控装课程设计除氧器水位单回路控制系统设计

1、课程设计报告( 2013- 2014学年度第2学期) 名 称：控制装置及仪表课程设计 题 目：除氧器水位单回路控制系统设计 院 系：自动化系 班 级：自动化1104班 学 号：日期：2014年6月27日除氧器水位单回路控制系统设计一、课程设计的目的与要求1、了解过程控制方案的原理图表示方法（SAMA图）。2、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。3、初步了解控制系统参数整定、系统调试的过程。二、设计正文1、由控制要求画出控制流程图。对如图1所示的除氧器水位单回路控制系统，要求对除氧器进行单变量定值控制。除氧器水位经水位变送器测量后，由KM

2、M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，控制除氧器内水位。图1 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。在偏差允许的范围内（15%），允许切入自动（A）方式。2. 确定对可编程序调节器的要求。控制系统要求一路模拟量输入（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420mA电流信号），可满足本系统控制要求。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

3、制系统设计。SAMA图2SAMA图例是由美国科学仪器制造商协会（Scientific Apparatus Makers Association）制订的标准功能图例，用于控制系统设计功能的表达。图例表示了最基本的功能，在设计使用时把某些功能图例组合在一起，表示某一功能块或显示操作器的功能，从而将全部控制功能表达出来。图24、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组态图见

4、图3图3（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-)项目代码设定范围代码数据省缺值PROM管理编号指定的四位数01 11420运算操作周期1、2、3、4、5022调节器类型0、1、2、3030PV报警显示PID编号1、2041调节器编号150051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。（我组编号为1142）运算操作周期：1100ms；2200ms；3300ms；4400ms；5500ms。调节器类型：01PID(A/M)1；1PID(C/A/M)；22PID

5、(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；1AUTO方式。输入处理数据表（F002-）项目代码设定范围代码模拟输入数据缺省值0102030405输入使用0、101 10按工程显示小数点位置0、1、2、3021工程测量单位的下限值-99999999030.0工程测量单位的上限值-9999999904100.0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-99999999080压力补偿输入编号0、1、2、3、4、5090压力单位0

6、、1100设定（目标）压力-99999999110开平方处理0、1120开方小信号切除0.0100.0(%)130数字滤波常数0.0999.9s140.0传感器故障诊断0、115 01输入使用：0不用；1用。按工程显示小数点位置：0无小数；11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AI1AI5设定的开方信号切除值。传感器故障诊断：0无诊断；1诊断。PID数据表（F003-）项目代码设定范围代码PID数据缺省值0102PID操作类型0、1010PV输入编号1502 2 1PV跟踪0、1030报警滞后0.0100.0(%)04 0.01.0比例带0.0

7、799.9(%)05 100.0100.0积分时间0.099.9min06 0.51.0微分时间0.099.9min070.00积分下限-200.0200.0(%)080.0积分上限-200.0200.0(%)09100.0比率-699.9799.9(%)10100.0偏置-699.9799.9(%)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0.0100.0(%)1410.0报警下限-6.9106.9(%)150.0报警上限-6.9106.9(%)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，

8、0无；1有。折线数据表（注：本设计中此数据表未用，可不填写。）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010.0 0102100.0020315.003040.0040520百分型数据：缺省值为0.0；给定范围为：-699.0799.9%。时间型数据：缺省值为0.00min；给定范围为：0.0099.99min。输出处理数据表规定模拟输出信号和数字输出信号从哪个模块引出。（F006-）输出输出端代码连接的内部信号名称信号名代码01(模拟输出)AO101U4U0004AO202SP1P0001AO30302(数字输出

9、)DO101DO202DO303连接的内部信号缺省值为U0000。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-）运算模块编号运算式H1输入信号H2输入信号P1输入信号P2输入信号名称编号信号名称代码信号名称代码信号名称代码 信号名称代码1PID120SP1P0001AIR2P0402U4U0004OFFP05022LLM11U1U0001PPAR1P01013HLM13U2U0002PPAR2P01024MAN19U3U00035DMS16SP1P0001AI2P0402PPAR3P0103PPAR4P01046NOT30U5U00057OR28MSWP1001U5U0005

10、8AND27ASWP1002U6U00069MOD45OFFP0502U7U0007U8U0008OFFP050210111230运算模块编号：由设计人员按模块调入顺序给出的序号。运算模块数据表参见教材：表4-1。模块输入端能用的内部信号参见教材：表4-2 综上，通过KMM程序写入器写入芯片的代码如下：F001-01-01-1142F002-02-01-1F002-02-02-2 F002-02-03-0.00F002-02-04-100.0 F002-02-15-0F003-01-01-0 F003-01-04-0 F003-01-05-100.0 F003-01-06-0.5 F005-0

11、1-01-0.0 F005-01-02-100.0F005-01-03-15.0 F006-01-01-U0004F006-01-02-P0001 F101-20-H1-P0001 F101-20-H2-P0402 F101-20-P1-U0004 F101-20-P2-P0502 F102-11-H1-U0001 F102-11-H2-P0101 F103-13-H1-U0002 F103-13-H2-P0102 F104-19-H1-U0003 F105-16-H1-P0001 F105-16-H2-P0402 F105-16-P1-P0103 F105-16-P2-P0104 F106-

12、30-H1-U0005 F107-28-H1-P1001 F107-28-H2-U0005 F108-27-H1-P1002 F108-27-H2-U0006 F109-45-H1-P0502 F109-45-H2-U0007 F109-45-P1-U0008 F109-45-P2-P05025. 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。具体如下：一、KMM程序写入器的操作方法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内容并具有程序写入器本身的自诊断功能。图4 KMM程序写入器（左）及面板（右）程序写入器外观见图4（左）。其键盘

13、和显示单元部分如图4（右）所示。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，其全部格式见图5所示。图5 控制数据的代码下排数码管给出数据填写过程中的提示信息或出错代码。控制代码及数据的内容填写由键盘控制。各键功能如下（按由上至下，从左到右的键盘顺序）：READ键：把用户PROM程序读入写入器的RAM中。A键：选择增加运算单元的功能。C键：选择用户PROM校核功能，擦除检查、缺省值读出和程序写入器的自诊断功能。例如：C333+ENT(表示输入C333后按ENT键，以下同)，表示进行用户PROM擦除检查，没有擦除干净则显示“ERROR21”。C444+ENT表示把控制数据的缺省值装

14、入程序写入器的RAM。（上电时自动执行该功能。）C222+ENT表示进行用户PROM和程序写入器RAM之间的校核检查，有错则显示“ERROR20”。UF键：送运算单元的单元编号。F键：选择控制数据的写入功能。WRIT键：把程序写入器RAM中的程序写入用户PROM中。D键：选择删除运算单元的内容。L键：选择打印功能。C1键：调用各个项目码的第一部分。（在写入运算单元时，调用运算式的编号部分。）C2F键：调用各个项目码的第二部分。（在写入运算单元时，调用输入信号部分。）P键和U键：用于运算单元的置数。DATA键：调用数据部分。STOP键：停止打印。ENT键：确认键，填入设置的代码和数据。6. 按控

15、制系统模拟线路原理图接线。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。系统原理接线图如图6所示。 图6系统原理接线图模拟被控对象由两个线性运算放大器分别构成的积分环节和一阶惯性环节串联而成。控制回路中设定值和测量值信号分别送入工业控制信号转换器中的A/D模拟量输入通道1、2中进行显示和记录。运算放大器构成的是一个积分环节和一个一阶惯性环节相串联的反馈回路。对于一阶惯性环节，运放的反馈网络是电阻和电容的并联，等效阻抗，输入网络的等效阻抗，这个放大器构成的闭环特性传递函数，设定，则。设计实验中选取，计算得这个惯性环节的时间常数。对于积分环节，。这样，被控对象的传递函数为

16、，是一个非自衡对象。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。（1） 上电准备。（2） 通电。使调节器通电，初上电，调节器先处于“联锁手动”方式。（3） 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（4） 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。（5） 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。（6） 通过“数据设定器”进行PI参数的调整，使控制品质达到控制要求（衰减率为75%-90%）。记录定值

17、扰动10%时的动态过程曲线。（7） 打印过程曲线，并对曲线进行特性分析。三、课程设计总结与收获本次课程设计主要是以KMM调节器的使用为核心进行控制方案的设计和控制系统的模拟实现。作为组长，我和小组成员经过讨论，认为“除氧器水位单回路控制系统设计”这个课题在书中实例的基础上做了一些拓展，比后面几个课题的难度略小，比较适合我组成员的整体水平，故选择了该课题；这次的课程设计给我留下的印象也非常深刻，由于之前没有接触过表格式的程序语言，对KMM可编程调节器的了解也并不深入，所以只有反复研究任务设计书，理解任务设计书中的关键步骤。当然这样并不够，我们小组还提前去实验室观察其他班同学做实验，之前看书时存在

18、的一些疑惑也得到了充分的解答，例如模拟机上的积分环节部分反馈电阻一端为什么要接-3V电压，如何检查电路是否存在故障等等。由于前期的准备较充分，在实验室上机操作时总体上还是比较顺利的，当然也仍然存在着一些问题。下面我总结一下我们组在这次课程设计中遇到的几个令人印象深刻的问题。首先在电路接线首次完成后，进行调节的过程中，采用手动方法无论调节阀开度给多大，测量值始终为下限值。经万用表测量，发现积分环节输出超过4V，一阶惯性环节输出接近0V。初步怀疑模拟被控对象部分线路接触不良或运放损坏。在更换一组运放后继续调试，测量值随阀门开度增大而上升，问题解决。其次，当设定值给定以后，偏差大于15%时，由于被控

19、对象的无自平衡特性，手动控制很难调节使对象达到稳态，必须手动调节阀门令测量值缓慢地接近设定值，并当偏差在允许范围内时立即切换到自动方式，否则测量值可能会不停上升或下降至偏差超过允许范围，这样就无法切换到自动状态，或者即使切换到自动方式也会马上跳回手动方式。最后是手动在线整定PID参数的问题。在最初写程序的时候，借鉴Matlab仿真程序的结果，PID初始参数设定为=100%，TI=0.5min，在实验过程中通过给定值10%阶跃扰动观察实验输出曲线的特性。通过微调后确定PID参数为=96%，TI=0.55min。此时衰减率达到88%，稳态误差为0，看似比较理想。然而我们忽略了调节时间这个指标。经过韦老师的指点，我们意识到所得的输出曲线并不完美，就是因为调节时间太长，超过了40秒。这是由于比例带和积分时间取得太大，使得比例作用和积分作用太弱，从而过渡过程时间较长。另