控制裝置與儀表課程設(shè)計

1、控制裝置與儀表課程設(shè)計課程設(shè)計報告（2012- 2013 年度第二學(xué)期）名 稱：控制裝置與儀表課程設(shè)計題目：爐膛壓力系統(tǒng)死區(qū)控制系統(tǒng)設(shè)計院 系：班 級：學(xué) 號：學(xué)生：指導(dǎo)教師：設(shè)計周數(shù)：一周成 績：日期：2013年7月5日一、課程設(shè)計（綜合實驗）的目的與要求1.1目的與要求（1）認知控制系統(tǒng)的設(shè)計和控制儀表的應(yīng)用過程。（2） 了解過程控制方案的原理圖表示方法（SAMA圖）。（3）掌握數(shù)字調(diào)節(jié)器 KMM勺組態(tài)方法，熟悉 KMM勺面板操作、數(shù)據(jù)設(shè)定器和 KMM數(shù) 據(jù)寫入器的使用方法。（4）初步了解控制系統(tǒng)參數(shù)整定、系統(tǒng)調(diào)試的過程。1.2設(shè)計實驗設(shè)備KMM數(shù)字調(diào)節(jié)器、KMM程序?qū)懭肫?、PRO曉除器、

2、控制系統(tǒng)模擬試驗臺1.3主要容1. 按選題的控制要求，進行控制策略的原理設(shè)計、儀表選型并將控制方案以 SAMA 圖表示出來。2 .組態(tài)設(shè)計2. 1 KMM組態(tài)設(shè)計以KMM單回路調(diào)節(jié)器為實現(xiàn)儀表并畫出KMM儀表的組態(tài)圖，由組態(tài)圖填寫KMM的各組態(tài)數(shù)據(jù)表。2. 2組態(tài)實現(xiàn)在程序?qū)懭肫鬏斎霐?shù)據(jù)，將輸入程序?qū)懭隕PROM芯片中。3. 控制對象模擬及過程信號的采集根據(jù)控制對象特性，以線性集成運算放大器為主構(gòu)成反饋運算回路，模擬控制對象的特性。將定值和過程變量送入工業(yè)信號轉(zhuǎn)換裝置中，以便進行觀察和記錄。4. 系統(tǒng)調(diào)試設(shè)計要求進行動態(tài)調(diào)試。動態(tài)調(diào)試是指系統(tǒng)與生產(chǎn)現(xiàn)場相連時的調(diào)試。由于生產(chǎn)過程已經(jīng)處于運行或試

3、運行階段，此時應(yīng)以觀察為主，當(dāng)涉及到必需的系統(tǒng)修改時，應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備及安全措施，以免影響正常生產(chǎn)，更不允許造成系統(tǒng)或設(shè)備故障。動態(tài)調(diào)試一般包括以下容：1）觀察過程參數(shù)顯示是否正常、執(zhí)行機構(gòu)操作是否正常；2）檢查控制系統(tǒng)邏輯是否正確，并在適當(dāng)時候投入自動運行；3）對控制回路進行在線整定；4）當(dāng)系統(tǒng)存在較大問題時，如需進行控制結(jié)構(gòu)修改、增加測點等，要重新組態(tài)下裝。、設(shè)計（實驗）正文1設(shè)計題目：爐膛壓力系統(tǒng)死區(qū)控制系統(tǒng)設(shè)計（如附圖1)附圖1:爐膛壓力系統(tǒng)死區(qū)單回路控制系統(tǒng)2.設(shè)計步驟2.1 按控制方案設(shè)計流程圖（附圖 2） 附圖2:對如附圖1所示的爐膛壓力系統(tǒng)死區(qū)單回路控制系統(tǒng)，要求對爐膛壓力進行

4、單變量定值控制。爐膛壓力經(jīng)壓力變送器測量后，由KMM模入通道送至調(diào)節(jié)器中。調(diào)節(jié)器輸出AO1經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換通道控制調(diào)節(jié)閥，控制爐膛壓力。控制要求：當(dāng)調(diào)節(jié)器的給定值SP和測量值PV之偏差超過給定的監(jiān)視值（15%時,調(diào)節(jié)器自動切換至手動（ M方式。在偏差允許的圍（15%，允許切入自動（A）方式。2.2確定可編程調(diào)節(jié)器要求輸入輸出要求：控制系統(tǒng)要求一路模擬量輸入（模入）通道輸入壓力信號，一路模擬量輸出（模出）通 道輸出控制信號控制壓力調(diào)節(jié)閥。而KMMI有5路模入通道、3路模出通道（其中第一路模出通道 A01可另外同時輸出一路 420mA電流信號），可滿足本系統(tǒng)控制要求； 控制要求：設(shè)計單回路控制系統(tǒng)，采

5、用帶死區(qū)的PID調(diào)節(jié)器，使得測量值盡可能快的跟蹤給 定值變化，且超調(diào)量和衰減率滿足一定得要求；顯示要求：給定值（SP）與測量值（PV指示表（雙針動圈指示表）輸出值指示各種指示燈操作要求：給定值和輸出值的增減操作2.3設(shè)計控制原理圖（SAMAS）。SAMA圖見附圖3根據(jù)控制對象的特性和控制要求，進行常規(guī)的控制系統(tǒng)設(shè)計。附圖3：h "hrI2.4繪制KMM&態(tài)圖并填寫 KMM控制數(shù)據(jù)表用所采用的控制儀表制造廠商提供的控制圖例和組態(tài)方法，在控制裝置中實現(xiàn)控制策略。KMM勺組態(tài)方式是填表式組態(tài)方法，要根據(jù)控制要求畫出 KMM組態(tài)圖并由組態(tài)圖按 KM嗽據(jù)表格式填寫控制數(shù)據(jù)表，為制作用戶

6、EPROI作準(zhǔn)備。繪制KMM&態(tài)圖附圖4是根據(jù)SAMA5繪制的KMM系統(tǒng)組態(tài)圖。附圖4:djQ(2)根據(jù)KMM&態(tài)圖填寫控制數(shù)據(jù)表。KMMS態(tài)通過填入以下 7個數(shù)據(jù)表格實現(xiàn)。 基本數(shù)據(jù)表(F001-01- 口 -)項目代碼設(shè)定圍代碼數(shù)據(jù)省缺值PROMT理編號指定的四位數(shù)0110230運算操作周期1、2、3、4、5022調(diào)節(jié)器類型0、 1、 2、 3030PV報警顯示PID編號1、2041調(diào)節(jié)器編號150051上位計算機控制系統(tǒng)0、1、2060上位機故障時切換狀態(tài)0、1070PROM管理編號：作芯片記號，指定一個四位數(shù)。運算操作周期：1 100ms； 2 200ms； 3 300

7、ms； 4 400ms； 5 500ms。調(diào)節(jié)器類型：0 1PID(A/M)1 ; 1 PID(C/A/M) ; 2 2PID(A/M) ; 3 2PID(C/A/M)。 上位計算機控制系統(tǒng)：0無通信；1 有通信(無上位機)；2 有通信(有上位機) 上位機故障時切換狀態(tài)： 0 MAN方式；1 AUTC方式。PROMT理編號為組號，由實驗順序給定的；由于我們設(shè)計的是單回路控制系統(tǒng)，其他數(shù)值均為缺省值。 輸入處理數(shù)據(jù)表(F002- - -)項目代碼設(shè)定圍代碼°模擬輸入數(shù)據(jù)缺省值0102030405輸入使用0、10110按工程顯示小數(shù)點位置0、 1、 2、 30221工程測量單位的下限值-

8、9999 9999030.000.0工程測量單位的上限值-9999 99990499.99100.0折線編號0、 1、 2、 3050溫度補償輸入編號0、 1、 2、 3、 4、 5060溫度單位0、1070設(shè)定(目標(biāo))溫度-9999 9999080壓力補償輸入編號0、 1、 2、 3、 4、 5090壓力單位0、1100設(shè)定(目標(biāo))壓力-9999 9999110開平方處理0、1120開方小信號切除0.0 100.0(%)130數(shù)字濾波常數(shù)0.0 999.9s140.0傳感器故障診斷0、11501輸入使用：0 不用；1 用。按工程顯示小數(shù)點位置：0無小數(shù)；1 1位小數(shù)；2 2位小數(shù)；3三位小數(shù)

9、開平方處理：0直線；0 開平方處理。開方小信號切除：給 AI1AI5設(shè)定的開方信號切除值。傳感器故障診斷：0無診斷；1 診斷。我們設(shè)計的是單回路控制系統(tǒng), 輸入。傳感器故障診斷為無診斷， 等處理，其他數(shù)值均缺省。需要一個輸入通道，選擇了 KMM調(diào)節(jié)器的AIR2通道作為 由于我們的測量信號都是壓力信號，不需要進行進行補償 PID數(shù)據(jù)表(F003- 口 - 口 -)項目代碼設(shè)定圍代碼PID數(shù)據(jù)缺省值0102PID操作類型0、1010PV輸入編號150221PV跟蹤0、1030報警滯后0.0 100.0(%)0401.0比例帶0.0 799.9(%)05100.0積分時間0.0 99.9min061

10、.0微分時間0.0 99.9min070.00積分下限-200.0 200.0(%)080.0積分上限-200.0 200.0(%)09100.0比率-699.9 799.9(%)10100.0偏置-699.9 799.9(%)110.0死區(qū)0.0 100.0(%)120.0輸岀偏差率限制0.0 100.0(%)13100.0偏差報警0.0 100.0(%)1415. 010.0報警下限-6.9 106.9(%)150.0報警上限-6.9 106.9(%)16100.0PID操作類型：0常規(guī)PID ； 1微分先行PIDPV跟蹤：定值跟蹤功能，0無；1 有。在這次設(shè)計中，PID調(diào)節(jié)器為常規(guī)調(diào)節(jié)方

11、式，所以操作類型為0;設(shè)定PID的輸入信號由通道2輸入，PV輸入編號為2。當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸入偏差超過 15%寸，系統(tǒng)產(chǎn)生偏差報警。 折線數(shù)據(jù)表(F004- - 口 -)折點代碼折線數(shù)據(jù)010203X軸X101X202X303X404X505X506X707X808X909X1010Y軸Y111Y212Y313Y414Y515折點代碼折線數(shù)據(jù)010203Y軸Y616Y717Y818Y919Y1020該設(shè)計中沒有對信號進行折線處理，均為缺省值。 可變變量表可使用百分型可變變量 20個，時間型可變變量 5個。(F005- 口 - 時間型）代碼數(shù)據(jù)010.002100.00315.0040.020代碼數(shù)據(jù)

12、0102030405百分型數(shù)據(jù)：缺省值為 0.0 ;給定圍為：-699.0799.9%時間型數(shù)據(jù)：缺省值為 O.OOmin ;給定圍為：0.0099.99min本設(shè)計中，PPAR1 PPAR2為調(diào)節(jié)器輸出的高低值限制；PPAR3 PPAR4為DSM莫塊的偏差限制。 輸出處理數(shù)據(jù)表規(guī)定模擬輸出信號和數(shù)字輸出信號從哪個模塊引出。（F006- 口 - 口 -）輸出輸出端代碼連接的部信號名稱信號名代碼01（模擬輸出）AO101U4U0004AO202LSP1P0001AO30302（數(shù)字輸岀）DO101DO202DO303由KMMI態(tài)圖可知模擬輸出端 AO1為調(diào)節(jié)器輸出，是模塊 4 （ MAN莫塊）的

13、輸出，代碼 為U0004;輸出端A02為調(diào)節(jié)器給定信號 LSP1，其代碼為P0001。沒有使用數(shù)字輸出。 運算模塊數(shù)據(jù)表用來規(guī)定模塊的類型及模塊相互之間的連接。（F1口 - -）運算模塊編號運算式H1輸入信號H2輸入信號P1輸入信號P2輸入信號名稱編號信號名稱代碼信號名稱代碼信號名稱代碼信號名稱代碼1PID120SP1P0001AI2P0402U4U0004OFFP05022LLM11U1U0001PPAR1P01013HLM13U2U0002PPAR2P01024MAN19U3U00035DMS16SP1P0001AI2P0402PPAR3P0103PPAR4P01046NOT30U5U00

14、057OR28MSWP1001U5U00058AND27ASWP1002U6U00069MOD45OFFP0502U7U0007U8U0008OFFP050210111230根據(jù)KMM調(diào)節(jié)器組態(tài)圖中各個模塊的輸入輸出，依據(jù)運算模塊數(shù)據(jù)表和模塊輸入端的部信號填寫該表的。KMh調(diào)節(jié)器組態(tài)圖中運算模塊的編號是按照模塊調(diào)入順序給出的。2.5設(shè)計實現(xiàn)被控對象的電路圖由運算放大器構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)模擬控制對象特性，構(gòu)成控制系統(tǒng)的模擬控制回路。系統(tǒng) 原理接線圖如附圖 4所示。附圖4:' 5 =圖中實線連線表示已接連線，有三條，分別是KMM （ CZ6）端子33 - 37 （禁止外部聯(lián)鎖信號輸入）、端子3

15、-4（模擬通道1的電流輸出構(gòu)成閉合回路， 以避免產(chǎn)生開路報警信號） 和端子1 - 11 （供電電源）。實驗時需檢查確認。彎虛線表示實驗時需接連線，按附圖4逐條正確連接。模擬的控制對象采用由兩個線性運算放大器構(gòu)成的一階滯后反饋環(huán)節(jié)串連構(gòu)成，以加大對象的滯后時間?？刂苹芈分袦y量值和設(shè)定值信號分別送入工業(yè)控制信號轉(zhuǎn)換器中的A/D模擬量輸入通道中進行顯示和記錄。運算放大器構(gòu)成的是一階滯后特性的反饋回路。運放的反饋網(wǎng)絡(luò)是電阻和電容的并聯(lián)，Rf等效阻抗Zf1Cf sRf1Cf sf，輸入網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗1 Rf C f sZ1 R，這個放大器構(gòu)成的閉環(huán)特性傳遞函數(shù)W（s）ZfNRf / R1 Rf C f

16、s設(shè)定RfR1 ,則W（s）。因此，這是1 RfC fsRf R1100K , Cf 47 ，計算個滯后時間T RfCf的一階滯后環(huán)節(jié)。設(shè)計實驗中選取得這個滯后環(huán)節(jié)的滯后時間 T 4.7s。因滯后時間較小，且對象為負對象，故設(shè)計中將這樣 的兩個滯后環(huán)節(jié)和一個比例系數(shù)為1的環(huán)節(jié)串連而成。工業(yè)控制信號轉(zhuǎn)換器是一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本設(shè)計中輸入系統(tǒng)的定值信號和測量值，可 完成信號的數(shù)據(jù)存儲、顯示、打印等功能。2.6 掌握KMh程序?qū)懭肫鞯氖褂梅椒ú⒂贸绦驅(qū)懭肫鲗?shù)據(jù)寫入EPROM中。根據(jù)數(shù)據(jù)表中所填寫的代碼和數(shù)據(jù)用KMM程序?qū)懭肫鬟M行編程。按表格次序逐項輸入數(shù)據(jù)。程序輸入并檢查修改完畢后，按“ WRIT

17、、“ ENT鍵，將程序?qū)懭?EPROM中。寫入程序后的EPROI移插到KMM調(diào)節(jié)器的用戶 EPROI中，即可進行整機和系統(tǒng)調(diào)試工作。KMM程序?qū)懭肫鞯牟僮鳎撼绦驅(qū)懭肫骶哂兄谱骺删幊陶{(diào)節(jié)器的用戶PROM所需要的全部功能，還能夠打印出程序的容并具有程序?qū)懭肫鞅旧淼淖栽\斷功能。其顯示部分由兩排數(shù)碼管顯示信息，上排數(shù)碼管顯示控制代碼及數(shù)據(jù)，其全部格式見 下圖所示。廠 -_廠- I I廠 . % "I 數(shù)據(jù)代碼2 :表示詳細項目 代碼1 :表示運算式編號、輸入編號、折線編號等表示控制數(shù)據(jù)的各種數(shù)據(jù)F001 :基本數(shù)據(jù)F002 :輸入處理數(shù)據(jù)F003 : PID運算數(shù)據(jù)F004 :折線數(shù)據(jù)F00

18、5 :可變參數(shù)F006 :輸出處理數(shù)據(jù)F1 :運算單元1# ）F130 :運算單元（2# ）下排數(shù)碼管給出數(shù)據(jù)填寫過程中的提示信息或出錯代碼。控制代碼及數(shù)據(jù)的容填寫由鍵盤控制。我們先輸入C333+ENT用來檢查所用的芯片是否擦除干凈，若沒有擦除干凈，下排數(shù)碼管顯示“ ERROR21，需要換用其他芯片。按照上面給出的數(shù)據(jù)順序順入到數(shù)據(jù)寫入器。沒有寫的數(shù)據(jù)默認為缺省值。當(dāng)寫入完成后，檢查寫入數(shù)據(jù)是否正確。若有錯，更正錯誤。然后，按WRITE鍵將程序?qū)懭肫鱎AM中寫好的數(shù)據(jù)寫入我們所用的PROM中。完成數(shù)據(jù)寫入工作。利用數(shù)據(jù)寫入器寫入數(shù)據(jù)如下：F001-01-01-0864F002-02-02-2F

19、002-02-04-99.99F003-01-02-2F003-01-14-15.0F005-01-01-0.0F005-01-03-15.0F006-01-01-U0004F101-20-H1-P0001F101-20-P1-U0004F102-11-H1-U0001F103-13-H1-U0002F104-19-H1-U0003F105-16-H2-P0402F105-16-P2-P0104F107-28-H1-P1001F108-27-H1-P1002F109-45-H1-P0502F002-02-01-1F002-02-03-0.00F002-02-15-0F003-01-04-0F0

20、05-01-02-100.0F005-01-04-0.0F006-01-02-P0001F101-20-H2-P0402F101-20-P2-P0502F102-11-H2-P0101F103-13-H2-P0102F105-16-H1-P0001F105-16-P1-P0103F106-30-H1-U0005F107-28-H2-U0005F108-27-H2-U0006F109-45-H2-U0007F109-45-P1-U0008F109-45-P2-P05022.7.進行控制參數(shù)調(diào)整，對控制系統(tǒng)各項功能進行模擬測試并記錄定值擾動控制曲線。實驗前，用MATLAB寸本次實驗中設(shè)計的對象進行

21、了仿真實驗，調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)。上電準(zhǔn)備。檢查并確認接線正確；對藏有“后備手操單元”的KMM要預(yù)先將此單元的"后備/正常方式切換開關(guān)”(Standby/Normal made Switch )扳到“正常” (Normal)側(cè)。對使用“預(yù)置(Preset )型后備手操單元”的場合，要預(yù)先設(shè)定好“預(yù)置(Preset )輸出值”。(1) 通電。使調(diào)節(jié)器通電，初上電，調(diào)節(jié)器先處于“聯(lián)鎖手動”(Interlock Manmal mode) 方式。(2) 運行數(shù)據(jù)的確認。用“數(shù)據(jù)設(shè)定器”來確認，對于運行所必需的控制數(shù)據(jù)、可變 參數(shù)等是否被設(shè)定在規(guī)定值。必要時可進行數(shù)據(jù)的設(shè)定變更。(3) 按控制面

22、板上的R( Reset，復(fù)位)按鈕，解除“聯(lián)鎖方式”后，調(diào)節(jié)器可進行輸 出操作、方式切換等正常的運行操作。(4) 在CAE2000中組態(tài)工業(yè)控制信號轉(zhuǎn)換設(shè)備的顯示畫面，以便記錄調(diào)試曲線。(5) 先將PID調(diào)節(jié)器的死區(qū)設(shè)為 0,通過“數(shù)據(jù)設(shè)定器”，根據(jù)MATLAB真結(jié)果，設(shè)定 各個調(diào)節(jié)器的參數(shù)，記錄定值擾動時的動態(tài)過程曲線。(6) 分析得到的曲線，對調(diào)節(jié)器參數(shù)進行整定，直到得到理想的響應(yīng)曲線。用打印機 打印曲線。(7) 保持PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)不變，將死區(qū)設(shè)為0.2，記錄定值擾動時的動態(tài)響應(yīng)曲線， 打印曲線。(8) 比較加入死區(qū)前后，系統(tǒng)對定值擾動響應(yīng)的區(qū)別。(9)2.8實驗結(jié)果：單回路調(diào)節(jié)器參數(shù)

23、：3=17.2 % Ti=0.20 min不加死區(qū)時的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果：衰減率：85% ;超調(diào)量：5% 穩(wěn)態(tài)誤差：0 加入0.2的死區(qū)后的動態(tài)響應(yīng)與不加死區(qū)的比較如下：加入死區(qū)后，當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸入，即測量值與給定值的偏差小于死區(qū)時，調(diào)節(jié)器的實際輸入為0,即控制機構(gòu)不動作，所以加入死區(qū)后，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間變短，響應(yīng)加快，超調(diào)量變小； 但同時也會有不足之處， 加入死區(qū)后，系統(tǒng)會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差， 且誤差大小會隨著死區(qū)的增加 而增加。這些特性在本次設(shè)計中都體現(xiàn)的很好，實驗較為成功。設(shè)計實驗報告:袁思遠專業(yè)、班級：測控1002EPROlMw號1023學(xué)號：201002030226同組人董朝暉、韓浩、羅皓設(shè)計名稱爐

24、膛壓力系統(tǒng)死區(qū)控制系統(tǒng)設(shè)計1設(shè)計功能說明爐膛壓力是靠引風(fēng)機通過控制引風(fēng)量來維持在一定圍的。設(shè)置壓力調(diào)節(jié)器，通過改變 引風(fēng)風(fēng)量來調(diào)節(jié)爐膛壓力，保證爐膛的正常工作。此次課程設(shè)計的目的在于設(shè)計控制系統(tǒng)， 使得當(dāng)爐膛壓力改變時，通過KMh調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)引風(fēng)量從而維持爐膛壓力在正常水平。為了使得控制作用盡量平穩(wěn)，避免引風(fēng)機的開關(guān)動作過于頻繁，故調(diào)節(jié)器采用帶死區(qū)的 PID調(diào)節(jié)器?？刂埔螅寒?dāng)調(diào)節(jié)器的給定值SP和測量值PV之偏差超過給定的監(jiān)視值（15%時，調(diào)節(jié)器自動切換至手動（M方式。在偏差允許的圍（15%，允許切入自動（A）方式；調(diào)節(jié) PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，當(dāng)給定值發(fā)生變化時，測量值要盡可能快的跟蹤給定值變化，且保證超調(diào)量盡量小，衰減率在 75%到90%之間。2 PI參數(shù)S =17.2%TI=0.20 min3記錄曲線見打印圖紙4曲線分析不加死區(qū)時的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果：衰減率：85% ; 超調(diào)量：5%穩(wěn)態(tài)誤差：0加入0.2的死區(qū)后的動態(tài)響應(yīng)與不加死區(qū)的比較如下：加入死區(qū)后，當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸入，即測量值與給定值的偏差小于死區(qū)時，調(diào)節(jié)器的實際輸入為0,即控制機構(gòu)不動作， 所以加入死區(qū)后，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間變短，響應(yīng)加快，超調(diào)量變小;但同時也會有不足之處，加入