛 完成日期2011年1月7日力控和MATLAB軟件在硝酸生產中的應用聶成洪，張寶鵬，李健（西南石油大學 電氣工程學院，成都 610500）摘要:在工業控制中常用的組態軟件力控編寫控制算法具有局限性,特別是隨著智能技術的發展, 復雜實時控制算法是很難解決的, 而MATLAB具有強大的數值分析和計算處理功能,可以完成對復雜的智能控制器設計, 及對數據分析處理。將二者優勢互補, 實現力控與MATLAB結合的實時控制,可促使智能控制技術在工業控制界廣泛

2、應用。本文闡述了監控組態軟件力控和矩陣實驗室 MATLAB 同時用來監控和分析氨氣氧化成一氧化氮的實時數據以及單閉環與雙閉環比值控制系統的方案。關鍵詞: 力控; MATLAB；流量比值控制系統；單閉環；雙閉環Application of ForceControl and MATLAB in Nitric acid manufactureNIE Cheng-hong,ZHANGBao-peng,Leejian School of Electric Information Engineering, SouthwestPetroleum University, Chengdu 610500, Chi

3、na Abstract :In the industrial control are a programming the control algorithms has limitations , using the ForceControl especially with the smart technology ,it is very difficult to solve complex real-time control algorithms ,and MATLAB has powerful numerical analysis and computing, processing func

4、tion ,which can complete the complex smart controller design ,data analysis and processing .To promote smart control technology in the industrial sector,and to combined the twosoftware for real-time control.The Configuration monitoring software ForceControl and matrix laboratory MATLAB used to monit

5、or and analyze real-time data onammonia oxidation of nitric oxide single-closed-loop and double-closed-loopratio control system.Key Words ：ForceControl; MATLAB; flow ratio control system; single-closed-loop; double-closed-loop目錄第1章結論11.1 設計研究背景11.2 設計的目的及意義21.3 小組成員及分工說明. 21.4 設計內容及要求21.4.1 設計要求21.4

6、.2 設計任務分析21.4.3 設計內容. 2第2章控制方案42.1 總體方案比較42.2 方案論證42.3 方案選擇5第3章雙閉環比值控制系統的設計63.1 雙閉環比值控制系統63.2 比值器參數的計算63.3 廣義傳遞函數73.4 Matlab軟件Simulink的設計圖73.5 監控組態軟件力控對雙閉環流量比值控制進行設計103.5.1 建立仿真驅動103.5.2 I/O點收集及表單103.5.3 創建實時數據庫113.5.4 制作雙閉環流量比值控制系統主畫面123.5.4.1 控制策略建立123.5.4.2 創建組態界面PID手操器及其設置133.5.4.3 實時趨勢曲線的設置153.

7、5.4.4 總體畫面組態16第4章控制組態的正常運行結果17第5章實驗小結18參考文獻19第章結論1.1 設計研究背景工業生產過程中，要求兩種或多種物料成一定比例關系，一旦比例失調，會影響生產的正常進行，影響產品質量，浪費原料，消耗動力，造成環境污染，甚至產生生產事故，所以嚴格控制其比例，對于安全生產來說是十分重要的。尤其在化工生產中，經常需要兩種或兩種以上的物料按一定比例混合或進行化學反應，如果比例失調，輕則造成產品質量不合格，重則會造成生產事故或發生人身傷害，給企業帶來較大的損失。例如氨分解工藝中的氨分解爐，入爐煤氣和空氣應保持一定的比例，否則將使燃燒反應不能正常進行，而煤氣和空氣比例超過

8、一定的極限將會引起爆炸。比值控制的目的就是為了實現幾種物料符合一定比例關系，以使安全生產正常進行。實現兩個或兩個以上參數符合一定比例關系的控制系統,稱為比值控制系統.由于過程工業中大部分物料都是以氣態,液態或混合的流體狀態在密閉管道,容器中進行能量傳遞與物質交換,所以保持兩種或幾種物料的比例實際上是保持兩種或幾種物料的流量比例關系,因此比值控制系統一般是指流量比值控制系統.在需要保持比值關系的兩種物料中,必有一種物料處于主導地位,這種物料稱之為主物料,表征這種物料的參數稱之為主動量。由于在生產過程控制中主要是流量比值控制系統,所以主動量也稱為主流量,用Q1表示；而另一種物料按主物料進行配比,在

9、控制過程中隨主物料而變化；因此稱為從物料,表征其特性的參數稱為從動量或副流量,用Q2表示。一般情況下,總是把生產中主要物料定為主物料。在有些場合,以不可控物料定為主物料,用改變可控物料即從物料來實現它們之間的比值關系。比值控制系統就是要實現副流量Q2與主流量Q1成一定比值關系,滿足如下關系式:K Q2/Q1，式中K為副流量與主流量的流量比值。在實際的生產過程控制中,比值控制系統除了實現一定比例的混合外,還能起到在擾動影響到被控過程質量指標之前及時控制的作用.而且當最終質量指標難于測量,變送時,可以采用比值控制系統,使生產過程在最終質量達到預期指標下安全正常地進行,因為比值控制具有前饋控制的實質

10、。本文主要針對化學工業上硝酸生產中氨氣氧化成一氧化氮的工序，介紹了兩種閉環流量比值控制系統，并針對課題要求及實際生產安全，對比選擇其中最優的系統，通過檢測氧氣的流量來控制氨氣的流量，使之流量比值穩定，由此得到合格的產品和安全的生產過程。經實驗和實踐運行，證明選擇雙閉環比值控制系統更具有結構簡單、穩態誤差小、控制精度高等優點。1.2 設計的目的及意義在工業控制中常用的組態軟件力控編寫控制算法具有局限性,特別是隨著智能技術的發展, 復雜實時控制算法是很難解決的, 而MATLAB具有強大的數值分析和計算處理功能,可以完成對復雜的智能控制器設計, 及對數據分析處理。將二者優勢互補, 實現力控與MATL

11、AB結合的實時控制,可促使智能控制技術在工業控制界廣泛應用。通過比較單閉環和雙閉環流量比值控制系統的優缺點，最終確定設計方案。1.3 小組成員及分工說明表1-3 小組成員及分工說明姓名學號分工李 健0707030119資料的查找與力控的設計聶成洪0707030123SIMULINK的仿真及力控組態張寶鵬0707030143力控的設計1.4 設計內容及要求1.4.1 設計要求已知在硝酸生產中有個氧化工序，將氨氣氧化為一氧化氮。氨氣和氧氣最大進量分別為12000方/小時和5000方/小時，調節閥前后壓差分別為10Mpa和5Mpa，結合監控組態軟件力控和矩陣實驗室（MATLAB）來監控和分析其流量比

12、值控制系統中實時數據。為了提高氧化率，則要求達到的氨氣和氧氣的比例為2:1。1.4.2 設計任務分析（1）設定總體方案，包括單閉環比值控制系統與雙閉環比值控制系統兩種方案， （都是屬于無干擾作用下）再對于兩種方案進行分析和比較，選擇其中最為合適的控制方案；（2）確定下控制方案后，畫出控制系統的系統結構原理簡圖，計算K，對于系統在無干擾條件下進行動態仿真和比值器K,整定；（3）針對本題要求對流量比值控制進行仿真，要求畫出控制策略圖，并結論。1.4.3 設計內容（1）建立起已確定比值控制系統方案的控制流程圖和系統框圖；（2）根據已知，各種資料和計算獲得主動控制量控制系統和從動控制量控制系統的廣義傳

13、遞函數，選擇非延時系統。建立起Simulink仿真模型；（3）采用理論分析法，結合仿真實驗對K,參數進行整定，繪制出仿真結果曲線；（4）在力控中做出監控控制組態圖，進行監控和分析。第2章 控制方案2.1 總體方案比較比值控制系統在實際生產中，可以根據實際情況選擇不同的控制方案，比值系統的類型主要有開環比值控制系統，單閉環比值控制系統，雙閉環比值控制系統幾種。方案一：根據比值系統的類型來設計生產一氧化氮的控制系統，由單閉環控制系統原理設計的系統框圖如圖2.1所示。檢測/變送器1控制器變頻器氨氣泵檢測/變送器2比值器-O2NH3圖2.1單閉環流量比值控制系統原理圖方案二：在單閉環控制系統基礎上，增

14、加一個主流量閉環控制系統，單閉環比值控制系統就成為雙閉環比值控制系統，則可設計出一氧化氮生產的雙閉環流量比值控制O2NH3-+主控制器螺旋輸送機變頻器氧氣泵檢測/變送器1比值器副控制器螺旋輸送機變頻器氨氣泵檢測/變送器2系統，其方框圖如圖2.2所示。圖2.2 雙閉環流量比值控制系統原理圖2.2 方案論證就所設計的兩種方案的方框圖來看，明顯可以看出方案二較之于方案一更加復雜，選用的設備也更多，但對于實際生產，生產效率和質量十分重要，因此對系統的穩定性和精確度要求較高，下面就這些因素對兩個方案進行論證。方案一的單閉環流量比值控制系統，與串級控制系統很相似，但功能很是不同。可以見得，系統中沒有主對象

15、和主調節器，這是單閉環比值控制系統在結構上與串級不同的地方，串級中的副變量是調節變量到被控變量之間總對象的一個中間變量，而比值中，副流量不會影響主流量，這是兩者之間本質上的區別。經過分析，當系統處于穩態時，比值關系是比較精確的；在動態過程中，比值關系相對而言不夠精確。另外，如果主流量處于不變的狀態，副流量控制系統又相當于一個定值控制系統。方案二的雙閉環流量比值控制系統，是在主流量也需要控制的情況下，增加一個主流量閉環控制系統構成的，由于增加了主流量閉環控制系統，主流量得以穩定，從而使得總流量能保持穩定。雙閉環比值控制系統主要應用于總流量需要經常調整（即工藝負荷提降）的場合。如果沒有這個要求，兩

16、個單獨的閉環控制系統也能使兩個流量保持比例關系，僅僅在動態過程中，比例關系不能保證。2.3 方案選擇通過前面方案的論證可知，單閉環流量比值控制系統適用于負荷變化不大，主流量不可控制，兩種物料間的比值要求較精確的生產過程。而雙閉環流量比值控制系統適用于主副流量擾動頻繁，負荷變化較大，同時保證主、副物料總量恒定的生產過程。設計針對控制對象，主流量選擇為氨氣，而副流量則選擇是氧氣氣，實際生產中，由于這兩種化學成分并不十分穩定，因而可能造成擾動頻繁，并且屬于負荷變化較大。經過分析，選擇方案二的雙閉環流量比值控制系統來設計該生產控制系統。第3章 雙閉環比值控制系統的設計3.1 雙閉環比值控制系統F1CF

17、1CQ1X1 s Q1 S F1T -F2TQ2 S -Q2圖 3.1.1 雙閉環比值控制流程圖圖 3.1.2 雙閉環比值控制系統框圖3.2 比值器參數的計算工藝要求的比值系數K，是不同物料之間的體積流量或重量流量之比，而比值器參數，則是儀表的讀數，它與實際物料流量的比值K，一般的情況下并不是相等的。因此，在設計比值控制系統時，必須根據工藝要求的比值系數K計算出比值器參數。當流量與檢測信號呈非線性關系時，差壓與流量的平方成正比，即 3-1 式中，C為差壓流量傳感器的比例系數。當物料流量從0變化到時，差壓則從0變化到。相應地，變送器的輸出則由4mA DC變化到20mA DC 。此時，任何一個流量

18、值Q1或Q2所對應的變送器的輸出電流信號I1和I2應為 3-2 式中，Q1為主流量氨氣的體積流量或重量流量；Q2為副流量氧氣的體積流量或重量流量；為測量Q1所用變送器的最大量程；為測量Q2所用變送器的最大量程；I1、I2分別為測量Q1、Q2時所用變送器的輸出電流 mA 。由于生產工藝要求，則，根據式 3-2 ，則有由此可得 3-3 式中 3-3 所示即為比值器的參數。上式表明，當物料流量的比值K一定、流量與其檢測信號呈平方關系時，比值器的參數與物料流量的實際比值和最大值之比的乘積也呈平方關系。則有比值器的參數3.3 廣義傳遞函數（1）主動控制量控制系統的數學模型為：（2）從動量控制量控制系統的

19、數學模型為： 設定時，全都選擇是非延時系統模型，開始建立Simulink模型。3.4 Matlab軟件Simulink的設計圖圖3.4.1 Simulink的設計圖（1）Scope氧氣和氨氣比值輸出曲線：氧氣設定值為：4000方/小時圖 3.4.2 比值輸出曲線（2）Scope1PID0控制器的輸出顯示：穩態值為1334方/小時圖 3.4.3 PID0控制器的輸出圖形（3）Scope2PID1控制器的輸出顯示：穩態值為849方/小時圖 3.4.4 PID1控制器的輸出圖形（4）Scope3氧氣的輸出曲線：氧氣設定值為4000方/小時圖3.4.5 主控量氧氣的輸出曲線Scope4氨氣的輸出曲線：

20、2800方/小時圖 3.4.6 從控量氨氣的輸出曲線（6） Scope5RATIO0比值器的輸出曲線：穩態值為2800方/小時圖 3.4.7 K 0.7比值器的輸出曲線3.5 監控組態軟件力控對雙閉環流量比值控制進行設計3.5.1 建立仿真驅動在本實驗中，在設定仿真驅動的時候，需要新建一個仿真驅動，操作如下：點擊“變量”“I/O設備組態”“力控”“仿真驅動”“SIMULATOR（仿真）”出現如下圖圖3.5.1.1 新建仿真plc新建仿真驅動成功如下圖：圖 3.5.1.2 新建仿真plc成功圖3.5.2 I/O點收集及表單經設計構思，初步設計表單如下表表3-5-1總體設計方案配置情況總體設計方案

21、配置情況系統性質直接數字控制系統結構IPC控制硬件PC機操作系統WIN7軟件力控ForceControl 6.1 sp3表3-5-2 I/O表單收集NAME點名DESC說明%IOLINKI/O連接1SV1氧氣的設定值PV plc：地址：0 常量寄存器最小：0 最大：50002OUT1氧氣的輸出值PV plc：地址：2 常量寄存器最小：0 最大：50003OUT2氨氣的輸出值PV plc：地址：3 常量寄存器最小：0 最大：50004TRANS15TRANS26TRANS37PID18PID09TATIO03.5.3 創建實時數據庫在該系統中，我們需要創建一個只擁有3點的實時數據庫，而從4-9個

22、數據庫點則是在“控制策略”與數據庫連接后，自動生成的。選取氧氣的設定值SV1為例，其步驟如下：（1）雙擊“工程項目”“變量”下的“數據庫組態”，在彈出的對話框中的空白第一行，雙擊，彈出如下對話框；圖 3.5.3.1 模擬I/O點SV的設置（2）把“點名”、“點說明”、量程上、下限給設置好后，再單擊“數據連接”，彈出“數據連接”頁的設置，再點擊“修改”，彈出如圖所示設置頁。圖 3.5.3.2 I/O點的基本常量設置其余的數據庫的點的設置用同樣的方法設置出來，并保存后退出。3.5.4 制作雙閉環流量比值控制系統主畫面3.5.4.1 控制策略建立（1）在力控“工程項目”“工具”中雙擊“控制策略”，彈

23、出一個“Strategy Builder”畫面，開始在其內建立起功能模塊組態圖如下所示；圖 3.5.4.1 控制策略的組態功能模塊圖（2）開始設置每個功能功能模塊的參數，以PID0的定義為例子如表3-5-4 PID0功能模塊參數設置，其余的按各自的Simulink中的顯示數值來設置。表 3-5-4 PID0 功能模塊參數設置表類別PID控制器輸出低限0輸入補償方式無補償序號1輸出高限1667輸入補償量0點名PID0偏差死區0計算偏差0比例1偏差增益1輸出補償方式無補償積分（秒）0.063安全值0輸出補償量0微分（秒）0緊急連鎖狀態安全態計算偏差0采集周期（ms）1000回路狀態自動輸出補償方式無補償設定值4000正/反動作反動作輸出補償量0輸出值1334設定值最小值0計