控制装置与仪表专业课程设计.docx

控制装置和仪表课程设计

课程设计汇报
( -- 第二学期)

名 称： 控制装置和仪表课程设计
题 目：炉膛压力系统死区控制系统设计
院 系：
班 级：
学 号：
学生姓名：
指导老师：
设计周数： 一周
成 绩：

日期：7 月5日
一、 课程设计(综合试验)目标和要求
1.1 目标和要求
（1）认知控制系统设计和控制仪表应用过程。
（2）了解过程控制方案原理图表示方法（SAMA图）。
（3）掌握数字调整器KMM组态方法，熟悉KMM面板操作、数据设定器和KMM数据写入器使用方法。
（4）初步了解控制系统参数整定、系统调试过程。
1.2设计试验设备
KMM数字调整器、KMM程序写入器、PROM擦除器、控制系统模拟试验台

1.3 关键内容
1. 按选题控制要求，进行控制策略原理设计、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单回路调整器为实现仪表并画出KMM仪表组态图，由组态图填写KMM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采集
依据控制对象特征，以线性集成运算放大器为主组成反馈运算回路，模拟控制对象特征。将定值和过程变量送入工业信号转换装置中，方便进行观察和统计。
4. 系统调试
设计要求进行动态调试。动态调试是指系统和生产现场相连时调试。因为生产过程已经处于运行或试运行阶段，此时应以观察为主，当包含到必需系统修改时，应做好充足准备及安全方法，以免影响正常生产，更不许可造成系统或设备故障。动态调试通常包含以下内容：
1)观察过程参数显示是否正常、实施机构操作是否正常；
2)检验控制系统逻辑是否正确，并在合适时候投入自动运行；
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（试验）正文
炉膛

KMM
P
I
/
I/P
引风机

炉膛压力系统死区单回路控制系统
AO
1
AIR
2
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：

2.设计步骤
2.1．按控制方案设计步骤图（附图2）
附图2:

对如附图1所表示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模入通道送至调整器中。调整器输出AO1经A/D转换通道控制调整阀，控制炉膛压力。
控制要求：当调整器给定值SP和测量值PV之偏差超出给定监视值（15%）时，调整器自动切换至手动（M）方法。在偏差许可范围内（15%），许可切入自动（A）方法。

2.2确定可编程调整器要求
输入输出要求：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整阀。而KMM含有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，采取带死区PID调整器，使得测量值尽可能快跟踪给定值改变，且超调量和衰减率满足一定得要求；
显示要求：给定值（SP）和测量值（PV）指示表（双针动圈指示表）
输出值指示
多种指示灯
操作要求：给定值和输出值增减操作

2.3设计控制原理图（SAMA图）。
依据控制对象特征和控制要求，进行常规控制系统设计。SAMA图见附图3
附图3：

2.4绘制KMM组态图并填写KMM控制数据表

用所采取控制仪表制造厂商提供控制图例和组态方法，在控制装置中实现控制策略。KMM组态方法是填表式组态方法，要依据控制要求画出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是依据SAMA图绘制KMM系统组态图。
附图4：

（2）依据KMM组态图填写控制数据表。
KMM组态经过填入以下7个数据表格实现。

①基础数据表
(F001-01-□□-)

项目
代码设定范围
代码
数据
省缺值
PROM管理编号
指定四位数
01
1023
0
运算操作周期
1、2、3、4、5
02

2
调整器类型
0、1、2、3
03

0
PV报警显示PID编号
1、2
04

1
调整器编号
1～50
05

1
上位计算机控制系统
0、1、2
06

0
上位机故障时切换状态
0、1
07

0

PROM管理编号：作芯片记号，指定一个四位数。
运算操作周期：1－100ms；2－200ms；3－300ms；4－400ms；5－500ms。
调整器类型：0－1PID(A/M)1；1－PID(C/A/M)；2－2PID(A/M)；3－2PID(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：0－MAN方法；1－AUTO方法。

PROM管理编号为组号，由试验次序给定；因为我们设计是单回路控制系统，其它数值均为缺省值。

②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
01
02
03
04
05
输入使用
0、1
01

1

0
按工程显示小数点位置
0、1、2、3
02

2

1
工程测量单位下限值
-9999～9999
03

0.00

0.0
工程测量单位上限值
-9999～9999
04

99.99

100.0
折线编号
0、1、2、3
05

0
温度赔偿输入编号
0、1、2、3、4、5
06

0
温度单位
0、1
07

0
设定（目标）温度
-9999～9999
08

0
压力赔偿输入编号
0、1、2、3、4、5
09

0
压力单位
0、1
10

0
设定（目标）压力
-9999～9999
11

0
开平方处理
0、1
12

0
开方小信号切除
0.0～100.0(%)
13

0
数字滤波常数
0.0～999.9s
14

0.0
传感器故障诊疗
0、1
15

0

1
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；2－2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设定开方信号切除值。
传感器故障诊疗：0－无诊疗；1－诊疗。
我们设计是单回路控制系统，需要一个输入通道，选择了KMM调整器AIR2通道作为输入。传感器故障诊疗为无诊疗，因为我们测量信号全部是压力信号，不需要进行进行赔偿等处理，其它数值均缺省。

③PID数据表
（F003-□□-□□-）

项目
代码设定范围
代码
PID数据
缺省值
01
02
PID操作类型
0、1
01

0
PV输入编号
1～5
02
2

1
PV跟踪
0、1
03

0
报警滞后
0.0～100.0(%)
04
0

1.0
百分比带
0.0～799.9(%)
05

100.0
积分时间
0.0～99.9min
06

1.0
微分时间
0.0～99.9min
07

0.00
积分下限
-200.0～200.0(%)
08

0.0
积分上限
-200.0～200.0(%)
09

100.0
比率
-699.9～799.9(%)
10

100.0
偏置
-699.9～799.9(%)
11

0.0
死区
0.0～100.0(%)
12

0.0
输出偏差率限制
0.0～100.0(%)
13

100.0
偏差报警
0.0～100.0(%)
14
15．0

10.0
报警下限
-6.9～106.9(%)
15

0.0
报警上限
-6.9～106.9(%)
16

100.0
PID操作类型：0－常规PID；1－微分先行PID。
PV跟踪：定值跟踪功效，0－无；1－有。

在这次设计中，PID调整器为常规调整方法，所以操作类型为0；设定PID输入信号由通道2输入，PV输入编号为2。当调整器输入偏差超出15%时，系统产生偏差报警。

④折线数据表
（F004-□□-□□-）

折点
代码
折线数据
01
02
03
X轴
X1
01

X2
02

X3
03

X4
04

X5
05

X5
06

X7
07

X8
08

X9
09

X10
10

Y轴
Y1
11

Y2
12

Y3
13

Y4
14

Y5
15

折点
代码
折线数据
01
02
03
Y轴
Y6
16

Y7
17

Y8
18

Y9
19

Y10
20

该设计中没有对信号进行折线处理，均为缺省值。

⑤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
01
0.0

01

02
100.0

02

03
15.0

03

04
0.0

04

～

05

20

百分型数据：缺省值为0.0；给定范围为：-699.0～799.9%。
时间型数据：缺省值为0.00min；给定范围为：0.00～99.99min。
本设计中，PPAR1、PPAR2为调整器输出高低值限制；PPAR3、PPAR4为DSM模块偏差限制。

⑥输出处理数据表

要求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
连接内部信号名称
信号名
代码
01
(模拟输出)
AO1
01
U4
U0004
AO2
02
LSP1
P0001
AO3
03

02
(数字输出)
DO1
01

DO2
02

DO3
03

由KMM组态图可知模拟输出端AO1为调整器输出，是模块4（MAN模块）输出，代码为U0004；输出端AO2为调整器内给定信号LSP1，其代码为P0001。没有使用数字输出。

⑦运算模块数据表

用来要求模块类型及模块相互之间连接。
（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
1
PID1
20
SP1
P0001
AI2
P0402
U4
U0004
OFF
P0502
2
LLM
11
U1
U0001
PPAR1
P0101

3
HLM
13
U2
U0002
PPAR2
P0102

4
MAN
19
U3
U0003

5
DMS
16
SP1
P0001
AI2
P0402
PPAR3
P0103
PPAR4
P0104
6
NOT
30
U5
U0005

7
OR
28
MSW
P1001
U5
U0005

8
AND
27
ASW
P1002
U6
U0006

9
MOD
45
OFF
P0502
U7
U0007
U8
U0008
OFF
P0502
10

11

12

～

30

依据KMM调整器组态图中各个模块输入输出，依据运算模块数据表和模块输入端内部信号填写该表。KMM调整器组态图中运算模块编号是根据模块调入次序给出。

2.5设计实现被控对象电路图
由运算放大器组成反馈网络模拟控制对象特征，组成控制系统模拟控制回路。系统原理接线图如附图4所表示。
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（严禁外部联锁信号输入）、端子3－4（模拟通道1电流输出组成闭合回路，以避免产生开路报警信号）和端子1－11（供电电源）。试验时需检验确定。弯虚线表示试验时需接连线，按附图4逐条正确连接。
模拟控制对象采取由两个线性运算放大器组成一阶滞后反馈步骤串连组成，以加大对象滞后时间。控制回路中测量值和设定值信号分别送入工业控制信号转换器中A/D模拟量输入通道中进行显示和统计。
运算放大器组成是一阶滞后特征反馈回路。运放反馈网络是电阻和电容并联，等效阻抗，输入网络等效阻抗，这个放大器组成闭环特征传输函数，设定，则。所以，这是一个滞后时间一阶滞后步骤。设计试验中选择，，计算得这个滞后步骤滞后时间。因滞后时间较小，且对象为负对象，故设计中将这么两个滞后步骤和一个百分比系数为1步骤串连而成。
工业控制信号转换器是一个数据采集系统。本设计中输入系统定值信号和测量值，可完成信号数据存放、显示、打印等功效。

2.6 掌握KMM程序写入器使用方法并用程序写入器将数据写入EPROM中。

依据数据表中所填写代码和数据用KMM程序写入器进行编程。按表格次序逐项输入数据。程序输入并检验修改完成后，按“WRIT”、 “ENT”键，将程序写入EPROM中。写入程序后EPROM移插到KMM调整器用户EPROM中，即可进行整机和系统调试工作。
KMM程序写入器操作：程序写入器含有制作可编程调整器用户PROM所需要全部功效，还能够打印出程序内容并含有程序写入器本身自诊疗功效。
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表示。

下排数码管给出数据填写过程中提醒信息或犯错代码。
控制代码及数据内容填写由键盘控制。
我们先输入C333+ENT，用来检验所用芯片是否擦除洁净，若没有擦除洁净，下排数码管显示“ERROR21”，需要换用其它芯片。
根据上面给出数据次序顺入到数据写入器。没有写数据默认为缺省值。
当写入完成后，检验写入数据是否正确。若有错，更正错误。然后，按WRITE键将程序写入器RAM中写好数据写入我们所用PROM中。完成数据写入工作。
利用数据写入器写入数据以下：.
F001-01-01-0864 F002-02-01-1
F002-02-02-2 F002-02-03-0.00
F002-02-04-99.99 F002-02-15-0
F003-01-02-2 F003-01-04-0 F003-01-14-15.0 F005-01-01-0.0 F005-01-02-100.0
F005-01-03-15.0 F005-01-04-0.0 F006-01-01-U0004 F006-01-02-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 F106-30-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-P0502

2.7.进行控制参数调整，对控制系统各项功效进行模拟测试并统计定值扰动控制曲线。

试验前，用MATLAB对此次试验中设计对象进行了仿真试验，调整器采取PI调整。
上电准备。①检验并确定接线正确；②对内藏有“后备手操单元”KMM，要预先将此单元“后备/正常方法切换开关”（Standby/Normal made Switch）扳到“正常”（Normal）侧。对使用“预置（Preset）型后备手操单元”场所，要预先设定好“预置（Preset）输出值”。
（1） 通电。使调整器通电，初上电，调整器先处于“联锁手动”（Interlock Manmal mode）方法。
（2） 运行数据确实定。用“数据设定器”来确定，对于运行所必需控制数据、可变参数等是否被设定在要求值。必需时可进行数据设定变更。
（3） 按控制面板上R（Reset，复位）按钮，解除 “联锁方法”后，调整器可进行输出操作、方法切换等正常运行操作。
（4） 在CAE中组态工业控制信号转换设备显示画面，方便统计调试曲线。
（5） 先将PID调整器死区设为0，经过“数据设定器”，依据MATLAB仿真结果，设定各个调整器参数，统计定值扰动时动态过程曲线。
（6） 分析得到曲线，对调整器参数进行整定，直到得到理想响应曲线。用打印机打印曲线。
（7） 保持PID调整器参数不变，将死区设为0.2，统计定值扰动时动态响应曲线，打印曲线。
（8） 比较加入死区前后，系统对定值扰动响应区分。
（9）
2.8试验结果：

单回路调整器参数：δ=17.2 % Ti=0.20 min
不加死区时动态响应结果：
衰减率：85% ； 超调量：5%； 稳态误差：0

加入0.2死区后动态响应和不加死区比较以下：
加入死区后，当调整器输入，即测量值和给定值偏差小于死区时，调整器实际输入为0，即控制机构不动作，所以加入死区后，系统调整时间变短，响应加紧，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，且误差大小会伴随死区增加而增加。这些特征在此次设计中全部表现很好，试验较为成功。

设计试验汇报

姓名：
袁思远
专业、班级：
测控1002
EPROM编号
1023
学号：

同组人
董朝晖、韩浩、罗皓
设计名称
炉膛压力系统死区控制系统设计
1 设计功效说明

炉膛压力是靠引风机经过控制引风量来维持在一定范围内。设置压力调整器，经过改变引风风量来调整炉膛压力，确保炉膛正常工作。此次课程设计目标在于设计控制系统，使适当炉膛压力改变时，经过KMM调整器调整引风量从而维持炉膛压力在正常水平。
为了使得控制作用尽可能平稳，避免引风机开关动作过于频繁，故调整器采取带死区PID调整器。
控制要求：当调整器给定值SP和测量值PV之偏差超出给定监视值（15%）时，调整器自动切换至手动（M）方法。在偏差许可范围内（15%），许可切入自动（A）方法；调整PID调整器参数，当给定值发生改变时，测量值要尽可能快跟踪给定值改变，且确保超调量尽可能小，衰减率在75%到90%之间。

2 PI参数
δ =17.2%
TI=0.20 min

3 统计曲线
见打印图纸
4 曲线分析
不加死区时动态响应结果：
衰减率：85% ； 超调量：5%； 稳态误差：0

加入0.2死区后动态响应和不加死区比较以下：
加入死区后，当调整器输入，即测量值和给定值偏差小于死区时，调整器实际输入为0，即控制机构不动作，所以加入死区后，系统调整时间变短，响应加紧，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，且误差大小会伴随死区增加而增加。这些特征在此次设计中全部表现很好，试验较为成功。

指导老师
韦根原

设计日期
-7-4

三、课程设计总结或结论
此次课程设计，关键是依据被控对象实际特征，利用现有条件模拟被控对象，然后利用KMM调整器进行控制系统设计。经过我们一组共同努力，经过查阅资料和老师帮助，完成了设计试验，不过因为地线虚接干扰，加入死区控制曲线不是很理想，但还是能够看出加入死区后作用，达成了课程设计目标和要求。
经过此次课程设计，我们有很大收获。首先，查阅相关资料，了解锅炉炉膛压力控制原理，制订出了控制方案；然后，用SAMA图表示其控制方法和过程。为此我们对SAMA图绘制有了初步认识，学会了部分简单表示方法；然后，依据SAMA图和控制方案，绘制KMM组态图，使得KMM调整器控制方法满足系统要求。加深了对KMM调整器模块了解，掌握了应用方法；根据组态图填写了控制数据表，并经过程序写入器将控制方案写入芯片，这是一个比较新鲜过程，也是书本里没有知识，经过课程设计才接触到，也使我了解到了一个新编程方法；最终，到试验室实际操作，连接电路，使用数据设定器改变调整器参数，直到输出曲线满足试验要求。这个过程中，我们熟悉了KMM面板操作、数据设定器使用方法；我们学会了控制系统参数整定、系统调试过程，加深了对PID控制认识。
试验中也不是一帆风顺。首先，我们在第一次程序写入时候因为输入错误语句，造成我们需要给第二块EPROM芯片写入正确程序，这也是影响整体进度关键原因。其次，在接线过程中我们少接了一根线，结果造成我们KMM调整器出现异常报警，经立即检验找出了错误，处理了问题！经过这次教训，我们认识到做什么事全部要一丝不苟、认真对待。

四、参考文件
《控制仪表和装置 第三版》 吴勤勤 主编 化学工业出版社
《控制仪表和装置试验及课程设计指导书》 韦根原 王秀霞 主编 华北电力大学