李新華 陸 琦 張艷麗

（1.大連理工大學盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院；2.沈陽工業(yè)大學化工過程自動化學院）

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要將兩種或兩種以上的物料流量按一定比例混合后再參與反應。 若比例失調(diào)，則會影響生產(chǎn)的正常運行，影響產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量，從而浪費原材料，造成環(huán)境污染，甚至發(fā)生生產(chǎn)事故［1］。 因此，進行流量比值控制系統(tǒng)的設計與研究至關(guān)重要。

筆者采用單閉環(huán)結(jié)構(gòu)設計流量比值PID控制結(jié)構(gòu)，使用響應曲線法對YB2000高級過程控制實驗裝置中的主副管路進行數(shù)學建模。 結(jié)合增量式PID控制算法，利用Matlab/Simulink軟件設計系統(tǒng)仿真模型， 通過仿真對PID參數(shù)進行整定。 將YB2000高級過程控制實驗裝置與MCGS監(jiān)控軟件靈活組建，用以驗證流量比值控制系統(tǒng)的可行性與可靠性。

1 工藝與控制系統(tǒng)設計

流量比值控制系統(tǒng)中，需要保持生產(chǎn)中主要流體物料的流量或不可控流體物料流量處于主導地位，即主流量，用q1表示，其他流體物料流量為副流量，用q2表示，要求副流量和主流量成一定比例關(guān)系，即滿足q2/q1=K［2］。筆者搭建的流量比值控制系統(tǒng)是基于YB2000高級過程控制實驗裝置的，系統(tǒng)工藝原理如圖1所示。 流量比值控制系統(tǒng)主回路由電機P101、電磁流量計FT101、電動調(diào)節(jié)閥FV101和閥門組成， 副回路由變頻器、 電機P103、渦輪流量計FE102和閥門組成。

圖1 流量比值控制系統(tǒng)工藝原理

單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)不僅能確保主、副流量的比值不變，還能使主流量具有抗干擾能力，而且控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在工業(yè)生產(chǎn)過程中應用廣泛。 基于單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)和YB2000高級過程控制實驗裝置設計的流量比值控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。主回路在水泵P101通電的情況下，通過調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥FV101來調(diào)節(jié)流量輸出；副回路由變頻器直接調(diào)節(jié)水泵P103從而調(diào)節(jié)流量輸出。

圖2 流量比值控制系統(tǒng)框圖

2 數(shù)學建模

2.1 主副管路特性實驗

利用實驗設備，將測量主管路流量的電磁流量計電流信號接入C3000過程控制器的模擬量輸入通道1，將模擬量輸出通道1信號傳送至電動調(diào)節(jié)閥；將測量副管路流量的渦輪流量計電流信號接入C3000過程控制器的模擬量輸入通道2，將模擬量輸出通道2信號傳送至變頻器。

按上述說明，具體現(xiàn)場儀表柜的接線情況如圖3所示。

通過手動操作C3000過程控制器， 控制電動調(diào)節(jié)閥開度，初始閥門開度為30%，當管道內(nèi)流量處于平衡后，改變調(diào)節(jié)閥開度到40%，使管道內(nèi)流量發(fā)生階躍變化。 經(jīng)過一段時間后，管道內(nèi)流量重新達到平衡狀態(tài)。 同時，利用C3000過程控制器控制變頻器輸出頻率，變頻器初始輸出為50%，當管道內(nèi)流量達到平衡狀態(tài)后，增大變頻器的輸出到60%，當管道內(nèi)流量重新達到平衡狀態(tài)時，記錄數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)分析及建模

根據(jù)主副管路特性實驗數(shù)據(jù)，利用EXCEL繪制時間-流量階躍響應曲線，如圖4所示。

3 系統(tǒng)仿真與參數(shù)整定

3.1 仿真模型

C3000過程控制器采用的是數(shù)字增量式PID控制算式：

式中 ek——控制器偏差；

k——控制運算次數(shù)；

Kp——比例增益；

Td——微分時間；

Ti——積分時間；

Ts——控制周期；

ΔMVK——控制器輸出。

依據(jù)控制理論與系統(tǒng)框圖， 搭建增量式PID流量比值控制系統(tǒng)的仿真模型如圖5所示。

圖5 增量式PID流量比值控制系統(tǒng)的仿真模型

3.2 參數(shù)整定

根據(jù)工程經(jīng)驗，設輸入值為50，整定前主管路PID參數(shù)為Kp=1.0、Ti=10 s、Td=1、Ts=1，由圖6a可以看出，主管路輸出跟蹤效果良好，但有輕微超調(diào)。 經(jīng)過多次PID參數(shù)調(diào)節(jié)，當參數(shù)為Kp=0.8、Ti=20 s、Td=1、Ts=1時，輸出控制效果理想（圖6b）。

圖6 仿真結(jié)果

4 過程實驗

本系統(tǒng)使用YB2000高級過程控制實驗裝置進行實驗。YB2000高級過程控制實驗平臺由電控箱、流量控制系統(tǒng)本體、現(xiàn)場儀表柜、C3000過程控制器和計算機組成， 整個系統(tǒng)通過計算機MCGS軟件實現(xiàn)監(jiān)控，由C3000過程控制器實現(xiàn)整體系統(tǒng)工藝過程控制，用于近似模擬工廠生產(chǎn)過程中的多地監(jiān)控與控制。

為了提高信號傳輸?shù)目垢蓴_性，整個過程控制系統(tǒng)選用工業(yè)標準4～20 mA電流信號實現(xiàn)信號傳輸。 在實驗過程中需要對C3000過程控制器進行組態(tài)，組態(tài)過程為：用戶登錄-輸入量設置-輸出量設置-PID回路設置 （PID03的SV是VA01；VA01=AI02×CONF01）-啟用組態(tài)。 C3000過程控制器與計算機通過RS485進行通信。利用MCGS軟件搭建比值液位控制系統(tǒng)監(jiān)控界面，如圖7所示。

圖7 比值液位控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

在實際操作中， 系統(tǒng)會因外界擾動產(chǎn)生偏差。 為此，控制監(jiān)控界面設定變頻輸出50%，PID控制器參數(shù)：比例度100%，積分時間10 s，微分時間1 s。 把副回路的手動狀態(tài)調(diào)到自動狀態(tài)，得到的主副回路流量實時曲線如圖8所示。

根據(jù)圖8可知， 在副回路流量輸出平穩(wěn)的情況下，主回路流量雖然有兩個周期的振蕩，有超調(diào)，到達穩(wěn)態(tài)的時間稍長，但整體控制效果良好，穩(wěn)定性能良好，達到了預期控制目標。

圖8 主副回路流量實時控制曲線

5 結(jié)束語

筆者設計了一種基于YB2000過程控制實驗裝置的流量比值控制系統(tǒng)。 研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)對工業(yè)生產(chǎn)過程中保持兩種流體物料一定比例具有良好的控制效果。 MCGS軟件與YB2000過程控制實驗裝置通信完成對控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)控與控制器的參數(shù)調(diào)節(jié)，為實現(xiàn)儀表的工業(yè)現(xiàn)代化提供了基礎(chǔ)。 由于該系統(tǒng)具有通用性，可以應用于工業(yè)生產(chǎn)過程中其他被控量的控制和調(diào)節(jié)，為其他量的比值控制提供了理論與實踐依據(jù)。