毕设论文

更新时间:2024-07-07 06:04:01 阅读量: 综合文库 文档下载

说明:文章内容仅供预览,部分内容可能不全。下载后的文档,内容与下面显示的完全一致。下载之前请确认下面内容是否您想要的,是否完整无缺。

摘要

本文是围绕蒸馏塔的测控问题展开的,蒸馏塔是生产的核心,具有非线性、强耦合、多变量等特点,它的控制直接影响到产品的质量、产量和能耗。本文研究的目的是对蒸馏塔进行控制,使产品质量符合要求。

本文的研究方法是:(1)通过蒸馏塔模型做它的动态性能分析,(2)利用RGA 算法对控制量和被控量进行有效的配对,(3)PID调节器参数的设计(4)对所采用的方案进行MATLAB仿真,(5)基于PLC进行硬件设计。

关键词:控制 RGA PID参数设计 MATLAB仿真

Abstract

第一章 绪论

1.1 蒸馏塔的现状

精馏是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛的传质传热过程。精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同挥发度,将各组分分离并达到规定的纯度要求。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度,即同一温度下各组分的蒸汽分压不同,使液相中轻组分转移到气相,气相中的重组分转移到液相,实现组分的分离。

轻组分的转移提供能量;冷凝器将塔顶来的上升蒸汽冷凝为液相,并提供精馏所需的回流。

精馏过程是一个复杂的传质传热过程。表现为:过程变量多,被控变量多,可操纵的变量也多;过程动态和机理复杂。因此,熟悉工艺过程和内在特性,对控制系统的设计十分重要。

蒸馏是当代应用最广的一项工业分离技术, 目前已具有相当成熟的经验与研究基础, 今后较长时期仍将是工业分离的主要手段。在我国, 随着化学工业特别是石油工业的发展, 蒸馏技术得到十分广泛的应用。蒸馏是高能耗的分离过程, 其应用量大面广, 无论是在提高产量或质量方面, 还是在减少能耗方面的改进都可能取得可观的经济效益。它一直受到国家的重视与支持, 曾被列为重大项目, 并成立了蒸馏国家重点实验室(化学工程联合国家重点实验室的一部分) 以及有关的新技术推广中心。

蒸馏技术的出现虽有较长历史, 蒸馏学科的发展也具相当的基础, 但从总体看仍处于半经验阶段。由于影响因素十分复杂, 理论预测的偏差一般仍然很大, 故安全系数也比较大, 造成了设备和能源的很大浪费, 特别是大型工业蒸馏塔。因此, 蒸馏技术存在很大的改进余地, 蒸馏学科应该而且必将继续发展, 同时蒸馏技术的发展也面临许多难题与挑战.

1.2蒸馏塔的工作原理

在发酵成熟醪中,不单是含有酒精,还含有其它几十种成分的物质,若加上水,这些物质的含量远远超过酒精的含量,成熟醒中酒精含量仅为7—11%(容量)左右,而包括水、醇类、醛类、酸类、脂类的杂质几乎占90%,要得到纯净的酒精,就必须采用一定的方法,把酒精从成熟醪中分离出来。生产中是采用加热蒸馏的办法,把各种不同沸点、比重、挥发性的物质从不同的设备中分离出来,从而得到较高纯度的酒精。

粗馏塔的工作原理为发酵成熟醪通过预热后,进入粗馏塔中的上部,塔底不断均匀地通入加热蒸气,这时由于加热的作用就可将成熟醪中液态酒精转变为酒精气体,同时其它低沸点和挥发性的杂质,都成为气态,和酒精一同进入排醛塔中(也可直接进入精馏塔),塔底将蒸馏后的废糟排出塔外。

粗馏塔运行正常时,塔顶温度不得低于93℃,但也不能过高,过高的顶温对分离无利,且耗蒸汽量大。一般控制在95—96℃。温度过低,醒中的酒精没有完全蒸发出来,逃酒率明显增大。纯酒精的沸点是78.3℃,但

混有水等成分的混合液体的沸点远远不止78.3℃,所以,粗馏塔底温控制不应低于105℃,一般在105℃—109℃之间。成熟醪进入粗馏塔前必须进行预热,减小温差,有利于蒸馏塔稳定运行。一般应将醪预热温度控制在60—70℃之间,有些生产单位由于设备性能的影响,一般偏低5—10℃。 除醛塔的工作原理是成熟醪中的酒精经过粗馏后,由气态从粗馏塔顶进入除醛塔中,通过除醛塔内再适量的加热、冷凝、回流,使粗酒精中所含的醛、酯等低沸点、易挥发的杂质从排醛管中排出,脱醛酒精从醛塔底部进入液相精馏塔,部分酒头从酒头管中进入后发酵罐的醪中或成熟醪中。 正常情况下,除醛塔底部温度为86—89℃,塔顶温度控制在79℃,除醛塔上的1*冷凝器水温不应低于60℃,最后一个冷凝器的温度不得低于25℃。

精馏塔的工作原理是酒精通过以上两塔蒸馏后,酒精浓度还需要进一步提高,杂质还需进一步排除,精馏塔的蒸馏目的就是通过加热蒸发、冷凝、回流,上除头级杂质,中提杂醇油,下排尾级杂质,获得符合质量标准的成品——酒精。

精馏塔的塔顶温度一般应控制在79℃,塔底温度应控制在105—107℃,塔中温度在取酒正常的情况下,在88—92℃之间。精馏塔上的1*冷凝器水温应在60—65℃,2*冷凝器应在35—40℃,最后一个冷凝器温度最好不低于25℃。 1.3

精馏塔的控制要求

精馏塔的控制目标是:在保证产品质量合格的前提下,使塔的回收率最高、能耗最低,即使总收益最大,成本最小。

精馏过程是在一定约束条件下进行的。因此,精馏塔的控制要求可从质量指标、产品产量、能量消耗和约束条件四方面考虑。 1.质量指标

精馏塔的质量指标是指塔顶或塔底产品的纯度。通常,满足一端的产品质量,即塔顶或塔底产品之一达到规定纯度,而另一端产品的纯度维持在规定范围内。所谓产品的纯度,就二元精馏来说,其质量指标是指塔顶产品中轻组分含量和塔底产品中重组分含量。对于多元精馏而言,则以关键组分的含量来表示。关键组分是指对产品质量影响较大的组分,塔顶产品的关键组分是易挥发的,称为轻关键组分;塔底产品的关键组分是不易挥发的,称为重关键组分。产品组分含量并非越纯越好,

原因是,纯度越高,对控制系统的偏离度要求就越高,操作成本的提高和产品的价格并不成比例增加,因此纯度要求应与使 图6.1-1 精馏塔示意图 用要求适应。

2.物料平衡控制

进出物料平衡,即塔顶、塔底采出量应和进料量相平衡,维持塔的正常平稳操作,以及上下工序的协调工作。物料平衡的控制是以冷凝罐(回流罐)与塔釜

液位一定(介于规定的上、下限之间)为目标的。

3.能量平衡和经济平衡性指标

要保证精馏塔产品质量、产品产量的同时,考虑降低能量的消耗,使能量平衡,实现较好的经济性。

4.约束条件

精馏过程是复杂传质传热过程。为了满足稳定和安全操作的要求,对精馏塔操作参数有一定的约束条件。

气相速度限:精馏塔上升蒸汽速度的最大限。当上升速度过高时,造成雾沫带,塔板上的液体不能向下流,下层塔板的气相组分倒流到上层塔板,出现液泛现象。

最小气相速度限:指精馏塔上升蒸汽速度的最小限值。当上升蒸汽速度过低时,上升蒸汽不能托起上层的液相,造成漏夜,使板效率下降,精馏操作不能正常进行。

操作压力限:每一个精馏塔都存在最大操作压力限制。

临界温度限:保证精馏塔的正常传热需要、保证合适的回流温度,使精馏塔能够正常操作。 1.4蒸馏塔的测控问题

为保证蒸馏产物的质量须使蒸馏塔回流,而盲目回流又可能使产物的纯度过高,这是造成浪费能源的主要因素。另一方面,蒸馏塔的动态特性复杂,且具有非线性,对输出组分又难以实现精确快速测量。因此对蒸馏塔组分的测控问题一直是自动控制领域中的重要研究课题。70年代以来,随着能源的不断紧张,人们更加重视这方面的研究,已经将适应控制系统应用于蒸馏塔的输出组分控制。 干扰 蒸馏塔运行中最主要的干扰是由输入馈流引起的,包括馈流的组分、流速等参数变化所引起的干扰。在多级控制中还要考虑加热蒸气的压力和冷却水流引起的干扰。若馈流速度取决于馈送设备、而且是不可控的,则可将它的测量值用于前馈控制,以控制输出流量和塔内流量,使它们与输入馈流成比例。由于塔身竖立于地面,还需要考虑气候变化的影响。

测量 对产物组分的直接测量通常采用气体色谱仪,也可采用质谱仪等其他分析仪表。这类仪表需要一段处理时间才能得出测量值,结果给控制回路带来显著的死区时间,同时成本也较高。因此,还需要利用对其他参数的测量来间接推断产物组分。常用间接测量方法包括测量温度、红外吸收、折射率和电导率等参数。通常采用直接测量和间接测量相结合的方式。直接测量仪表装在输出管道上,用于精确测量流速较慢的产物流的组分。间接测量用于检测馈流干扰引起的快速扰动,装在塔的中部,因为塔端温度对组分的变化不敏感。

适应控制 PID调节器在工业控制中广泛应用,它需要针对系统的动态特性调整比例、积分和微分项的系数后才能取得良好的效果。把 PID调节器用于蒸馏塔产物组分控制,往往需要频繁地调整以补偿操作条件改变引起的动态特性变化。采用适应控制方案可较理想地解决这个问题。例如采用自校正调节器可达到或优于 PID调节器的控制效果,而且省去了调整的工作。

动态性能测试模型

MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案,并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)的编辑模式,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连

matlab开发工作界面

接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多,并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。

在刚开始做的时候,我先做了系统的动态性能测试,通过最原始的

响应曲线

波特响应图

impulse response plot

内奎斯特

Nichols plot

零极点图

第三章 相对增益矩阵(RGA)的计算

相对增益矩阵:

在多变量过程控制系统中,虽然变量间相互关联,然而总有一个控制量对某一被控制量的影响是最基本的,对其他被控量的影响是次要的,这就是控制变量于被控变量之间搭配的关系,也就是常说的变量配对。

一个系统中可以有不同的变量配对关系。适当的选择变量间的配对关系,有可能削弱各通道间的关联(耦合)程度,以致不必在进行解耦。

在多变量系统中,如何合理的选择输出变量(被控量)于输入变量(控制量)间的配对关系,并却定各系统之间的耦合程度,是确定多变量系统是否需要解耦设计的关键问题。相对增益的概念正是为解决上述问题而提出的。

相对增益是用来衡量一个选定的控制量与其配对的被控量间相互影响大小的尺度。因为它是相对于系统中其他控制量对该被控量的影响来说的,故称其为相对增益。

Bristol(1996)提出了一种分析多变量过程控制问题的系统方法,该方法仅需稳态信息(过程增益矩阵)和以下两个重要信息:

1. 过程耦合度的测量。

2. 被控量和操作量之间的最有效配对方法的推荐。

Bristol的方法基于相对增益。对于一个n个被控量和n个操作量的过程。被控量 和 操作量之间的相对增益 可以定义

??yi???u?j?u开环增益? ?ij? (1) ?闭环增益??yi???u?j?y?其中,i=1,2,…,n, j=1,2,…,n,

为了方便可以把相对增益排成相对增益矩阵(relative gain array,简称RGA)用Λ来表示:

U11U2?Uny1??11?y2????21????yn??n1?12?22??n2??1n???2n?? (2) ??????nm?RGA相对于稳态过程模型有几个重要的性质:

1.它是标准化的,因为矩阵的每行或每列上元素总和都是1. 2.相对增益是无量纲的,故与所选变量的单位或尺度无关。 3.RGA 是对增益矩阵K中元素不确定性敏感度的一种度量。 相对增益矩阵的计算:

相对增益可以很容易的由稳态数据或过程模型得到。对于一个已知稳态模型的2×2过程,可以用如下变量增量来表达:

y=K11u1+K12u2y2=K21u1+K22u2 (3),(4)

其中,是 和 之间的稳态增益。此模型也可用更简洁的矩阵形式来表达: y=Ku (5)

对于一个稳态过程,(5)式中的稳态增益模型可如此求出: K?GP?0??由(1)和(3)式可知:

由式(4)可求出 :

limGP?s? (6) s?0u2??K21 u1K22 (7)

再将其带入式()

?K12K21? y1?K11??1?KK??u11122?? (8)

然后有:????y1??K12K21???? ?K11?1????K11K22? (9)??u1?y2把式()和()代入式(),即可得到一个相对增益:

?11?1

K12K211?K11K22 (10)

又因为()式中的每行每列的总和均为1,所以在2×2系统里,其他相对增益?很容易从?11得到:

?12??21?1??11?22??11

(11)

因此,2×2的RGA可以表示为:

??1??? ?????? (12)?1??在这里需要值得注意的是2×2过程的RGA总是对称的。

蒸馏塔模型的RGA矩阵计算:

此次所控制的蒸馏塔模型是一个二元蒸馏塔,控制量为回流量和再沸的蒸汽量(R和S),B被控量是蒸馏塔塔顶成分和塔底成分(XD和XB) 蒸馏塔模型:

?12.8e?s?XD?S???16.7s?1?X?X????6.6e?7s?B????10.9s?1?18.9e?3s??21.0s?1??R?S??

??19.4e?3s???S?S??14.4s?1??使S?0求得模型的稳态矩阵K为:

?12.8?18.9? K????6.6?19.4?所以,他的相对增益?11?11??2

K21K126.6???18.9?1?1?12.8???19.4?K11K22由上式可得模型的RGA(相对增益矩阵):

?2?1? ??????12?在这里要注意的是被控量和操作量的配对要是相应的相对增益是正的,而且尽可能的为1.根据以上可知蒸馏塔模型的配对方式为1?12?2。

前馈—反馈复合系统:

所谓前馈,它是与反馈控制相对而言的。反馈控制是在系统受到扰动,被控量发生偏差再进行控制,而前馈控制的思想就是根据进入过程的扰动量(包括外界扰动和设定值变化),产生合适的控制作用,使被控量不发生偏差。

下面两图给出了简化的前馈控制和反馈控制方框图:

前馈控制器 过程

前馈控制回路

反馈控制器 过程

反馈控制回路 前馈控制有一些不足之处,如下面所示的3点:

1. 干扰变量必须能够在线测量,有很多情况下这是不可能的。

2. 为了有效使用前馈控制,至少需要有一个近似的过程模型,特别是需要

知道干扰变量和操作变量如何影响被控变量。前馈控制的效果取决于过程模型的准确度。

3. 理想的额前馈控制器在理论上可以实现理想控制,但可能是难以物理实

现的。幸运的是这些理想的控制器的近似实现常常能够提供有效的控制。 前馈控制在20世纪60年代之后才获得广泛的应用。从那时起,它便被广泛的应用于各类过程中,包括锅炉、蒸发器、固体干燥器、直燃炉和废品处理厂。但是其基本概念的产生更早一些。

前馈控制属于开环控制,所以单纯的前馈控制方案一般不宜采用。在实际的生产过程中,往往同时存在着若干扰动。若全部采用前馈控制,则需对每一个扰动都要使用一套测量变松仪表和一个前馈控制器,这将使得系统变得庞大而复杂,更不用说有一些扰动还无法在线测量,这些因素均限制了前馈控制的应用范围。

为了解决前馈控制的上述局限性,工程上将前馈和反馈结合起来。这样,既发挥了前馈作用可及时克服主要扰动对对被控量影响的优点,又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的长处,同时也减低了系统对前馈补偿器的要求,使其在工程上更易于实现,这种前馈-反馈符合控制系统在过程控制中已被广泛的使用,相应系统的方框图如下图所示:

Wff(s) Wd?s? Wc?s? Wv?s? W0?s? Wm?s?

PID算法研究及参数整定:

比例—积分—微分PID()是一种应用广泛的经典控制理论。在生产过程自动控制的发展历史中,PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。随后,随着科学技术的发展,特别是电子计算机的诞生和发展,涌现出许多先进的控制策略,然而直到现在,然而直到现在,PID控制仍然得到广泛应用。总结起来,该算法具有如下优点:

(1)单,使用方便。PID控制是由P、I、D三个环节组合而成,其基本组成理比较简单,很容易理解它,参数的物理意义也比较明确。

(2)适应性强。可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油、造纸、建材等各种生产场合。按PID控制进行工作的自动调节器早已商品化,在具体实现上经历了机械式、液动式、气动式、电子式等发展阶段,但始终没有脱离PID控制的范畴。即使目前最先进的过程控制系统,其基本控制算法也仍是PID控制。 (3)鲁棒性强,即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。

由于具有这些优点,在过程控制中,人们首先想到的总是PID控制。大型现代化生产装置的控制回路可能达到一二百路甚至更多,其中绝大数都采用PID控制。例外的有两种:一种是被控对象易于控制而控制要求又不高时,可以采用更简单的开关控制方式;另一种是被控对象特别难控制而控制要求又特别高时,如果用PID控制难以达到生产要求,就要考虑采用更先进的控制策略。

PID调节器分为模拟式和数字式。前者采用运算放大器、阻容元器件等模拟电路构成,早期使用广泛,如DDZ—III型PID调节器。随着微处理器的发展,采用单片微型计算机的数字式PID调节器应用越来越广泛。 PID的调节原理:

PID控制就是根据系统误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

积分(I)型控制 在积分控制中,控制系统的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对于一个控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差

的或简称有差系统(system with steady—state error)。为了消除稳态误差。在压力、速度、温度控制中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会不断的增大。这样,即使误差很小,积分项也会随着时间的增加而增大,它会推动输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI)制,可以使控制系统在进入稳态后无稳态误差。

比例(P)控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时,系统输出存在稳态误差。

积分(D)控制

在积分控制中,压力、速度、温度的信号输出与输入误差信号的微分(及误差的变化率)成正比关系。控制系统在客服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在较大的惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法就是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项” ,它能够预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制系统,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能够改善系统在调节过程中的动态特性。

PID的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据控制过程的特性确定压力,速度,温度PID控制的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制参数整定的方法是很多的,概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据被控对象动作系统的数学模型,经过理论计算确定控制参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过被控对象实际动作进行调整和修改。二是被控对象动作过程整定方法,它主要依赖被控对象动作控制经验,直接在被控对象动作控制时进行压力,速度及温度调整,且方法简单、易于掌握。PID控制参数的工程整定方法,主要有临界比例阀、反应曲线法和衰减发。三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照被控对象调试经验对PID进行参数整定。但无论采用那一种方法所得到的PID参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

在找到最佳整定参数之前,要对PV值曲线进行走势分析,判断扰动存在的变化大小,再慢慢的进行凑试。如果经过多次仍找不到最佳整定参数或参数无法达到理想状态,而系统控制有要求较为准确,那就得考虑单回路PID控制的有效性,是否应该选用更复杂的PID控制。

把比例、微分、积分这三种模式混合在一起,构成PID控制器,实际上PID控制有多种形式。下面介绍的是本次设计中所用的PID控制的并行形式。 、

微分作用可以通过并行形式与比例、积分作用一起使用。并行形式(parallel form)的PID控制算法(没有微分滤波器)如下:

?1P?t??P?KC?e?t???I????t0et*dt*??Dde?t??? dt?其控制形式框图如下图所示:

P I D

PID调节器的参数设置

参数整定原则

1. 控制系统稳定运行准则,控制系统开环总增益(KCK0)来讲,当系统运行正常后,如果增大了K0,则应将KC相应的减少相同倍数;反之亦然。例如,变送器量程变小时,KC应减小相应倍数;当执行器口径增大时,KC相应的减小等。

2.t0/T0是广义对象的动态参数,该值越大,控制系统越不易稳定,这时,应减小KC,以保证系统的稳定性。同时,Ti/t0和Td/t0应合适,通常取Ti=2t0,Td=0.5t0.

3.P、I、D三者中,P作用是最基本的控制作用。一般先按纯比例进行闭环测试,然后适当引入Ti和Td。也可以根据广义对象的时滞t0,设置好Ti和T d,然后调整比例增益KC。

4.应尽量发挥积分作用消除误差。一般取Ti=2t0,或Ti=(0.5~1)Tp, Tp是振荡周期。引入积分作用后,所引入的相位滞后不应超过40°,幅值比增加不超过20%。为此,KC应比纯P是减小约10%。

5.微分作用的引入是为了解决高阶对象的国度滞后对控制品质的不利影响,对于纯滞后,微分作用无能为力。多数情况下,引入微分后,KC应比纯P是增加约10%。

6.对含有高频噪声的过程,不宜引入微分,否则,高频分量将被放大的很厉害,对控制不利。

7.稳定性是控制系统品质指标的前提条件。通常,可取衰减比作为稳定性指标。在整定完成后一定要确保过程控制系统的稳定性。

8.衰减比的选择。对于随动控制系统,常取衰减比n=10/1;定值控制系统常取 n=4/1。

根据过程特性选择调节器控制规律

单回路控制系统是由被控对象、控制器、执行器和测量变送装置四大基本部分组成的。被控对象、执行器和测量变送装置合并在一起称为广义对象。在广义对象特性已确定,不能能任意改变的情况下,只能通过改变控制规律的选择来提过系统的控制性与控制质量。

目前工业上常用的控制规律主要有:位式控制、比例控制、比例积分控制、

比例微分控制和比例积分微分控制等。

(1)位式控制——这是一种简单的控制方式,一般适用于对空置量要求不高的空被控对象是单容的、且容量较大,滞后较小、负荷变化不大也不太激烈、工艺允许被控量波动范围较大的场合。

(2)比例控制——比例控制克服干扰能力强、控制及时、过度时间段。在常用的控制规律中,是最基本的控制规律。但春比例作用在过渡过程终了时存在余差。符合变化越大,余差越大。比例作用适用于控制通道滞后较小、符合变化不大、工艺允许被控量存在余差的场合。

(3)比例积分控制——由于在比例作用的基础上引入了积分作用,而积分作用的输出与偏差的积分成正比,只要偏差存在,控制器的输出就会不断变化,知道消除偏差为止。所以,虽然加上积分作用会使系统的稳定性降低,但系统在过渡过程结束时无余差,这是积分作用的优点。为保证系统的稳定性,在增加积分作用的同时,加大比例度,使系统稳定性基本保持不变,但系统的超调量、振荡周期都会相应增大,过渡时间也会相应增大,比例积分作用适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控量存在余差的场合。

(4)比例微分控制——由于引入了微分的作用,他能反映偏差变化的速度,具有超前控制作用,这在被控对象具有较大滞后场合下,将会有效地改善控制质量。但是对于滞后小、干扰作用频繁,以及测量信号中夹杂无法剔除的高频噪声的系统,应尽可能避免使用微分作用,因为它将会使系统产生振荡,严重时会使系统失控而发生事故。

(4)比例积分微分控制——比例积分微分控制综合了比例、积分、微分控制规律的优点。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。

参数整定方法

PID控制通过改变调节器参数来完成,要选择合适的PID参数,首先要对PID参数进行整定。PID参数整定的方法很多,但无论采用哪一种方法所得到的PID参数,都需要在实际中进行最后的调整与完善。完善的内容主要看被控对象PV是否跟随设定值SV,是否响应快速、稳定,是否能够抑制闭环中的各种扰动而回复稳定,PV值是否在理想的调节精度内,输出(MV)是否在稳定的开度范围内;完善的方法主要是连续观察PV相对于给定设置的响应变化曲线。

PID参数整定是一个反复调整测试的过程。使用simulink能大大简化这一过

程。

在本次设计,蒸馏塔模型是一个2×2矩阵模型,可以用两个单回路来控制,系统框图如下图所示:

PID1 蒸馏塔 PID2

1P11I1du/dtDerivative11In11P21I2du/dtDerivative1D21sIntegrator1Add12S1D11sIntegratorAdd1R

PID仿真图

硬件设计

西门子S7—300可编程控制器的应用

S7—300是模块化中小型PLC系统,它能满足中等性能要求的应用。它的模

块化,无牌风扇结构,易于实现分布,易于用户掌握等特点使得s7—300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。

S7—300在很多领域被广泛应用,其中包括:专用机床、纺织机械、包装机械、通用机械工程应用、控制系统、机床、楼宇自动化、电器制造工业及其相关产业。它多种的性能递增的CPU 和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块,使用户完全可以根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大且愈加复杂时,可随时使用附加模块对PLC进行扩展。

S7—300是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合用于扩展。它的系统组成包括:

1. 中央处理单元(CPU),各种CPU有各种不同的性能。 2. 信号模块(SM),用于数字量和模拟量输入/输出。 3. 网络处理器(CP)用于连接网络和点对点连接。

4. 功能模块(FM)用于高速计数,定位操作(开环或闭环控制)和闭环控

制制。

根据客户要求,还可以提供以下设备:

负载电源模块(PS)用于将SIMATIC S7—300连接到120/230V AC电源。 接口模块(IM)用于多机架配置时连接主机架(CR)和3个扩展机架(ER)可以操作多达32个模块。运行时无需风扇。

SIMATIC M7自动化计算机 AT—兼容的计算机用于解决对时间要求非常高的技术问题,它既可以作为CPU,也可以作为功能模块使用。

4.2 模块的选择

4.2.1中央处理器 CPU 314C—2 DP

CPU 314C—2 DP是一款紧凑型CPU,带集成的数字量和模拟量的输入和输出,以及PROFIBUSDP主站/从站接口,带有与过程相关的功能,可以完成特殊功能的任务,可以连接I/O设备。同时,这一款CPU运行时需要为存储器卡。

CPU 314C—2 DP

4.2.2 数字量模板

图4-3数字量模板

SIMATIC S7-300的数字输入/输出模块使控制器灵活地与任务相适应,用于连接数字传感器和执行元件。数字I/O模块包括用于SIMATIC S7-300的数字输入和输出。通过这些模块,可将数字传感器和执行元件与SIMATIC S7-300相连。

数字 I/O 模块具有下列优点:(1)优化配合可利用可以任何方式组合的模块使输入/输出点数与任务相配合。(2)灵活的过程连接,可通过各种不同的数字,执行元件和传感器使 S7-300 与过程相连接。 4.2.2.1SM 321数字量输入模板

SM 321数字量输入模板是数字输入模块将从过程传输来的外部数字信号的电平转换为内部 S7-300 信号电平。该种模块适用于连接开关和2线BERO接近开关。我们选用订货号为6ES7 321-1BH82-0AA0, 16输入,用24 V DC电源的数字量输入模板。

图4-4SM 321数字量输入模板

4.2.2.2SM 322数字量输出模板

数字输出模块将 S7-300 的内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平。该种模块适用于连接电磁阀、接触器、小功率电机、灯和电机启动器。这里我们选择8输出,24 V DC,限流2A,订货号为6ES7 322-1BF01-0AA0的数字输出模块。

图4-5 SM 322数字量输出模板

4.2.3模拟量模板

图4-6模拟量模板

模拟 I/O 模块包括用于 S7-300 的模拟输入和输出模块。通过这些模块可将模拟传感器和执行元件与 S7-300相连。

模拟 I/O 模块具有下列优点:优化配合、模块可任意组合以配合任何所需输入/输出点数量。没有必要增加投资强大的模拟技术不同的 I/O 范围和高分辨率,允许与众多不同的模拟传感器和执行元件相连。 4.2.3.1 SM 331模拟量输入模板

模拟输入模块将扩展过程中的模拟信号转化为 S7-300内部处理用的数字信号。电压和电流传感器、热电耦、电阻和电阻式温度计均可作为传感器与该模块相连。在这里我们选用一个8输入,型号为6ES7 331-7KF02-0AB0的SM 331模拟量输入模板。

4.2.3.2 SM 332模拟量输出模板

模拟量输出模板将从 S7-300来的数字量转换为过程用的模拟量信号。在这里我们选择一个4输出,型号为6ES7 332-5HD01-0AB0的模拟量输入模板。

图4-7模拟量输出模板接线图

4.2.4功能模板(FM 355闭环控制模块)

图4-8 FM 355闭环控制模块

FM 355闭环控制模块用于通用闭环控制任务的4通道闭环控制模块,可用于温度、压力和流量控制。方便用户的在线自优化温度控制,2种控制算法,2种派生型( FM 355C 作为连续动作控制器, FM 355S 作为步进或脉冲控制器)。

FM 355 闭环控制模块是用于广泛的闭环控制任务的智能化4通道模块。它可用于:温度控制、压力控制、流量控制、液面控制、用于下列领域、通用机械工程、工厂建造、工业炉、制冷和供热设施、食品和饮料工业、橡胶和塑料机械、化工和过程自动化、玻璃和陶瓷、木材和造纸工业。

FM 355有两种不同的形式:

(1)FM 355C:作为连续控制器,带有4个模拟输出端用于控制模拟执行元件。

(2)FM 355S:作为步进或脉冲控制器,带有 8 个数字输出端用于控制电机 (集成的) 驱动的执行元件或二进制控制的执行元件 (如电热丝式加热器和筒式加热器)。

FM 355 可用于 SIMATIC S7-300 和 ET 200M (S7-300/400作为主站) 中。在这里我们选用两个型号为6ES7 355-0VH10-0AE0的FM 355C 闭环控制模块。

4.3 FM355 PID 模块的使用

FM355 PID闭环控制器适合压力、流量、温度的闭环控制。在西门子软件中有多种PID控制器,如集成于 STEP7的 FB41、FB42、FB43PID控制函数;参数过程图形化、实现手动、自动无扰切换功能的标准 PID控制函数;集成更多PID控制算法、需要将不同的控制算法搭接为一个完整 PID控制回路的模块化 PID控制函数等都是软件 PID函数。PID控制算法在CPU内进行,输入和输出接口可以直接指定不同的信号模块,对于编程人员来说,有很高的灵活性,但是在控制回路较多时将占用大量的CPU循环扫描时间,从而影响 CPU快速处理能力。与软件 PID控制函数相比,控制算法集成于 FM355模块中,所有 PID控制的计算和信号采样由完成,不占用 CPU的扫描时间,CPU通过专用函数与 FM355模块进行数据交换-发送命令并接收反馈信号。与软件 PID相比,FM355模块还集成后援操作即在 CPU故障停止的情况下自动切换到后援操作模式,FM355模块将当前设定切换到在模块中预先设定的值进行PID闭环控制,如果CPU连接操作

面板,在后援操作模式下通过操作面板还可以直接对FM355模块控制参数进行操作,避免CPU停止造成的控制过程的失控。

FM355模块可以安装于 S7-300的中央机架,也可以安装于分步式 I/O ET200M中,在分步式 I/O ET200M中安装 FM355模块,由于 CPU需要通过调用异步读写函数对 FM355模块的数据区进行数据访问,同时调用读写函数的个数受到 CPU资源的限制,对于 S7-300CPU,在 ET200M中最多可以插入一个模块(4个PID回路),对于 S7-400 CPU,在ET200M中最多可以插入两个模块(8个PID回路)。在 S7-300CPU中央机架模块通常可以连接 8个模块,具体数量可以查看 CPU的技术规范。FM355模块划分为两种:1)FM355C,反馈信号为模拟量,控制输出也为模拟量,连续对过程进行控制;2)FM355S,反馈信号为模拟量,控制输出为开关量,适合对一些具有开关量输入接口的过程控制器进行控制,如大部分可控硅控制的温度控制器等。FM355C的输入输出需要分为左右 2个 20针的前连接器。端子接线参考表4.1:

表4.1 FM355C端子接线

左边前连接器 连接 模拟输名称 入 1 - - 2 1 IC+ 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 - - 3 2 功能 - 恒流源 (正极) IC- 恒流源 (负极) M+ 测量端 (正极) M- 测量端 (负极) IC+ 恒流源 (正极) IC- 恒流源 (负极) M+ 测量端 (正极) M- 测量端 (负极) COMP补偿端 + (正极) COMP补偿端- (负极) IC+ 恒流源(正极) IC- 恒流源 (负极) M+ 测量端 右边前连接器 连接 模拟输名称 出 1 - L+ 2 - I1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 2 - - - - - - - - 1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 - Q1 MANA Q2 MAN功能 24VDC电源 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 - 模拟量输出 模拟输出 参考点 模拟量输出 模拟输出 (正极) A 参考点 15 M- 测量端15 3 Q3 模拟量输出 (负极) 16 4 IC+ 恒流源16 MAN模拟输出 (正极) A 参考点 17 IC- 恒流源 17 4 Q4 模拟量输出 (负极) 18 M+ 测量端 18 MAN模拟输出 (正极) A 参考点 19 M- 测量端 19 - - - (负极) 20 - MAN模拟输入 20 - M 24V DC电源A 参考点 负 从表4.1中可以看到FM355C可以连接最多4个模拟量输入信号作为实际值反馈、4个模拟量输出连接执行机构和8个用于FM355C回路参数选择的数字量输入信号。FM355S的输入输出同样需要分为左右2个20针的前连接器.

电压、电流、热电偶、热电阻信号可以直接连接到FM355模块作为反馈信号,电压信号的接线如图4-9所示

图4-9连接电压传感器

M+、M-为每个通道的输入端,连接第20管脚 MANA(接地端)保证信号与测量端没有电位差,如果连接非隔离传感器,则需要传感器端和PLC端同时接地,并保证同一个地。 4.4软件流程图

开始 检测厚度子程序 液压控制子程序 PID调节子 结束

图4-13 主程序图

图4-14检测厚度子程序 图4-15液压控制子程序

主程序开始 首次扫描 ·调用子程序进行启动计算机初始化 ·调用子程序初始化定时中断 主程序结束

图4-16PID控制子程序

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/qqj.html

Top