A3000试验台管道压力和流量接偶控制系统设计.docx

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A3000试验台管道压力和流量接偶控制系统设计

摘要

工业生产过程中的被控对象往往是多输入多输出系统，而且通常情况下被控变量又彼此关联。

多变量系统控制就是调整被控过程的多个输入作用而使系统输出达到某些指定的目标。

由于多变量控制系统中存在耦合，因此为了获得满意的控制效果，通常要对多变量控制系统实施解耦控制。

本设计针对A3000实验台中管道压力和流量的相互作用进行了解耦控制系统的设计。

西门子S7-200PLC为控制器，用变频器和电动调节阀分别控制流量和压力，从而实现了解耦控制，并使用了组态开发了监控画面，实现了过程控制。

关键词：

解耦控制；压力；流量；监控

Abstract

Inindustialproductionprocesses,controlledobjectsareoftenmulti-inputandmulti-outputsysteminwhichcontrolledvariablesareassociatedwitheachotherundernormalcircumstances.Multivariablecontrolsystemisasystemthatadjustsmultipleinputsinthecontrolledprocessandmakesthesystemoutputstoreachsomespecifiedtargets.Becauseofthecouplingmultivariablecontrolsystems,inordertoobtainsatisfactorycontroleffect,decouplingcontrolisusuallyimplementedinmultivariablecontrolsystem.ThepaperdesignedadecouplingcontrolsystemfortheinteractionbetweenthepressureandflowinpipelineonA3000.SiemensS7-200PLCasthecontroller,frequencyconverterandelectriccontrolvalvecontroltheflowandpressureseparatelyinordertoachieveadecouplingcontrol,andtheconfigurationdevelopmentofthemonitorscreenisusedtoachievetheprocesscontrol.

KeyWords:

decouplingcontrol;pressure;flow;monitor

附录一外文资料

附录二梯形图

第一章绪论

1.1选题背景及A3000实验台介绍

过程控制是生产过程自动控制的简称，这是自动化技术的一个重要组成部分。

通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期与程序进行的生产过程自动控制。

在现代工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。

A3000过程控制实验系统是以工业现场工艺设备为背景，以自动化教学要求和自动化工程师认证技能测试要求为依据推出的实验、培训和测试平台。

1.1.1A3000总体架构

A3000测试平台总体物理系统如图1-1所示。

（控制系统有30多种，现场系统可能具有现场总线。

）

图1-1A3000测试平台总体物理系统图

逻辑结构如图1-2所示。

图1-2逻辑结构图

A3000现场系统特性：

1.尺寸：

1450（毫米宽度）X700（毫米深度）X1950（毫米高度）。

全不

锈钢框架。

2.电力：

三相接地四线制380V±10%，单相三线制，220V±10%，

3.能耗：

最大额定用电6kw/h。

自来水120L，可重复使用。

A3000控制系统特性：

1.尺寸：

800（宽度）X60（深度）X1950（高度）。

标准工业机柜。

2.电力：

单相三线制，220V±10%，

3.能耗：

最大额定用电1kw/h

1.1.2测试平台现场系统

物理受控系统包括了测试对象单元、供电系统、传感器、执行器（包括变频器及移相调压器），从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。

下面使用示意图和流程图方式介绍现场系统的结构、原理、操作和维护。

为了防止动力设备静电积累而触电或者损坏设备，所以系统必须可靠接地现场系统包括三个水箱，一个大储水箱，一台锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热管，滞后时间可以调整的滞后系统。

现场系统工艺流程图如图1-3所示。

图1-3现场系统工艺流程图

1.2解耦的概念

耦合是指两个或两个以上的体系或两种运动形式间通过相互作用而彼此影响以至联合起来的现象。

解耦就是用数学方法将两种运动分离开来处理问题，常用解耦方法就是忽略或简化对所研究问题影响较小的一种运动，只分析主要的运动。

数学中解耦是指使含有多个变量的数学方程变成能够用单个变量表示的方程组，即变量不再同时共同直接影响一个方程的结果，从而简化分析计算。

通过适当的控制量的选取，坐标变换等手段将一个多变量系统化为多个独立的单变量系统的数学模型，即解除各个变量之间的耦合。

最常见的有发电机控制，锅炉调节等系统。

软件开发中的耦合偏向于两者或多者的彼此影响，解耦就是要解除这种影响，增强各自的独立存在能力，可以无限降低存在的耦合度，但不能根除，否则就失去了彼此的关联，失去了存在意义。

在现代化的工业生产中，不断出现一些较复杂的设备或装置，这些设备或装置的本身所要求的被控制参数往往较多，因此，必须设置多个控制回路对该种设备进行控制。

由于控制回路的增加，往往会在它们之间造成相互影响的耦合作用，也即系统中每一个控制回路的输入信号对所有回路的输出都会有影响，而每一个回路的输出又会受到所有输入的作用。

要想一个输入只去控制一个输出几乎不可能，这就构成了“耦合”系统。

由于耦合关系，往往使系统难于控制、性能很差。

三种解耦理论分别是：

基于Morgan问题的解耦控制，基于特征结构配置的解耦控制和基于H_∞的解耦控制理论。

在过去的几十年中，有两大系列的解耦方法占据了主导地位。

其一是围绕Morgan问题的一系列状态空间方法，这种方法属于全解耦方法。

这种基于精确对消的解耦方法，遇到被控对象的任何一点摄动，都会导致解耦性的破坏，这是上述方法的主要缺陷。

其二是以Rosenbrock为代表的现代频域法，其设计目标是被控对象的对角优势化而非对角化，从而可以在很大程度上避免全解耦方法的缺陷，这是一种近似解耦方法。

选择适当的控制规律将一个多变量系统化为多个独立的单变量系统的控制问题。

在解耦控制问题中，基本目标是设计一个控制装置，使构成的多变量控制系统的每个输出变量仅由一个输入变量完全控制，且不同的输出由不同的输入控制。

在实现解耦以后，一个多输入多输出控制系统就解除了输入、输出变量间的交叉耦合，从而实现自治控制，即互不影响的控制。

互不影响的控制方式，已经应用在发动机控制、锅炉调节等工业控制系统中。

多变量系统的解耦控制问题，早在30年代末就已提出，但直到1969年才由E.G.吉尔伯特比较深入和系统地加以解决。

解耦的方法有三种：

完全解耦控制，静态解耦控制和软件解耦

完全解耦控制，对于输出和输入变量个数相同的系统，如果引入适当的控制规律，使控制系统的传递函数矩阵为非奇异对角矩阵，就称系统实现了完全解耦。

使多变量系统实现完全解耦的控制器，既可采用状态反馈结合输入变换的形式，也可采用输出反馈结合补偿装置的形式

静态解耦控制，一个多变量系统在单位阶跃函数（见过渡过程）输入作用下能通过引入控制装置实现稳态解耦时，就称实现了静态解耦控制。

对于线性定常系统（A，B，C），如果系统可用状态反馈来稳定，且系数矩阵A、B、C满足关于秩的关系式，则系统可通过引入状态反馈和输入变换来实现静态解耦。

多变量系统在实现了静态解耦后，其闭环控制系统的传递函数矩阵G（s）当s=0时为非奇异对角矩阵；但当s≠0时，G（s）不是对角矩阵。

对于满足解耦条件的系统，使其实现静态解耦的状态反馈矩阵K和输入变换矩阵L可按如下方式选择：

首先，选择K使闭环系统矩阵（A－BK）的特征值均具有负实部。

随后，选取输入变换矩阵，式中D为非奇异对角矩阵，其各对角线上元的值可根据其他性能指标来选取。

由这样选取的K和L所构成的控制系统必定是稳定的，并且它的闭环传递函数矩阵G（s）当s=0时即等于D。

在对系统参数变动的敏感方面，静态解耦控制要比完全解耦控制优越，因而更适宜于工程应用。

软件解耦，说起软件的解耦必然需要谈论耦合度，降低耦合度即可以理解为解耦，模块间有依赖关系必然存在耦合，理论上的绝对零耦合是做不到的，但可以通过一些现有的方法将耦合度降至最低。

做事情要想事半功倍，就要高处着眼，触摸到事情的脉络。

当今流行着各种眼花缭乱的软件框架，不管是struts，还是spring,hibernate，还是.net，还是各种前端UI框架，其设计的核心思想是：

尽可能减少代码耦合，如果发现代码耦合，就要采取解耦技术；

解耦方法有但不限有如下几种：

（a）采用现有设计模式实现解耦，如事件驱动模式、观察者模式、责任链模式等都可以达到解耦的目的；

（b）采用面向接口的方式编程，而不是用直接的类型引用，除非在最小内聚单元内部。

但使用该方法解耦需要注意不要滥用接口。

（c）高内聚，往往会带来一定程度的低耦合度。

高内聚决定了内部自行依赖，对外只提供必须的接口或消息对象，那么由此即可达成较低的耦合度。

解耦控制是多变量系统控制的有效手段。

在现代化的工业生产中，不断出现一些较复杂的设备或装置，这些设备或装置的本身所要求的被控制参数往往较多，因此，必须设置多个控制回路对该种设备进行控制。

由于控制回路的增加，往往会在它们之间造成相互影响的耦合作用,这就构成了“耦合”系统。

由于耦合关系，往往使系统难于控制、性能很差。

在解耦控制问题中，基本目标是设计一个控制装置，使构成的多变量控制系统的每个输出变量仅由一个输入变量完全控制，且不同的输出由不同的输入控制。

在实现解耦以后，一个多输入多输出控制系统就解除了输入、输出变量间的交叉耦合，从而实现自治控制。

对于输出和输入变量个数相同的系统,如果引入适当的控制规律,使控制系统的传递函数矩阵为非奇异对角矩阵系统就实现了完全解耦。

使多变量系统实现完全解耦的控制器，既可采用状态反馈结合输入变换的形式，也可采用输出反馈结合补偿装置的形式。

1.3管道压力和流量的解耦控制

管道流量压力控制系统就是一个耦合的系统，如图1-4，系统阀1和系统阀2对管道压力的影响同样强烈，对流量的影响程度也相同。

因此当压力偏低是开大控制阀1，流量也将增加，此时通过流量控制器而关小阀2，结果又使管道中的压力上升，阀1和阀2相互作用相互影响着，这是一个典型的关联系统，关联系数与温度等其他因素无关，具有一致性。

流量也有类似的情况

图1-4管道压力和流量耦合系统图

1.4设计内容

1.4.1设计要求

熟悉控制工艺流程、串级控制的原理，了解串级控制的特点，查阅相关科技文献，掌握控制、检测、通讯等技术要求；对控制系统进行建模（包括机理建模和实验建模）；掌握液位和流量系统对控制的要求，提出控制方案（包括方案论证与确定、技术经济分析等内容），完成硬件设计（其中还包括理论分析、设计计算、实验及数据处理、设备及元器件选择等），根据工艺要求合理优化，完成软件需求的系统分析和编制；撰