基于组态软件的串级液位流量控制系统

1、基于组态软件的串级液位流量控制系统 1概述 1.1本课程设计课题研究的意义 随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下，简单的单回路控制已经难以满足一些复杂的控制要求。在单回路控制方案基础上提出的串级控制方案，则对提高过程控制的品质有极为明显的效果。串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好，而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现，所以，串级控制是一种易于实现且效果又较好的控制方法。 本课程设计课题讨论了一个简单的液位流量串级控制系统的

2、设计方法及步骤。液位和流量是工业生产过程中最常用的两个测控参数，因此本课程设计课题具有较大的现实意义。 1.2 设计的目的 通过课程设计，加深对所学传感器技术、自动控制原理、转换技术以及过程控制的基本原理等基本原理、基本知识的理解和应用，掌握串级控制系统的设计步骤和方法，掌握工程整定参数方法，培养运用组态软件和计算机设计过程控制系统的实际能力，培养创新意识，增强动手能力，为今后工作打下一定的理论和实践基础。 1.3 设计要求 （1）根据液位-流量串级过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。 （2）根据液位-流量串级过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确

3、选用过程模块。 （3）根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。（4）运用组态软件，正确设计液位-流量串级过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。 2 系统控制方案 2.1 控制系统在实际应用中的重要意义 单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求。但有些调节对象的动态特性虽然并不复杂，但控制的任务却比较特殊，则单回路控制系统就无能为力了。另外，随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系

4、更加复杂，对控制系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，而串级控制系统就是其中一种改善和提高控制品质的极为有效的控制系统。 液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。液位的时间常数T一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。而串级控制系统可以用一般常规仪表来实现，成本增加也不大，却可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。一般情况下，流量是影响液位的主要因素，其时间常数

5、较小，将它纳入副回路进行控制，不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰，而且使系统工作频率提高，能够对液位实行较快的控制。 2.2控制方案 在本系统中被控参量有两个，上水箱液位和管道流量，这两个参量具有相关联系，流量的大小可以影响上水箱液位，根据流量与液位的关系，故系统采用串级控制，内环为流量控制，外环为液位控制。内环与外环的控制算法均采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好。外环液位控制器的输出作为内环流量控制器的设定值，流量控制器的输出来控制调节阀的大小，来控制管道流量的大小，进而控制上水箱液位。 2.3控制规律 本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的

6、控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。其主要特点是：(1)技术成熟；PID调节是连续系统理论中技术最成熟、应用最广泛的控制方法，它的结构灵活，不仅可实现常规的PID调节，而且还可根据系统的要求，采用PI、PD、带死区的PID控制等；(2)不需求出系统的数学模型；(3)控制效果好。虽然计算机控制是非连续的，但由于计算机的运算速度越来越快，因此用数字PID完全可

7、代替模拟调节器，并且能得到比较满意的效果。2.4 系统结构设计整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID控制规律，调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成如下图2.2所示。 当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。其过程控制系统图如图2.1所示。图2.1 控制系统框图 过程控制系统

8、由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图2.2 图2.2 液位单回路控制系统框图2.5 控制系统的总体方框图及工作过程 图2.3计算机控制上水箱液位和流量串级系统控制框图被控对象为图2.3中所示液位 被控对象的工作原理、传递函数及理论推导如下：单容水箱如图2.1所示，Qi为入口流量，由调节阀开度加以控制，出口流量则由电磁阀控制产生干扰。被调量为水箱中的水位H,它反映水的流入与流出量之间的平衡关系。现在分析水位在电磁阀开度扰动下的动态特性。显然，在任何时刻水位的变化均满足下述物料平衡方程：dHdT=1F(Qi-Qo) (2.1)其

9、中 Qi=Kuu (2.2) Qo=kH （2.3）F为水箱的横截面积；Ku是决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；k是与电磁阀开度有关的系数，在固定不变的开度下，k可视为常数。液位的传递函数: H(S)Qi(s)=2H0k2H0kFs+1 (2.4)3 过程仪表的选择 3.1液位传感器液位传感器（静压液位计液位变送器液位传感器水位传感器）是一种测量液位的压力传感器静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为420mA）。它分为两类

10、：一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器，浮球式液位变送器，磁性液位变送器，投入式液位变送器，电动内浮球液位变送器，电动浮筒液位变送器，电容式液位变送器，磁致伸缩液位变送器，侍服液位变送器等。第二类为非接触式，分为超声波液位变送器，雷达液位变送器等。 常见几种液位传感器的比较 1.雷达液位传感器 原理：D=L-CT/2 雷达液位传感器发射反射接收的工作模式。雷达液位传感器的天线发射出电磁波，这些波经被测对象表面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比。该类型传感器一般绝对误差在2mm左右，测量范围一般是0.5m-20m，由于其非接触的测量原理相对磁尺来说对

11、被测介质范围就比较广，液体，固体（物位）都可以。缺点主要是精度不够高，在短量程方面有暗区，由于电磁波不能受到干扰，安装时应避免障碍物，同时也应避免温度等因数对电磁波的影响。另外在界面方面，特别是密度相差不是很大界面方面，远远不如磁尺方便准确。 2超声波液位传感器 原理与雷达液位传感器相同，只是相对雷达的电磁波，超声波液位传感器是利用空气的声纳原理，发射和接受的是一种超声波。从性能上来说，超声波比雷达具有更稳定的性能。 3. 浮球式液位（界面）传感器此类传感器的工作基于浮子的浮力及磁性原理。当浮子随着液位（界面）上下浮动，浮子内永磁体的磁力作用于导管内的干簧管，使相应高度的干簧管闭合，得到正比于

12、液位的电压信号，经转换器转换成420mA.DC的标准信号。 磁浮子传感器最大的特点就是精度不高，某厂家产品的一组数据为：测量范围L,当5001000时，精度为1.5%，当L1000时，精度为1.0%.测量范围主要集中在4m以下。相对来讲，在界面测量方面有很稳定的性能。 4. 磁翻板式液位计 磁翻板式液位计是以磁性浮子为感应元件，并通过磁性浮子与显示色条中磁性体的耦合作用，反映被测液位或界面的测量仪表。磁浮子式液位计和被测容器形成连通器，保证被测量容器与测量管体间的液位相等。当液位计测量管中的浮子随被测液位变化时，浮子中的磁性体与显示条上显示色标中的磁性体作用，使其翻转，红色表示有液，白色表示无

13、液，以达到就地准确显示液位的目的。此类传感器具有显示直观醒目、不需电源，安装方便可靠，维护量小，维修费用低的优点，是玻璃管、玻璃板液位计的升级换代产品。但测量精度不高，一般厂家标称的误差都在10mm到20mm之间。如果需要把现场的数据远传还需要加一个相应数据远传变送器，如下图所示。 值得一提的是，由于该传感器中浮球与磁尺类似，所以该传感器能和磁尺配合使用。这样，磁翻板就起到现场显示作用，而磁尺则起到变送远传的功能。而且通过磁致伸缩原理将其转换成高精度的电信号，而且信号类型丰富。而一般的远传变送器的原理是将开关信号转换为连续的模拟量的输出。对于浮子和磁翻板两种传感器，在业内对其两者的名称容易混淆

14、，因为都是有一个磁性浮子，所以很多时候都被称之为磁浮子液位计，实际沟通时需要具体确认。凡此两类传感器主要特点就是精度不高，同时由于磁性原理也需要在现场安装时注意一些干扰。 5. 电容式液位传感器原理：把一根涂有绝缘层的金属棒，插入装有导电介质的金属容器中，在金属棒和容器壁间形成电容，其物位变化量H与电容变化量CX关系如下：CX=5H9Ln(D2/d1)-C0式中：C0为容器液体放空时，金属棒对容器壁的分布电容 为容器液体介电常数； H为液位高度； D2为绝缘套管的直径； D1为金属棒的直径当被测介质物位变化时，传感器电容量发生相应变化，电容量的变体 CX 通过转换器转换成与物位成比例的直流标准

15、信号。此类传感器由于其原理决定，实际中根据被测介质的导电属性来选择各种不同的测量探头。电容式原理的精度一般都能达到0.5%左右，测量范围在0.2m-20m之间。由于电容原理的一些特殊性，相比磁尺来讲在稳定性方面还是有一定的距离。 6. 静压式液位传感器静压式液位计的两线制液位变送器由一个内置毛细软管的特殊导气电缆、一个抗压接头和一个探头组成。静压式液位计的探头构造是一个不锈钢筒芯，底部带有膜片，并由一个带孔的塑料外壳罩住。静压式液位计的液位测量实际上就是在测探头上的液体静压与实际大气压之差，然后再由陶瓷传感器（附着在不锈钢薄膜上）和电子元件将该压差转换成420mA输出信号。 静压式液位计的技术

16、优势静压式液位计最大200m量程，不锈钢探头、陶瓷隔膜、橡胶密封，长期稳定性0.15%/年，防爆型可选。 静压式液位计的种类：可以分为投入式和侧装式两种。 工作原理静压式液位计CBM2100CBM2700静压式液位计（静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器）是一种测量液位的压力传感器静压式液位计（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高 NIVELCO投入静压式液位计度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为420mA/15VDC）。 NIVELCO投入静压式液位计CBM2100CBM

17、2700系列静压式液位计（液位计）适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。420mA、 05v、 010mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。 用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：P = gh+ P0 式中：P:变送器迎液面所受压力 ：被测液体密度 g ：当地重力加速度 P0 ：液面上大气压 H ：变送器投入液体的深度 静压式液位计同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 P0 与传感器的负压腔相连，以抵

18、消传感器背面的 P 0，使传感器测得压力为：gh ，显然 , 通过测取压力 P ，可以得到液位深度。 功能特点: 稳定性好，满度、零位长期稳定性可达 0.1%FS/ 年。在补偿温度 0 70 范围内，温度飘移低于 0.1%FS ，在整个允许工作温度范围内低于 0.3%FS 。具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在 35MA 以内。固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。安装方便、结构简单、经济耐用。静压投入式液位变送器（液位计）适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式

19、为用户轻松地使用提供了方便。420mA、 05v、 010mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。 利用流体静力学原理测量液位，是压力传感器的一项重要应用。采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。它是针对化工工业中强腐蚀性的酸性液体而特制，壳体采用聚四氟乙烯材料制成，采用特种氟胶电缆及专门的密封技术进行电气连接，既保证了传感器的水密性、耐腐蚀性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。液位传感器用来对上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送

20、器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。可方便地与其它DDZX型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。效验的方法时通电预热15分钟后，分别在零压力和满量程压力下检查输出电流。在零压力下调整零电位器，使输出电流为4mA，在满量程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。本传感器精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。液位传感器用来对上水箱和中位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标准信号输出。 液位传感器 3.2 电磁流量传感器、电磁流量转换器流量传感器用来对电动调节阀的主流量

21、和干扰回路的干扰流量进行检测。根据本系统装置的特点，采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量00.3 /h，压力1.6Mpmax，4-20mA标准信号输出。可与显示，记录仪表，计算器或调节器配套。避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点，确保实验效果能达到系统的要求。 主要优点：(1)采用整体焊接结构，密封性能好；(2)结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损坏；(3)采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定；(4)仪表反应灵敏，输出信号与流量成线性关系，量程比宽；流量转换器采用LDZ-4型电磁流量转换器，与LDS-10S型电磁流量传感器配套使用，输入信号：00.

22、4mV输出信号:420mADC，允许负载电阻为0750欧姆，基本误差：输出信号量程的0.5%。LDZ-4A型矩形波电磁流量转换器可与各种规格的电磁流量变送器（89年起新产品改称传感器 下同）配套，用于测量导电液体或液固两相流体的体积流量。转换器将来自变送器的低电平毫伏信号转换为与流量成正比的010mA DC或420mA DC标准信号输出，供显示、记录、积算、自动控制和调节用。 其特点：采用低频三值矩形波励磁及采样放大技术，抗干扰能力强； 零点稳定，工作可靠； 耗电量小，成套仪表耗电量约为30VA，与变送器的口径大小无关。主要技术指标输入信号：0.44mV(三值波)输出信号：010mA DC（负

23、载电阻：01.5k）420mA DC（负载电阻：0750）精度：输出电流精度0.5级电源：220V 50Hz激磁电流：0.5A环境条件：温度-1055；温度85% 3.3 电动调节阀近年来，电动调节阀的发展是迅速的，它们的使用已经无处不在。在北京奥运会闭幕式上，主火炬的熄灭采用了电动调节阀技术，并按等比例调节方式调节控制燃气流量，最终使得8米高的火焰匀速降低直至全部熄灭。电动调节阀从诞生到现在成为调节阀市场的主流，也是经过了一个较长的过程的。开始时，是气动调节阀为主。气动调节阀也确实有它的优势所在：它结构简单，操作、维护方便，只要有气源就可进行自动控制，成本想对较低；而且由于其本质安全性，在化

24、工等行业中，需要防爆的场合，尤其适合。但是，由于它的驱动力量来自压缩空气，而空气的可压缩性，必然导致响应速度和控制稳定性不够的问题，尤其在大口径、大执行器和压降较大的场合、控制精度要求较高的场合，就暴露出它的弱点来，还有就是速度问题，由于大气缸的气容较大，从执行器接收到气信号到对调节元件的驱动，这中间需要一个时间，所以开关时间就比较长，越是大的阀门，这种情况越明显。当然，这些问题也都在改善：比如，配备较精密的定位器或智能定位器，在气源管路中加装快速排气阀等，都不同程度地改善了气动调节阀的控制性能。电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。随着工业领域的自动化程度越来越高， 正被越来越

25、多的应用在各种工业生产领域中。与传统的气动调节阀相比具有明显的优点：节电动调节阀能（只在工作时才消耗电能），环保（无碳排放），安装快捷方便（无需复杂的气动管路和气泵工作站）。 阀门结构：由电动执行机构和调节阀连接组合后经过机械连接装配、调试安装构成电动调节阀。工作原理工作电源：DC24V,AC220V ,AC380V等电压等级。通过接收工业自动化控制系统的信号（如：4-20mA）来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数。实现自动化调节功能。流量特性介绍：电动调节阀的流量特性，是在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经电动调节阀的相对流量与它的开度之间关系。

26、电动调节阀的流量特性有：线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。应用领域：电力、化工、冶金、环保、水处理、轻工、建材等工业自动化系统领域。安装：电动调节阀最适宜安装为工作活塞上端在水平管线下部。温度传感器可安装在任何位置，整个长度必须浸入到被控介质中。电动调节阀一般包括驱动器，接受驱动器信号（0-10V或4-20MA）来控制阀门进行调节，也可根据控制需要，组成智能化网络控制系统，优化控制实现远程监控。电气原理动作原理： 电机电源220VAC 或者380VAC，控制信号420mA，阀里面有控制器，控制器把电流信号转换为步进电机的角行程信号，电机转动，由齿轮，杠杆，或者齿轮加杠杆，带动阀杆运作，实

27、现直行程或角行程。反馈： 电机运行，通过齿轮运转，由三接头的滑动变阻器输出阀门的定位信号，此外还有三根线的限位信号（全开，全开。公共线）电动调节阀的用途及作用用于调节工业自动化过程控制领域中的介质流量、压力、温度、液位等工艺参数。电动调节阀适用范围：空调、供暖、通风、生活热水等民用系统及化工、石油冶金、电力轻工业等各行业生产过程中的自动控制。 阀体结构特点：（1）调节阀主要由阀体、套筒、阀瓣、阀杆等零件组成。套筒和阀瓣上都开有节流孔通过阀瓣在阀座内回转来改变过流面积，调节流量。配ZKJ型或其它型电动角行程执行器可实现遥控和自动控制。（2）调节阀广泛应用于给水管路中作调节流量使用。也可在油品管路

28、中使用。性能：1）由于不需要进行系统调试,所以省去许多麻烦,节约了大量的时间,缩短竣工日期。 2）由于不用使用阀门组和用于分层控制的阀门,所以为您节约了较多的管材,保温材料及安装费用和时间。3）使水系统时时刻刻都处于平衡状态,所以无论安装分期施工或设备分期使用都不会影响水系统的平衡。 4）即使工程后期或投入运行后因改变某些用途而需要改变某些区域的水系统设计,也不会影响其他区域的水系统设计,更不会影响其他区域的水系统平衡。 5）由于整个系统处于动态平衡状态,所以制冷机组及水泵将以最节能状态运行,节省了大量的运行维护费用。6）由于系统的流量平衡是自动进行的,使安装维护更加便利,并杜绝了人为操作失误

29、破坏平衡的可能。电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。有输入控制信号4-20mA及单相电源即可控制运转实现对压力流量温度液位等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄露量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构，4-20mA阀位反馈信号输出双导向单座住塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关端力，保证阀

30、门的可靠关断，防止泄露。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。 电动调节阀3.4 变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能

31、效果明显，所以应用越来越广泛。 1）变频器工作原理我们知道，交流电动机的同步转速表达式为：n60 f(1s)/p 式中 n：异步电动机的转速； f：异步电动机的频率； s:电动机转差率； p:电动机极对数。 由式n60 f(1s)/p可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 1）变频器控制方式 低压通用变频输出电压为380650V，输出功率为0.75400kW，工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。 其控制方式

32、如下： a) U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 b) 电压空间矢量（SVPWM）控制方式它是以三相波形整体生成效

33、果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 c) 矢量控制（VC）方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当

34、于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 d) 直接转矩控制（DTC）方式1985年，德国鲁尔大学的De

35、Penbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 e) 矩阵式交交控制方式VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路

36、需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是： 控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式； 自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别； 算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制； 实现B

37、andBand控制按磁链和转矩的BandBand控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。 矩阵式交交变频具有快速的转矩响应（2ms），很高的速度精度（2，无PG反馈），高转矩精度（3）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150200转矩。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC）。变频器同时改变输出频率与电压，也就是改变了电机运行曲线上的n0，使电机运行曲线平行下移。因此变频器可以使电机以较小的启动电流，

38、获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，应用了现代的科学技术，价格昂贵但性能良好，内部结构复杂但使用简单，所以不只是用于启动电动机，而是广泛的应用到各个领域，各种各样的功率、各种各样的外形、各种各样的体积、各种各样的用途等都有。随着技术的发展，成本的降低，变频器一定还会得到更广泛的应用。作为引领全球市场的机电产品综合供应商，三菱电机在中国的FA事业随着中国经济的蓬勃发展蒸蒸日上。从社会基础设施建设领域到半导体制造等高科技产业，从现场控制到远程监控，三菱电机FA技术为创造更快生产效率和更高生产力提供强大的支持。 随着节能的普及和工业自动化的推广，

39、变频器的使用越来越多，每年在中国有上百亿的销售额。 三菱变频器是世界知名的变频器之一，由三菱电机株式会社生产，在世界各地占有率比较高。 三菱变频器现在三菱电机公司在中国大连市有设有生产厂，专门生产FR-A / FR-F / FR-E 三个系列的变频器。三菱变频器来到中国有20多年的历史，现在市场上主要使用的有以下系列： 通用高性能 FR-A740 （3P 380V） FR-A720 （3P 220V） 轻载节能型 FR-F740（3P 380V） FR-F720 （3P 220V） 简易通用型 FR-D740 （3P 380V） FR-D720（1P 220V）在国内市场上，三菱因为其稳定的质

40、量，强大的品牌影响，有着相当广阔的市场，并已深入了各个领域的应用。选用的是三菱FR-S520变频器，4-20mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。可单相或三相供电，频率可高达200HZ。3.5 水泵采用丹麦格兰富循环水泵。噪音低，寿命长。功率小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。 格兰富 循环泵 屏蔽转子型 UPS，UPS100系列参数型号图片： 性能及优点： 免维护 静音运转 低能耗 性能范围广 技术数据： 流量，Q: 最大 10

41、 m3/h扬程，H: 最高 12 m泵送液体温度范围: - 25C +110C系统承压: 最大10 bar 应用范围：液体输送供热系统生活热水系统冷却和空调系统 选项：自动控制方式调整外部电缆线与插头单速、2速或3速速度调节双头泵空气分离器型格兰富是世界著名的水泵生产制造商，其水泵市场占有率是50%，此占有率为水泵行业标准。 3.6模块选择当需要构成计算机控制系统时，过程控制装置的数据采集和控制采用目前最新的牛顿7000系列远程数据采集模块和组态软件组成，完全模拟工业现场环境，先进性与实用性并举。有效的拉近了实验室与工业现场的距离。它体积小，安装方便，可靠性极高。1) D/A模块：采用牛顿70

42、24模块。4路模拟输出，电流（4-20mA）电压（15V）信号均可。2) A/D 模块：采用牛顿7017模块。8路模拟电压（15V）输入。3) DO模块：采用牛顿7043模块。4)通讯模块：采用牛顿7520转换模块。485/232转换模块，转换速度极高（300115KHz），232口可长距离。 牛顿模块示意图3.7 开关电源DC24V的开关电源，最大电流为2A，满足实验的要求。 4 系统组态设计 4.1组态软件介绍随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种

43、需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。组态（Configuration）为模块化任意组合。通用组态软件主要特点有：（1）延

44、续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不

45、受行业限制。 最早开发的通用组态软件是DOS环境下的组态软件，其特点是具有简单的人机界面（MMI）、图库、绘图工具箱等基本功能。随着Windows的广泛应用，Windows环境下的组态软件成为主流。与DOS环境下的组态软件成为主流。与DOS环境下的组态软件相比，其最突出的特点是图形功能有了很大的增强。国外许多优秀通用组态软件是在英文状态下开发的，它具有应用时间长、用户界面不理想、不支持或不免费支持国内普遍使用的硬件设备、组态软件本身费用和组态软件培训费用高昂等因素，这些也正是国内通用组态软件在国内不能广泛应用的原因。随着国内计算机水平和工业自动化程度的不断提高，通用组态软件的市场需求日益增大。

46、近年来，一些技术力量雄厚的高科技公司相继开发出了适合国内使用的通用组态软件。 特点它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态

47、，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。1）使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：a)图形界面的设计b)构造数据库c)建立动画连接d)运行和调试2) 使用组态王软件开发具有以下几个特点:a) 实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。b) 该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,

48、这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。 ，1.快速便捷的应用设计 用组态软件构造“监控和数据采集系统”的好处之一就是能大大缩短开发时间，并能保证系统的质量。能快速便捷地进行图形维护和数据采集是此类系统的关键点。组态王正是提供了丰富的快速应用设计的工具。(1)方便实用的工程管理 组态王6.53提供方便实用的管理工具工程管理器。工程管理器是一个独立的可执行文件，用来管理本机的所有组态王工程，可以实现工程的压缩备份，备份恢复，数据词典的导出导入，实现开发和运行系统的切换等。(2).集成的开发环境 最新设计的组态王工程浏览器为用户提供了便利的集成开发环境。工程设计者可以在工程

49、浏览器中查看工程的各个部分，可以查看画面、数据库、配置通讯驱动程序、设计报表；可以完成系统的大部分配置。工程浏览器采用树形结构，操作简单方便，容易接受。在工程浏览器中，用户也可以方便地切换到组态王开发环境和运行环境。(3).功能强大、易用的绘图工具 目前用简单的示意性图形已经不足以表示工业现场复杂的生产过程，用户普遍要求更加丰富多彩、生动逼真的画面。为满足此要求，组态王提供了丰富的绘图工具，并尽可能使绘图工具的使用方法容易掌握。组态王工具箱中提供的绘图工具包括直线、折线、圆弧、矩形（方形）、圆角矩形、圆形（椭圆）等工具。它们的使用方法与一般绘图软件（如“画笔”）大致相同，设计者不需专门的培训即

50、可使用。(4).灵活的便捷菜单 使用组态王的过程中，用户可以随时按下鼠标右键来得到上下文相关的快捷菜单。这种方式比普通的菜单命令更容易使用，将大幅度地提高开发应用系统的效率。(5).支持无限色和过渡色 组态王6.53调色板改为支持无限色，支持二十四种过渡色效果，组态王的任一种绘图工具都可以使用无限色，大部分图形都支持过渡色效果，巧妙地利用无限色和过渡色效果，可以使您轻松构造面无限逼真、美观的画面。(6).图形对象丰富的动画效果 图形界面上的任何对象或复合对象都可以随着过程参数的改变而变换状态，以产生动画效果。图形对象与过程参数建立变化对应关系的过程称为“动画连接”。图形对象可以按动画连接的要求改变颜色、尺寸、位置、填充百分比等属性。一个图形对象可以同时定义多个连接。把这些动画连接组合起来，应用软件将呈现出令人难以想象的图形动画效果。图形对象可以进行的“动画连接”包括：属性变化：包括线属性、填充属性、文本色位置与大小变化：包括水平和垂直移动、缩放、旋转、填充值输出：包括模拟值输出、离散值输出、字符串输出用户输入：包括模拟值输入、离散值输入、字符串输入滑动杆输入: 包括水平滑动杆输入、垂直滑动杆输入特殊：包括闪烁、隐含两种命令语言连接：包括鼠标或等价键按下时、弹起时和按住时可执行的功能强大的命令语言程序提示文本：每个基本图素都可以定义一个提示信息条动