《基于dcs技术的串级控制系统设计仿真实现-计算机控制系统-毕设论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于dcs技术的串级控制系统设计仿真实现-计算机控制系统-毕设论文.doc（21页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 上海电力学院计算机测控系统课程设计 课 题： 基于DCS技术的串级控制系统设计 仿真实现 专 业： 自动化（电站） 班 级： _ 姓 名： 学 号： 指导教师： 一、 设计目的 通过对计算机监控系统的设计、配置和实现，掌握计算机测控技术在过程控制领域的应用。完成一个监控系统的硬件配置和软件控制方案设计。其中硬件配置可以采用IPC结构配置、DCS结构配置，也可采用PLC的结构配置；监控系统方案设计选用一种P3DCS组态软件来实现监控功能，其中包括控制策略组态（SAMA图组态）、流程图组态、操作器组态（具有手动/自动切换功能和自动设定功能），以及趋势曲线的组态；并通过参数整定与系统调试实现其监控
2、功能。二、 设计内容 题1 蒸汽温度监控系统图1 所示的串级汽温控制系统和其相应的工艺流程，蒸汽温度控制系统需要将过热器出口温度设定在一定的温度设定值上。工艺系统和控制设计说明：只要导前汽温2 q 发生变化，副调节器P 就去改变减温水流量，初步维持后级过热器入口汽温2 Wqq 在一定范围内，起粗调作用。而过热器出口汽温1 q 的控制，则是通过主调节器PI 来校正副调节器工作，只要1 q 未达到给定值，主调节PI 的输出信号就不断递变化，使副调节器不断去控制减温水喷水量的变化，直到1 Wqq 恢复到给定值为止。稳态时，导前汽温2 q 可能稳定在与原来数值不同的数值上，而主汽温1 q 则一定等于给
3、定值。在串级汽温控制系统中，由于两个回路的任务及动态特性不同，可以选用不同的调节器。副回路及副调节器的任务是快速消除内扰，要求控制过程的持续时间较短，但不要求无差，故一般可选用纯比例调节器。当到前汽温惯性较大时，也可选用比例微分调节器。主回路及主调节器的任务是维持1 q 恒定，一般选用比例积分调节器。当过热器惰性区较大时，也可选用比例、积分、微分调节器。图1 串级汽温控制系统工作原理其中导前区的对象传递函数为过热惰性区的传递函数为其它执行器和测量电路的传递函数简化为K = 1题2 水箱水位监控系统图2 和图3 所示的串级水箱水位控制系统方框图以及工艺流程图，水箱监控系统需要将下水箱水位控制在所
4、需要的高度r1。 工艺系统和控制设计说明：只要上水箱水位hB2B 发生变化，副调节器就去改变调节阀开度u，初步维持上水箱水位hB2B在一定范围内，起粗调作用。而下水箱水位hB1B的控制，则是通过主调节器来校正副调节器工作，只要hB1B未达到给定值，主调节的输出信号rB2B就不断递变化，使副调节器不断去控制减温水喷水量的变化， 直调节阀的开度，直到下水箱水位hB1B达到给定值为止。 图 2 双容水箱串级控制系统框图图3 双容水箱串级控制系统示意图其中上水箱水位的对象传递函数为上水箱水位对下水箱水位传递函数为-= + 其它执行器和测量电路的传递函数简化为K = 1三、课题设计及其步骤第一部分 硬件
5、设计上水箱水位板下水箱水位板D/A转换板电源伺服放大版CRT板内存板键盘及自诊断板滤波版键盘CPU板显示器CRT打印机打印机STD（内部）总线外部总线根据图2系统示意图，硬件设计采用STD总线IPC来进行 图4 IPC硬件组成框图硬件组成说明：1、 CPU板及打印机、CRT板及CRT、键盘及自诊断板及键盘、内存板、电源、构成了STD工业控制基本系统；2、 自诊断板：使用了WDT看门狗技术，无论何种原因引起死机，自诊断系统能在1s2s内测出并恢复正常运行，整个计算机系统工作可靠；3、 上、下水箱水位板由计数电路组成，检测检测主、副回路管道送来的水位信号；4、 D/A转换板是水箱水位的驱动口板，计
6、算机系统检测两水箱水位与设定值进行比较，并对其偏差进行PID运算，其运算结果通过D/A转换器由数字量转换为模拟电压信号量输出至伺服放大板，从而控制主调节阀；5、 伺服放大板：相当于电动单元组合仪表中的伺服放大器，接收来自D/A转换板输出的阀位信号，检测阀的实际位置，若实际位置与D/A转换板输出的阀位有偏差，则阀动作，达到与D/A输出一致的位置后停止，实现计算机系统对调节阀的控制；6、 滤波板：对STD总线有关信号进行滤波处理，提高整个系统的可靠性。第二部分 软件设计本次课程设计主要有两个方面的工作：即是组态设计和系统调试：1、 组态设计 1）系统配置组态主要是指DCS中工程师站、操作员站、控制
7、站的主机系统配置信息及外设类型，I/O卡件信息，电源布置，控制柜内安装接线等。2） 实时数据库组态 数据库组态是系统组态中应尽早完成的工作，因为只有有了数据库，其他的组态工作（控制回路组态、画面组态等）才可以调试。运行P3DCS软件，首先进行I/O配置：点击系统数据库图标，进行各参数的点名与说明。由于本次设计要求是2个串级控制系统，所以数值量与逻辑量还有有控制器状态DO等如图。保存后关闭窗口，进行SAMA图组态的制作。如图5、6所示：图 5 双容水箱数据库图 6 串级汽温数据库3）控制算法组态控制算法组态指的是将系统设计时规定的模拟量控制、开关量控制等功能用DCS算法予以实现。点击SAMA图组
8、态图标，打开SAMA图制作窗口。SAMA图组态用于将系统内部定义的功能算法模块按照逻辑组合起来，编译下装到过程控制站中进行调用和执行。由于本次课程设计是串级回路控制系统，所以采用系统自带的2个PID功能块、1个M/A手操器功能块和若干线性功能块来构成SAMA图的基本框架。PID1（左）用于控制主回路，PID2（右）用于控制副回路，M/A用于设定主回路设定值，线性功能块根据被控对象的传递函数设定参数。根据串级回路的结构特点，SAMA图分别如图7、8所示：图 7图 8将各功能块的参数设为需要的值，并将其与数据库中的数据点一一对应，再用输入输出功能块引出，连接到显示界面。TR为跟踪接口，用于实现控制
9、器的手动/自动的无扰切换。保存后关闭窗口。4） 操作员站显示画面组态用矩形、棒状图和折线等根据实物绘制图形界面，实时曲线绘制黑色表格。将个环节与对应的数据点连接起来，PV1对应主回路对象，PV2对应副回路对象，并设定上下限与填充色。实时曲线也同样与数据点对应，设置上下限与颜色，保存文件。其效果图如图9、10：图 9图 10然后绘制操作窗口组态：同样用矩形和棒状图绘制操作器数值显示条，并将其与各模拟数据点一一对应，设置上下限并填充颜色。指示灯用于指示控制器工作状态，6个按钮用于自动控制时增减设定值，手动控制时增减控制器输出。将SAMA图中模块号对应到按钮上，就能实现SP值的便捷修改，方便操作员在
10、发现情况后直接修改参数。手动/自动按钮用于切换控制状态，SP增/减按钮用于自动状态下设定值的增减，AO增/减按钮用于手动状态下控制器输出增减。效果图如图11、12：图 11图 12将操作显示界面与监控界面连接起来，如此一来在操作员站的监控画面下，可以直接点击控制阀来调处操作显示界面，进行参数的调节，或实现手动自动的切换。5） 趋势组态趋势组态用于显示现场数据点的实时/历史趋势。为了方便读取数据，我制作了实时趋势图。点击趋势显示按钮，新建实时趋势显示图，将曲线与数据点对应连接起来，设定上下限与填充色。2、系统调试 设计要求进行动态调试。所谓动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。由于生产过程已经
11、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内容： 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，应尽量在停机状态下重新组态下装。若条件不允许，也可进行在线组态，但要熟悉在线组态的各个环节并做好应急措施。（1）PID参数整定 1）断开主回路，用衰减曲线法，整定内回路副调节器，P作用。反复调整，做定值阶跃扰动实验，直到衰减率0.
12、750.9。 2）闭合主回路，用衰减曲线法，整定外回路主调节器，PI作用，反复调整主调节器并做定值阶跃扰动实验，直到衰减率0.9。记下比例带，测量上升时间。按照公式计算PID参数。 3）按计算参数设置PID，做定值阶跃扰动，观察曲线。 4）细调主副调节器参数，直到满意为止。五、课题设计实验结果1.编译SAMA图，如图7所示。图 72.开始运行（图8）与系统诊断（图9） 图 8 图 93. 运行调试使用matlab对串级系统经行建模，运用了PI控制。先单独调节副回路，再将副回路放进主回路一起调整。最后得到两个回路的参数。副回路：K1比例增益=1.2 K2积分时间=0；主回路：K1=1.2 K2=
13、0.25.4.实时趋势如图10：图 10超调量小于5%，系统稳定时间在1.6分钟左右，可见控制的效果还是不错的.5.监控显示画面效果如图11所示：图 116. 无扰切换：首先，如果将手动打到自动出现控制器输出变0的情况（图12）：图 12其原因在于PID控制器没有进行组态跟踪，最后在手动切到自动时控制器输出不会变化，如图13：图 13勿扰切换下，手动方式，增加输入AO,实时曲线如图19所示：图 14 手动方式增加输出五、 实验心得小结由于之前没有学过DCS软件，不过在老师的PDF的帮助下我很快地就上手了。在绘制SAMA图时由于一开始使用左键连线所以在监控界面曲线没显示之后使用右键将线链接出来解
14、决了问题。在无扰切换的环节时，通过采用2根跟踪信号又解决问题了。通过这次实践课，使我对在自控原理里学到的PID控制方法运用和过程控制中参数整定的加以练习，又对P3DCS这款软件得到了初步的熟悉。对于今后在工作中奠定了一些契机，也能很好的与理论的知识相结合，与实际的实验结果相比较，更能让我们形象生动的理解并懂得这个实验的原理和PID的控制方法。第二部分 蒸汽温度监控系统一、课程设计目的 通过对计算机监控系统的设计、配置和实现，掌握计算机测控技术在过程控制领域的应用。二、 课程设计内容 采用P3DCS系统设计完成蒸汽温度串级控制系统并进行参数整定和调试，包括数据库组态、SAMA图组态、流程图组态、
15、操作器组态，设计手动和单回路自动控制、串级自动控制等控制方案，并实现手自动无扰切换和报警，设计相应的模拟量控制和逻辑控制方案并实现，进行仿真、参数整定与系统调试。其中导前区的对象传递函数为过热惰性区传递函数为其它执行器和测量电路的传递函数简化为K = 1三、 系统概述如图1所示的串级汽温控制系统和其相应的工艺流程，蒸汽温度控制系统需要将过热器出口温度设定在一定的温度设定值上。工艺系统和控制设计说明：只要导前汽温发生变化，副调节器 P 就去改变减温水流量，初步维持后级过热器入口汽温在一定范围内，起粗调作用。而过热器出口汽温的控制，则是通过主调节器 PI 来校正副调节器工作，只要未达到给定值，主调
16、节 PI 的输出信号就不断递变化，使副调节器不断去控制减温水喷水量的变化，直到恢复到给定值为止。稳态时，导前汽温可能稳定在与原来数值不同的数值上，而主汽温则一定等于给定值。在串级汽温控制系统中，由于两个回路的任务及动态特性不同，可以选用不同的调节器。副回路及副调节器的任务是快速消除内扰，要求控制过程的持续时间较短，但不要求无差，故一般可选用纯比例调节器。当到前汽温惯性较大时，也可选用比例微分调节器。主回路及主调节器的任务是维持恒定，一般选用比例积分调节器。当过热器惰性区较大时，也可选用比例、积分、微分调节器。并通过P3DCS组态软件对系统的曲线进行实时监控，调出最优PID参数。 系统的工艺流程
17、如下图（图 1）所示：图 1 根据过热器系统的结构，我们设置一个串级控制回路，把出口温度作为串级控制系统的主控制回路，蒸汽导热前作为串级的副控制回路。从而得出串级控制系统的方框图如（图2）所示：PID控制器PID控制器2副回路主回路测量电路2测量电路1图2四、 课题设计及其步骤第一部分 硬件设计副回路温度板主回路温度板D/A转换板电源伺服放大版CRT板内存板键盘及自诊断板滤波版键盘CPU板显示器CRT打印机打印机STD（内部）总线外部总线根据图2系统示意图，硬件设计采用STD总线IPC来进行图2-1-1 IPC硬件组成框图硬件组成说明：7、 CPU板及打印机、CRT板及CRT、键盘及自诊断板及
18、键盘、内存板、电源、构成了STD工业控制基本系统；8、 自诊断板：使用了WDT看门狗技术，无论何种原因引起死机，自诊断系统能在1s2s内测出并恢复正常运行，整个计算机系统工作可靠；9、 主、副回路板由计数电路组成，检测检测主、副回路管道送来的温度信号；10、 D/A转换板是蒸汽温度的驱动口板，计算机系统检测两水箱水位与设定值进行比较，并对其偏差进行PID运算，其运算结果通过D/A转换器由数字量转换为模拟电压信号量输出至伺服放大板，从而控制主调节阀；11、 伺服放大板：相当于电动单元组合仪表中的伺服放大器，接收来自D/A转换板输出的阀位信号，检测阀的实际位置，若实际位置与D/A转换板输出的阀位有
19、偏差，则阀动作，达到与D/A输出一致的位置后停止，实现计算机系统对调节阀的控制；12、 滤波板：对STD总线有关信号进行滤波处理，提高整个系统的可靠性。第二部分 软件设计本次课程设计主要有两个方面的工作：即是组态设计和系统调试：2、 组态设计 1）系统配置组态主要是指DCS中工程师站、操作员站、控制站的主机系统配置信息及外设类型，I/O卡件信息，电源布置，控制柜内安装接线等。3） 实时数据库组态 数据库组态是系统组态中应尽早完成的工作，因为只有有了数据库，其他的组态工作（控制回路组态、画面组态等）才可以调试。运行P3DCS软件，首先进行I/O配置：点击系统数据库图标，进行各参数的点名与说明。由
20、于本次设计要求是双容水箱串级控制系统，所以数值量有导前汽温PV2，出口汽温PV1、出口汽温设定值SP、副控制器输出阀门开度AO，逻辑量有控制器状态DO等。保存后关闭窗口，进行SAMA图组态的制作。如图3所示：图 33）控制算法组态控制算法组态指的是将系统设计时规定的模拟量控制、开关量控制等功能用DCS算法予以实现。点击SAMA图组态图标，打开SAMA图制作窗口。SAMA图组态用于将系统内部定义的功能算法模块按照逻辑组合起来，编译下装到过程控制站中进行调用和执行。由于本次课程设计是串级回路控制系统，所以我采用系统自带的2个PID功能块、1个M/A手操器功能块和若干线性功能块来构成SAMA图的基本
21、框架。PID1（左）用于控制出口汽温，PID2（右）用于控制导前汽温，M/A用于设定出口温度的目标值，线性功能块用于代表被控对象的特性。根据串级回路的结构特点，绘制SAMA图如图4所示：图 4将各功能块的参数设为需要的值，并将其与数据库中的数据点一一对应，再用输入输出功能块引出，连接到显示界面。TR为跟踪接口，用于实现控制器的手动/自动的无扰切换。保存后关闭窗口。6） 操作员站显示画面组态用矩形、棒状图和折线绘制过热器、蒸汽管道，阀门等，实时曲线绘制黑色表格。将过热器与对应的数据点连接起来，PV1对应出口汽温，PV2对应导前汽温，并设定上下限与填充色。实时曲线也同样与数据点对应，设置上下限与颜
22、色，保存文件。其效果图如图5：图 5然后绘制操作窗口组态：同样用矩形和棒状图绘制操作器数值显示条，并将其与各模拟数据点一一对应，设置上下限并填充颜色。指示灯用于指示控制器工作状态，6个按钮用于自动控制时增减设定值，手动控制时增减控制器输出。将SAMA图中模块号对应到按钮上，就能实现SP值的便捷修改，方便操作员在发现情况后直接修改参数。手动/自动按钮用于切换控制状态，SP增/减按钮用于自动状态下设定值的增减，AO增/减按钮用于手动状态下控制器输出增减。效果图如图6：图 6将操作显示界面与监控界面连接起来，如此一来在操作员站的监控画面下，可以直接点击控制阀来调处操作显示界面，进行参数的调节，或实现
23、手动自动的切换。7） 趋势组态趋势组态用于显示现场数据点的实时/历史趋势。为了方便读取数据，我制作了实时趋势图。点击趋势显示按钮，新建实时趋势显示图，将曲线与数据点对应连接起来，设定上下限与填充色。2、系统调试 设计要求进行动态调试。所谓动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。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内容： 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
24、； 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，应尽量在停机状态下重新组态下装。若条件不允许，也可进行在线组态，但要熟悉在线组态的各个环节并做好应急措施。（1）PID参数整定 1）断开主回路，用衰减曲线法，整定内回路副调节器，P作用。反复调整，做定值阶跃扰动实验，直到衰减率0.750.9。 2）闭合主回路，用衰减曲线法，整定外回路主调节器，PI作用，反复调整主调节器并做定值阶跃扰动实验，直到衰减率0.9。记下比例带，测量上升时间。按照公式计算PID参数。 3）按计算参数设置PID，做定值阶跃扰动，观察曲线。 4）细调主副调节器参数，直到满意为止。五、课题设计实验结果1.编译SA
25、MA图，实行单站编译。2.开始运行（图7）与系统诊断（图8） 图 7 图 83. 运行调试使用matlab对串级系统经行建模，运用了PI控制。先单独调节副回路，再将副回路放进主回路一起调整。最后得到两个回路的参数。副回路：K1比例增益=1.2 K2积分时间=0；主回路：K1=0.654 K2积分时间=2.7615.4.实时趋势如图10：图 10超调量小于5%，系统稳定时间在1.6分钟左右，可见控制的效果还是不错的.5.监控显示画面效果如图11所示：图 116. 无扰切换：首先，如果将手动打到自动出现控制器输出变0的情况（图12）：图 12其原因在于PID控制器没有进行组态跟踪，最后在手动切到自动时控制器输出不会变化，如图13：图 13勿扰切换下，手动方式，增加输入AO,实时曲线如图19所示：图 14 手动方式增加输出