控制裝置與儀表課程設(shè)計--爐膛壓力系統(tǒng)死區(qū)控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　控制裝置與儀表課程設(shè)計</p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　( 2012-- 2013年度第二學(xué)期)</p><p>　　名 稱： 控制裝置與儀表課程設(shè)計 </p><p>　　題 目：爐膛壓力系統(tǒng)死區(qū)控制系統(tǒng)設(shè)計 </p>&l

2、t;p>　　院 系： </p><p>　　班 級： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師：

3、 </p><p>　　設(shè)計周數(shù)： 一周 </p><p>　　成 績： </p><p>　　日期：2013年7 月5日</p><p>　　課程設(shè)計(綜合實驗)的目的與要求</p><p>

4、<b>　　1.1 目的與要求</b></p><p>　　（1）認(rèn)知控制系統(tǒng)的設(shè)計和控制儀表的應(yīng)用過程。</p><p>　?。?）了解過程控制方案的原理圖表示方法（SAMA圖）。</p><p>　　（3）掌握數(shù)字調(diào)節(jié)器KMM的組態(tài)方法，熟悉KMM的面板操作、數(shù)據(jù)設(shè)定器和KMM數(shù)據(jù)寫入器的使用方法。</p><p>

5、　?。?）初步了解控制系統(tǒng)參數(shù)整定、系統(tǒng)調(diào)試的過程。</p><p><b>　　1.2設(shè)計實驗設(shè)備</b></p><p>　　KMM數(shù)字調(diào)節(jié)器、KMM程序?qū)懭肫鳌ROM擦除器、控制系統(tǒng)模擬試驗臺</p><p><b>　　1.3 主要內(nèi)容</b></p><p>　　1. 按選題的控制要求

6、，進(jìn)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。</p><p><b>　　2 . 組態(tài)設(shè)計</b></p><p>　　2．1 KMM組態(tài)設(shè)計</p><p>　　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。</p><p><b>　　2．

7、2 組態(tài)實現(xiàn)</b></p><p>　　在程序?qū)懭肫鬏斎霐?shù)據(jù)，將輸入程序?qū)懭隕PROM芯片中。</p><p>　　3. 控制對象模擬及過程信號的采集</p><p>　　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(jìn)行觀察和記錄。</p><p>

8、<b>　　4. 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　設(shè)計要求進(jìn)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)試一般包括以下內(nèi)容：</p><p>　　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

9、常；</p><p>　　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；</p><p>　　3）對控制回路進(jìn)行在線整定；</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)存在較大問題時，如需進(jìn)行控制結(jié)構(gòu)修改、增加測點等，要重新組態(tài)下裝。</p><p>　　二、設(shè)計（實驗）正文</p><p>　　1設(shè)計題目：爐膛壓力系統(tǒng)死區(qū)控

10、制系統(tǒng)設(shè)計（如附圖1）</p><p><b>　　附圖1：</b></p><p><b>　　2.設(shè)計步驟</b></p><p>　　2.1．按控制方案設(shè)計流程圖（附圖2）</p><p><b>　　附圖2:</b></p><p>　　對如附圖

11、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(jìn)行單變量定值控制。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。</p><p>　　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。在偏差允許的范圍內(nèi)（15%），允許切入自動（A）方式。</p><p>

12、;　　2.2確定可編程調(diào)節(jié)器要求</p><p>　　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可另外同時輸出一路4～20mA電流信號），可滿足本系統(tǒng)控制要求；</p><p>　　控制要求：設(shè)計單回路控制系統(tǒng)，采用帶死區(qū)的PID調(diào)節(jié)器，使得

13、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；</p><p>　　顯示要求：給定值（SP）與測量值（PV）指示表（雙針動圈指示表） </p><p><b>　　輸出值指示</b></p><p><b>　　各種指示燈</b></p><p>　　操作要求：給定值和輸出值的增

14、減操作</p><p>　　2.3設(shè)計控制原理圖（SAMA圖）。</p><p>　　根據(jù)控制對象的特性和控制要求，進(jìn)行常規(guī)的控制系統(tǒng)設(shè)計。SAMA圖見附圖3</p><p><b>　　附圖3：</b></p><p>　　2.4繪制KMM組態(tài)圖并填寫KMM控制數(shù)據(jù)表</p><p>　　用所采

15、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的組態(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KMM數(shù)據(jù)表格式填寫控制數(shù)據(jù)表，為制作用戶EPROM作準(zhǔn)備。</p><p>　　(1)繪制KMM組態(tài)圖</p><p>　　附圖4是根據(jù)SAMA圖繪制的KMM系統(tǒng)組態(tài)圖。</p><p><b>　　附圖4：

16、</b></p><p>　　（2）根據(jù)KMM組態(tài)圖填寫控制數(shù)據(jù)表。</p><p>　　KMM組態(tài)通過填入以下7個數(shù)據(jù)表格實現(xiàn)。</p><p><b>　?、倩緮?shù)據(jù)表</b></p><p>　　(F001-01-□□-)</p><p>　　PROM管理編號：作芯片記號，指定一

17、個四位數(shù)。</p><p>　　運算操作周期：1－100ms；2－200ms；3－300ms；4－400ms；5－500ms。</p><p>　　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)。</p><p>　　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）。&

18、lt;/p><p>　　上位機故障時切換狀態(tài)：0－MAN方式；1－AUTO方式。</p><p>　　PROM管理編號為組號，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。</p><p><b>　?、谳斎胩幚頂?shù)據(jù)表</b></p><p>　　（F002-□□-□□-）</p>&l

19、t;p>　　輸入使用：0－不用；1－用。</p><p>　　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)。</p><p>　　開平方處理：0－直線；0－開平方處理。</p><p>　　開方小信號切除：給AI1～AI5設(shè)定的開方信號切除值。</p><p>　　傳感器故障診斷：0－無診斷；1－診斷。&l

20、t;/p><p>　　我們設(shè)計的是單回路控制系統(tǒng)，需要一個輸入通道，選擇了KMM調(diào)節(jié)器的AIR2通道作為輸入。傳感器故障診斷為無診斷，由于我們的測量信號都是壓力信號，不需要進(jìn)行進(jìn)行補償?shù)忍幚?，其他?shù)值均缺省。</p><p><b>　?、跴ID數(shù)據(jù)表</b></p><p>　?。‵003-□□-□□-）</p><p>

21、　　PID操作類型：0－常規(guī)PID；1－微分先行PID。</p><p>　　PV跟蹤：定值跟蹤功能，0－無；1－有。</p><p>　　在這次設(shè)計中，PID調(diào)節(jié)器為常規(guī)調(diào)節(jié)方式，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%時，系統(tǒng)產(chǎn)生偏差報警。</p><p><b>　?、苷劬€數(shù)據(jù)表</b&

22、gt;</p><p>　　（F004-□□-□□-）</p><p>　　該設(shè)計中沒有對信號進(jìn)行折線處理，均為缺省值。</p><p><b>　?、菘勺冏兞勘?lt;/b></p><p>　　可使用百分型可變變量20個，時間型可變變量5個。</p><p>　?。‵005-□□-□□-）</

23、p><p>　　01(百分型) 02(時間型)</p><p>　　百分型數(shù)據(jù)：缺省值為0.0；給定范圍為：-699.0～799.9%。</p><p>　　時間型數(shù)據(jù)：缺省值為0.00min；給定范圍為：0.00～99.99min。</p><p>　　本設(shè)計中，PPAR1

24、、PPAR2為調(diào)節(jié)器輸出的高低值限制；PPAR3、PPAR4為DSM模塊的偏差限制。</p><p><b>　?、掭敵鎏幚頂?shù)據(jù)表</b></p><p>　　規(guī)定模擬輸出信號和數(shù)字輸出信號從哪個模塊引出。</p><p>　　（F006-□□-□□-）</p><p>　　由KMM組態(tài)圖可知模擬輸出端AO1為調(diào)節(jié)器輸出

25、，是模塊4（MAN模塊）的輸出，代碼為U0004；輸出端AO2為調(diào)節(jié)器內(nèi)給定信號LSP1，其代碼為P0001。沒有使用數(shù)字輸出。</p><p><b>　?、哌\算模塊數(shù)據(jù)表</b></p><p>　　用來規(guī)定模塊的類型及模塊相互之間的連接。</p><p>　?。‵1□□-□□-）</p><p>　　根據(jù)KMM調(diào)節(jié)

26、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)表和模塊輸入端的內(nèi)部信號填寫該表的。KMM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。</p><p>　　2.5設(shè)計實現(xiàn)被控對象的電路圖</p><p>　　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。</p><p><b>　　附圖4：&l

27、t;/b></p><p>　　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3－4（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(rèn)。彎虛線表示實驗時需接連線，按附圖4逐條正確連接。</p><p>　　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

28、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(jìn)行顯示和記錄。</p><p>　　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)，等效阻抗，輸入網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗，這個放大器構(gòu)成的閉環(huán)特性傳遞函數(shù)，設(shè)定，則。因此，這是一個滯后時間的一階滯后環(huán)節(jié)。設(shè)計實驗中選取，，計算得這個滯后環(huán)節(jié)的滯后時間。因滯后時間較小，且對象為負(fù)對象，故設(shè)計中將

29、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。</p><p>　　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。</p><p>　　2.6 掌握KMM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。</p><p>　　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(jìn)行編程。

30、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”、 “ENT”鍵，將程序?qū)懭隕PROM中。寫入程序后的EPROM移插到KMM調(diào)節(jié)器的用戶EPROM中，即可進(jìn)行整機和系統(tǒng)調(diào)試工作。</p><p>　　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內(nèi)容并具有程序?qū)懭肫鞅旧淼淖栽\斷功能。</p><p>　　其顯示部分由

31、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。</p><p>　　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。</p><p>　　控制代碼及數(shù)據(jù)的內(nèi)容填寫由鍵盤控制。</p><p>　　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。</p&g

32、t;<p>　　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(rèn)為缺省值。</p><p>　　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。</p><p>　　利用數(shù)據(jù)寫入器寫入數(shù)據(jù)如下：.</p><p>　　F001-01-01-086

33、4 F002-02-01-1</p><p>　　F002-02-02-2 F002-02-03-0.00</p><p>　　F002-02-04-99.99

34、 F002-02-15-0</p><p>　　F003-01-02-2 F003-01-04-0 F003-01-14-15.0 F005-01-0

35、1-0.0 F005-01-02-100.0 </p><p>　　F005-01-03-15.0 F005-01-04-0.0 F006-01-01-U0004 F006-01-02-P0001

36、 F101-20-H1-P0001 F101-20-H2-P0402 F101-20-P1-U0004 F101-20-P2-P0502 F102-11-H1-U0001

37、 F102-11-H2-P0101 F103-13-H1-U0002 F103-13-H2-P0102 </p><p>　　2.7.進(jìn)行控制參數(shù)調(diào)整，對控制系統(tǒng)各項功能進(jìn)行模擬測試并記錄定值擾動控制曲線。</p>

38、<p>　　實驗前，用MATLAB對本次實驗中設(shè)計的對象進(jìn)行了仿真實驗，調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)。</p><p>　　上電準(zhǔn)備。①檢查并確認(rèn)接線正確；②對內(nèi)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?！保∟ormal）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”

39、。</p><p>　　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。</p><p>　　運行數(shù)據(jù)的確認(rèn)。用“數(shù)據(jù)設(shè)定器”來確認(rèn)，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(jìn)行數(shù)據(jù)的設(shè)定變更。</p><p>　　按控制面板上的R（Reset，復(fù)位）按鈕，解除 “聯(lián)鎖方式”后，調(diào)節(jié)器可

40、進(jìn)行輸出操作、方式切換等正常的運行操作。</p><p>　　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。</p><p>　　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仿真結(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。</p><p>　　分析得到的曲線，對調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定，直到得到理想的響應(yīng)曲線。

41、用打印機打印曲線。</p><p>　　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。</p><p>　　比較加入死區(qū)前后，系統(tǒng)對定值擾動響應(yīng)的區(qū)別。</p><p><b>　　2.8實驗結(jié)果：</b></p><p>　　單回路調(diào)節(jié)器參數(shù)：δ=17.2 % Ti=0.20

42、 min</p><p>　　不加死區(qū)時的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果：</p><p>　　衰減率：85% ； 超調(diào)量：5%； 穩(wěn)態(tài)誤差：0 </p><p>　　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：</p><p>　　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

43、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。</p><p><b>　　設(shè)計實驗報告</b></p><p>　　三、課程設(shè)計總結(jié)或結(jié)論</p><p>　　本次課程設(shè)計，主要是根據(jù)被控對象的實際特

44、性，利用現(xiàn)有的條件模擬被控對象，然后利用KMM調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計。經(jīng)過我們一組的共同努力，通過查閱資料和老師的幫助，完成了設(shè)計實驗，但是由于地線虛接干擾，加入死區(qū)的控制曲線不是很理想，但還是可以看出加入死區(qū)后的作用的，達(dá)到了課程設(shè)計的目的與要求。</p><p>　　通過本次課程設(shè)計，我們有很大的收獲。首先，查閱相關(guān)資料，了解鍋爐爐膛壓力的控制原理，制定出了控制方案；然后，用SAMA圖表示其控制方式和過程。

45、為此我們對SAMA圖的繪制有了初步的認(rèn)識，學(xué)會了一些簡單的表示方法；然后，根據(jù)SAMA圖和控制方案，繪制KMM組態(tài)圖，使得KMM調(diào)節(jié)器的控制方式滿足系統(tǒng)的要求。加深了對KMM調(diào)節(jié)器模塊的理解，掌握了應(yīng)用方法；按照組態(tài)圖填寫了控制數(shù)據(jù)表，并通過程序?qū)懭肫鲗⒖刂品桨笇懭胄酒?，這是一個比較新鮮的過程，也是課本里沒有的知識，通過課程設(shè)計才接觸到的，也使我了解到了一種新的編程方法；最后，到實驗室實際操作，連接電路，使用數(shù)據(jù)設(shè)定器改變調(diào)節(jié)器參數(shù)，直

46、到輸出曲線滿足實驗要求。這個過程中，我們熟悉了KMM的面板操作、數(shù)據(jù)設(shè)定器的使用方法；我們學(xué)會了控制系統(tǒng)參數(shù)整定、系統(tǒng)調(diào)試的過程，加深了對PID控制的認(rèn)識。</p><p>　　實驗中也不是一帆風(fēng)順的。首先，我們在第一次程序?qū)懭氲臅r候由于輸入錯誤語句，導(dǎo)致我們需要給第二塊EPROM芯片寫入正確的程序，這也是影響整體進(jìn)度的主要原因。其次，在接線的過程中我們少接了一根線，結(jié)果導(dǎo)致我們的KMM調(diào)節(jié)器出現(xiàn)異常報警，經(jīng)及時

47、檢查找出了錯誤，解決了問題！通過這次教訓(xùn)，我們認(rèn)識到做什么事都要一絲不茍、認(rèn)真對待。 </p><p><b>　　四、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　《控制儀表與裝置 第三版》 吳勤勤 主編 化學(xué)工業(yè)出版社</p><p>　　《控制儀表與裝置實驗及課程設(shè)計指導(dǎo)書》 韋根原 王秀霞