控制装置与仪表课程设计报告书

1、控制装置与仪表课程设计课程设计报告( 2012- 2013年度第二学期 )名称：控制装置与仪表课程设计题目：炉膛压力系统死区控制系统设计院系：班级：学号：学生：指导教师：设计周数：一周成绩：日期：2013年 7 月 5日一、 课程设计 ( 综合实验 ) 的目的与要求1.1目的与要求（ 1）认知控制系统的设计和控制仪表的应用过程。（ 2）了解过程控制方案的原理图表示方法（SAMA图）。（ 3）掌握数字调节器 KMM的组态方法，熟悉 KMM的面板操作、数据设定器和KMM数据写入器的使用方法。（ 4）初步了解控制系统参数整定、系统调试的过程。1.2 设计实验设备1KMM数字调节器、 KMM程序写入器

2、、 PROM擦除器、控制系统模拟试验台1.3 主要容1.按选题的控制要求，进行控制策略的原理设计、仪表选型并将控制方案以SAMA图表示出来。2 .组态设计2 1 KMM组态设计以 KMM单回路调节器为实现仪表并画出 KMM仪表的组态图，由组态图填写 KMM 的各组态数据表。2 2 组态实现在程序写入器输入数据，将输入程序写入EPROM芯片中。3. 控制对象模拟及过程信号的采集根据控制对象特性， 以线性集成运算放大器为主构成反馈运算回路， 模拟控制对象的特性。将定值和过程变量送入工业信号转换装置中，以便进行观察和记录。4. 系统调试设计要求进行动态调试。 动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。

3、 由于生产过程已经处于运行或试运行阶段， 此时应以观察为主， 当涉及到必需的系统修改时，应做好充分的准备及安全措施， 以免影响正常生产， 更不允许造成系统或设备故障。动态调试一般包括以下容：1) 观察过程参数显示是否正常、执行机构操作是否正常；2) 检查控制系统逻辑是否正确，并在适当时候投入自动运行；3）对控制回路进行在线整定；4）当系统存在较大问题时，如需进行控制结构修改、增加测点等，要重新组态下装。二、设计（实验）正文1 设计题目： 炉膛压力系统死区控制系统设计（如附图1）附图 1：AIR2PKMMAO 1炉膛I/P/I引风机炉膛压力系统死区单回路控制系统2. 设计步骤2.1 按控制方案设

4、计流程图（附图2）附图 2:按控制方案画出控制流程图确定对可编程调节器的要求绘制组态图填写控制数据表用编程器编制用户EPROMEPROM装入仪表，经调试修改投入运行对如附图1 所示的炉膛压力系统死区单回路控制系统，要求对炉膛压力进行单变量定值控制。炉膛压力经压力变送器测量后，由KMM模入通道送至调节器中。调节器输出AO1经 A/D 转换通道控制调节阀，控制炉膛压力。控制要求：当调节器的给定值 SP和测量值 PV 之偏差超过给定的监视值（ 15%）时，调节器自动切换至手动（ M）方式。在偏差允许的围（ 15%），允许切入自动（ A）方式。2.2 确定可编程调节器要求输入输出要求： 控制系统要求一

5、路模拟量输入 （模入）通道输入压力信号， 一路模拟量输出（模出）通 道输出控制信号控制压力调节阀。 而 KMM具有 5 路模入通道、 3 路模出通道 （其中第一路模出通道 AO1可另外同时输出一路 4 20mA电流信号），可满足本系统控制要求；控制要求： 设计单回路控制系统， 采用带死区的 PID 调节器， 使得测量值尽可能快的跟踪给定值变化，且超调量和衰减率满足一定得要求；显示要求：给定值（SP）与测量值（PV）指示表（双针动圈指示表）输出值指示各种指示灯操作要求：给定值和输出值的增减操作2.3 设计控制原理图（SAMA图）。根据控制对象的特性和控制要求，进行常规的控制系统设计。SAMA图见

6、附图3附图 3：2.4 绘制 KMM组态图并填写KMM控制数据表用所采用的控制仪表制造厂商提供的控制图例和组态方法， 在控制装置中实现控制策略。KMM的组态方式是填表式组态方法， 要根据控制要求画出 KMM组态图并由组态图按 KMM数据表格式填写控制数据表，为制作用户EPROM作准备。(1) 绘制 KMM组态图附图 4 是根据 SAMA图绘制的KMM系统组态图。附图 4：（ 2）根据 KMM组态图填写控制数据表。KMM组态通过填入以下7 个数据表格实现。基本数据表(F001-01- -)项目代码设定围代码数据省缺值PROM管理编号指定的四位数0110230运算操作周期1、 2、 3、4、502

7、2调节器类型0、 1、 2、3030PV报警显示 PID 编号1、 2041调节器编号1 50051上位计算机控制系统0、1、2060上位机故障时切换状态0、 1070PROM管理编号：作芯片记号，指定一个四位数。运算操作周期：1100ms； 2 200ms；3 300ms； 4 400ms；5 500ms。调节器类型： 0 1PID(A/M)1 ； 1PID(C/A/M) ；2 2PID(A/M) ； 32PID(C/A/M) 。上位计算机控制系统：0无通信； 1有通信（无上位机） ； 2有通信（有上位机） 。上位机故障时切换状态：0MAN方式； 1 AUTO方式。PROM管理编号为组号，

8、由实验顺序给定的； 由于我们设计的是单回路控制系统， 其他数值均为缺省值。输入处理数据表（F002- - - ）项目代码设定围代码模拟输入数据缺省值0203040105输入使用0、10110按工程显示小数点位置0、1、 2、 30221工程测量单位的下限值-9999 9999030.000.0工程测量单位的上限值-9999 99990499.99100.0折线编号0、1、 2、 3050温度补偿输入编号0、1、2、3、4、5060温度单位0、1070设定（目标）温度-9999 9999080压力补偿输入编号0、1、2、3、4、5090压力单位0、1100设定（目标）压力-9999 999911

9、0开平方处理0、1120开方小信号切除0.0 100.0(%)130数字滤波常数0.0 999.9s140.0传感器故障诊断0、11501输入使用： 0不用； 1用。按工程显示小数点位置：0无小数； 1 1 位小数； 22 位小数； 3三位小数。开平方处理： 0直线； 0开平方处理。开方小信号切除：给AI1 AI5 设定的开方信号切除值。传感器故障诊断：0无诊断； 1诊断。我们设计的是单回路控制系统，输入。 传感器故障诊断为无诊断，等处理，其他数值均缺省。需要一个输入通道， 选择了 KMM调节器的 AIR2 通道作为由于我们的测量信号都是压力信号， 不需要进行进行补偿 PID 数据表（ F00

10、3- - - ）PID 数据项目代码设定围代码01缺省值02PID 操作类型0、 1010PV输入编号1 50221PV跟踪0、 1030报警滞后0.0100.0(%)0401.0比例带0.0799.9(%)05100.0积分时间0.099.9min061.0微分时间0.099.9min070.00积分下限-200.0 200.0(%)080.0积分上限-200.0 200.0(%)09100.0比率-699.9 799.9(%)10100.0偏置-699.9 799.9(%)110.0死区0.0100.0(%)120.0输出偏差率限制0.0100.0(%)13100.0偏差报警0.0100.

11、0(%)1415010.0报警下限-6.9 106.9(%)150.0报警上限-6.9 106.9(%)16100.0PID 操作类型： 0常规 PID ；1微分先行PID。PV跟踪：定值跟踪功能，0无； 1有。在这次设计中，PID 调节器为常规调节方式，所以操作类型为0；设定 PID 的输入信号由通道 2 输入， PV输入编号为2。当调节器的输入偏差超过15%时，系统产生偏差报警。折线数据表（ F004- - - ）折点代码折线数据020301X101X202X303X404X 轴X505X506X707X808X909X1010Y111Y 轴Y212Y313Y414Y515折点代码折线数据

12、020301Y616Y 轴Y717Y818Y919Y1020该设计中没有对信号进行折线处理，均为缺省值。可变变量表可使用百分型可变变量20 个，时间型可变变量5 个。（ F005- - - ）01(百分型 )02(时间型 )代码数据代码数据010.00102100.0020315.003040.0040520百分型数据：缺省值为0.0 ；给定围为： -699.0 799.9%。时间型数据：缺省值为0.00min ；给定围为： 0.00 99.99min 。本设计中， PPAR1、 PPAR2为调节器输出的高低值限制； PPAR3、 PPAR4为 DSM模块的偏差限制。输出处理数据表规定模拟输出

13、信号和数字输出信号从哪个模块引出。（ F006- - - ）连接的部信号名称输出输出端代码信号名代码01AO101U4U0004( 模拟输出 )AO202LSP1P0001AO30302DO101( 数字输出 )DO202DO303由 KMM组态图可知模拟输出端 AO1为调节器输出，是模块 4（ MAN模块）的输出，代码为 U0004；输出端 AO2为调节器给定信号 LSP1，其代码为 P0001。没有使用数字输出。运算模块数据表用来规定模块的类型及模块相互之间的连接。（F1-）运算模运算式H1 输入信号H2 输入信号P1 输入信号P2 输入信号块编号名称编号信号名称代码信号名称代码信号名称代

14、码信号名称代码1PID120SP1P0001AI2P0402U4U0004OFFP05022LLM11U1U0001PPAR1P01013HLM13U2U0002PPAR2P01024MAN19U3U00035DMS16SP1P0001AI2P0402PPAR3P0103PPAR4P01046NOT30U5U00057OR28MSWP1001U5U00058AND27ASWP1002U6U00069MOD45OFFP0502U7U0007U8U0008OFFP050210111230根据 KMM调节器组态图中各个模块的输入输出， 依据运算模块数据表和模块输入端的部信号填写该表的。 KMM调节器

15、组态图中运算模块的编号是按照模块调入顺序给出的。2.5 设计实现被控对象的电路图由运算放大器构成的反馈网络模拟控制对象特性，构成控制系统的模拟控制回路。系统原理接线图如附图 4 所示。附图 4：图中实线连线表示已接连线，有三条，分别是KMM（ CZ6）端子 33 37（禁止外部联锁信号输入）、端子 3 4（模拟通道1 的电流输出构成闭合回路，以避免产生开路报警信号）和端子 1 11（供电电源） 。实验时需检查确认。弯虚线表示实验时需接连线，按附图4 逐条正确连接。模拟的控制对象采用由两个线性运算放大器构成的一阶滞后反馈环节串连构成，以加大对象的滞后时间。控制回路中测量值和设定值信号分别送入工业

16、控制信号转换器中的A/D模拟量输入通道中进行显示和记录。运算放大器构成的是一阶滞后特性的反馈回路。运放的反馈网络是电阻和电容的并联，1R fsR f等效阻抗 Z fC f，输入网络的等效阻抗Z1R1 ，这个放大器构成的闭11 R f C f sR fsC f环特性传递函数 W (s)Z fRf/ R1，设定 R fR1 ，则 W (s)1。因此，这是一Z 11 R f C f s1 R f C f s个滞后时间 TR f C f 的一阶滞后环节。设计实验中选取RfR1100K ， C f 47，计算得这个滞后环节的滞后时间T4.7 s。因滞后时间较小，且对象为负对象，故设计中将这样的两个滞后环

17、节和一个比例系数为1 的环节串连而成。工业控制信号转换器是一个数据采集系统。本设计中输入系统的定值信号和测量值，可完成信号的数据存储、显示、打印等功能。2.6掌握 KMM程序写入器的使用方法并用程序写入器将数据写入EPROM中。根据数据表中所填写的代码和数据用KMM程序写入器进行编程。 按表格次序逐项输入数据。程序输入并检查修改完毕后，按“ WRIT”、 “ ENT”键，将程序写入 EPROM中。写入程序后的 EPROM移插到 KMM调节器的用户 EPROM中，即可进行整机和系统调试工作。KMM程序写入器的操作：程序写入器具有制作可编程调节器的用户PROM所需要的全部功能，还能够打印出程序的容

18、并具有程序写入器本身的自诊断功能。其显示部分由两排数码管显示信息，上排数码管显示控制代码及数据，其全部格式见下图所示。F数据代码2 ：表示详细项目代码1 ：表示运算式编号、输入编号、折线编号等F001 ：基本数据F002 ：输入处理数据F003 ： PID 运算数据表示控制数据的各种数据F004 ：折线数据F005 ：可变参数F006 ：输出处理数据1# ）F101：运算单元（F130：运算单元（2# ）下排数码管给出数据填写过程中的提示信息或出错代码。控制代码及数据的容填写由键盘控制。我们先输入 C333+ENT，用来检查所用的芯片是否擦除干净， 若没有擦除干净， 下排数码管显示“ ERRO

19、R21”，需要换用其他芯片。按照上面给出的数据顺序顺入到数据写入器。没有写的数据默认为缺省值。当写入完成后，检查写入数据是否正确。若有错，更正错误。然后，按 WRITE键将程序写入器 RAM中写好的数据写入我们所用的 PROM中。完成数据写入工作。利用数据写入器写入数据如下：.F001-01-01-0864F002-02-01-1F002-02-02-2F002-02-03-0.00F002-02-04-99.99F002-02-15-0F003-01-02-2F003-01-04-0F003-01-14-15.0F005-01-01-0.0F005-01-02-100.0F005-01-03

20、-15.0F005-01-04-0.0F006-01-01-U0004F006-01-02-P0001F101-20-H1-P0001F101-20-H2-P0402F101-20-P1-U0004F101-20-P2-P0502F102-11-H1-U0001F102-11-H2-P0101F103-13-H1-U0002F103-13-H2-P0102F104-19-H1-U0003F105-16-H1-P0001F105-16-H2-P0402F105-16-P1-P0103F105-16-P2-P0104F106-30-H1-U0005F107-28-H1-P1001F107-28-H

21、2-U0005F108-27-H1-P1002F108-27-H2-U0006F109-45-H1-P0502F109-45-H2-U0007F109-45-P1-U0008F109-45-P2-P05022.7. 进行控制参数调整，对控制系统各项功能进行模拟测试并记录定值扰动控制曲线。实验前，用MATLAB对本次实验中设计的对象进行了仿真实验，调节器采用PI 调节。上电准备。检查并确认接线正确；对藏有“后备手操单元”的KMM，要预先将此单元的“后备 / 正常方式切换开关” （ Standby/Normal made Switch）扳到“正常” （ Normal ）侧。对使用“预置（Prese

22、t ）型后备手操单元”的场合，要预先设定好“预置（Preset ）输出值”。（1）通电。使调节器通电， 初上电，调节器先处于 “联锁手动”（InterlockManmal mode）方式。（ 2）运行数据的确认。用“数据设定器”来确认，对于运行所必需的控制数据、可变参数等是否被设定在规定值。必要时可进行数据的设定变更。（ 3）按控制面板上的 R（ Reset ，复位）按钮，解除 “联锁方式”后，调节器可进行输出操作、方式切换等正常的运行操作。（ 4）在 CAE2000中组态工业控制信号转换设备的显示画面，以便记录调试曲线。（ 5）先将 PID 调节器的死区设为 0，通过 “数据设定器” ，根据

23、 MATLAB仿真结果， 设定各个调节器的参数，记录定值扰动时的动态过程曲线。（ 6）分析得到的曲线，对调节器参数进行整定，直到得到理想的响应曲线。用打印机打印曲线。（7）保持 PID 调节器的参数不变，将死区设为0.2 ，记录定值扰动时的动态响应曲线，打印曲线。（ 8）比较加入死区前后，系统对定值扰动响应的区别。（ 9）2.8 实验结果：单回路调节器参数：=17.2 %Ti=0.20 min不加死区时的动态响应结果：衰减率： 85% ；超调量： 5%；稳态误差：0加入 0.2 的死区后的动态响应与不加死区的比较如下：加入死区后， 当调节器的输入， 即测量值与给定值的偏差小于死区时， 调节器的

24、实际输入为0，即控制机构不动作，所以加入死区后，系统的调节时间变短，响应加快，超调量变小；但同时也会有不足之处， 加入死区后， 系统会出现稳态误差， 且误差大小会随着死区的增加而增加。这些特性在本次设计中都体现的很好，实验较为成功。设计实验报告：学号：设计名称袁思远201002030226专业、班级：测控 1002EPROM编号同组人董朝晖、韩浩、罗皓炉膛压力系统死区控制系统设计10231 设计功能说明炉膛压力是靠引风机通过控制引风量来维持在一定围的。设置压力调节器，通过改变引风风量来调节炉膛压力，保证炉膛的正常工作。此次课程设计的目的在于设计控制系统，使得当炉膛压力改变时，通过为了使得控制作

25、用尽量平稳，KMM调节器调节引风量从而维持炉膛压力在正常水平。避免引风机的开关动作过于频繁，故调节器采用带死区的PID调节器。控制要求：当调节器的给定值SP和测量值PV 之偏差超过给定的监视值（15%）时，调节器自动切换至手动（M）方式。在偏差允许的围（15%），允许切入自动（A）方式；调节PID 调节器的参数，当给定值发生变化时，测量值要尽可能快的跟踪给定值变化，且保证超调量尽量小，衰减率在75%到 90%之间。2PI 参数 =17.2% TI=0.20 min3 记录曲线见打印图纸4 曲线分析不加死区时的动态响应结果：衰减率： 85% ；超调量： 5%；稳态误差： 0加入 0.2 的死区后的动态响应与不加死区的比较如下：加入死区后，当调节器的输入，即测量值与给定值的偏差小于死区时，调节器的实际输入为 0，即控制机构不动作， 所以加入死区后， 系统的调节时间变短， 响应加快， 超调量变小；但同时也会