控制仪表课程设计说明书

1、摘要煤气炉是工业生产中常用的加热设备，广泛应用于冶金、机械、建材、化工等行业，其温度控制系统常用的控制技术有 PID 控制、模糊控制技术等，但由于煤气炉是一个时变的、大滞后的被控对象，且升温具有单向性，很难建立精确的数学模型。而PID 控制因其成熟、容易实现、 并具有可消除稳态误差的优点，基本可以满足系统性能要求。KMM 可编程程序调节器是一种多输入/ 输出、 多功能、 多用途的数学式控制仪表。 它与模拟式调节器相比， 具有与模拟仪表兼容， 运算，控制与通信功能丰富、通用性强、可靠性高，使用维护方便等优点，用 KMM 进行系统设计， 只要根据控制流程图进行组态即可， 通过各种运算模块的不同组态

2、可以实现多种控制功能，如平、 PID 控制、前馈控制等，非常简便。用它进行控制， P、 I 、 D 参数调整方便，数字显示直观，适合于小规模生产装置的控制、显示和操作，也可以通过通信接口挂到数据通道同集散控制系统连接起来， 实现中、 大规模的分散控制、集中监视、操作和管理。一 总体方案设计煤气炉是工业生产的重要装置之一，它的任务是通过煤气的燃烧，产生一个理想的温度，以供生产、生活之用。在产品的工艺加工过程中，温度对产品质量的影响很大，温度检测和控制很重要。基于常用的单回路控制系统结构简单但控制精度较低的实际， 本设计提出 了基于KMM可编程控制器的串级控制系统。1、串级控制系统串级控制系统的基

3、本概念串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器 的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它 所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而 引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量 检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变 送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路X围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路X

4、围内的扰动。主参数（主变量）：串级控制系统中起主导作用的那个被调节参数称为主参数。副参数（副变量）：其给定值随主调节器的输出而变化，能提前反应主信号数字变化的中间参数称为副参数。主对象（惰性区）：主参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号是副变量，输出信号是主变量。副对象（导前区）：副参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号是调节量输出信号，其输出信号是副参数。主调节器：根据主参数与调节器给定值的偏差而动作，其输出作 为调节器的给定值的那个调节器称之为主调节器。副调节器：具给定值由主调节器的输出决定，并根据副参数对给 定值的偏差动作的那个调节器称为副调节器。主回路：断开副调节器的反馈回路后的整

5、个外回路。副回路：由副参数、副调节器与其所包括的一部分对象等环节所组成的闭合回路，副回路有时还称作随动回路。串级控制系统的基本原理一次扰动串级控制系统的原理图如下 1-1所示二次扰动主调节帧相丽中g枇二-kji叫后王对易L 副参数 副变送主变送锦根据图1-1可以得出串级控制系统的原理方框图的一般形式，如下图 1-2所示2、煤气炉炉温仪表串级控制系统的设计方案2.1控制系统原理与原理方框图本设计采用串级控制系统，串级控制系统的原理与基本结构图已经在上一个章节介绍过了， 这里结合具体控制对象（煤气炉）详细介绍其炉温控制系统的设计方法。基本设计思想：以煤气炉温度作为主控信号，构成主控调节回 路，以煤

6、气流量信号作为副控信号，构成副控调节回路。引入煤气流 量信号可以消除控制阀门一样开度的情况下压力影响煤气燃烧量的 现象。其原理框图如下图1-3所示：二仪表选型仪表的选型关系到整个系统各个部分之间的信号的匹配、兼容性、安全性与稳定性等多个方面的问题，因此，仪表的选型是一个设 计是否成功的一个相当关键的环节。本设计中需要用的控制仪表主要 有：辐射式温度计、温度变送器、KMM可编程调节器、孔板流量计 等，本设计的仪表选型如下所示：序号名称信号模式备注1温度计WDH-II型光电温度计A2温度变送器WDH-II自带的A主变送器3流量变送器CECC电容式差压变送器（配节流装置）A副变送器4流量计孔板流量计

7、A5调节器KMM可编程调节器D6调节阀ZAZNCm型电动双座调节阀A2 KMM可编程调节器KMM 是单回路控制仪表（SSC）中DIGITRONIK 系列的一个 主要品种，适用于小规模生产装置的控制、显示和操作，也可以通过 通信接口挂到数据通道上与个人计算机或集散系统（如TDC-3000 ）连接起来，实现大、中规模的分散控制、集中监视、操作和管理。KMM的基本组成KMM主要由硬件、软件两个部分组成。KMM的硬件部分包括主机电路、模拟量输入/输出电路，数字 量输入/输出电路、输入/输出接口电路。主机电路包跨CPU、ROM、 RAM、定时器电路、监视器电路和电池电路等；模拟量输入电路由 缓冲电路（运

8、算放大器和阻容元件）、A/D转换电路等构成，模拟量 输出电路由D/A转换器、多路开关、保持电路等构成；数字量输入 电路由晶体管阵列和门控电路构成，数字量输出电路包括锁存器和晶 体管阵列；输入、输出（I/O ）接口包括可编程I/O接口电路8255 和可编程键盘显示控制器8259。KMM的软件部分包括系统程序和用户程序。系统程序包括基本程序、输入处理程序、运算式程序和中断处理程序组成。用户程序由使用者自行编制。 KMM 采用表格式组态语言编制程序。KMM 的主要功能KMM 主要以下七大功能，分别是：输入处理功能、输出处理功能、运算处理功能、控制类型与无扰动切换、运行方式、自诊断功能和通信功能。三

9、控制系统的工作过程本设计利用 KMM 可编程调节器采用是串级控制方式， 其基本原理框图如图 1-3 所示，系统简单，控制效果好。结合系统控制原理框图 3-1 ，系统的控制过程如下：由 WDH-II型光电高温计测得煤气炉炉内的温度， 经过其自身携带的温度变送器转换成 4-20mA 的标准电流信号P1 作为主控变量， 并与系统的设定值 P1 比较得到偏差信号，送入主调节器（即 KMM 可编程控制器的 PID 单元） ，其输出信号又作为副调节器的设定值P2 ；由孔板流量计测量得到的流量信号，经 CECC 电容式差压变送器转换成4-20mA 的标准模拟信号P2 ，并与主调节器的设定值P2 形成偏差信号

10、，该偏差信号送入负调节器（ KMM 的 K 单元） ，其输出信号经 D/A 转换器转换成4-20mA 的标准模拟信号，送入 DKZ 直行程电动执行器，其输出信号再作为 ZAZNC-III 型电动双座调节阀控制送入煤气炉的煤气流量，从而实现对煤气炉炉内温度的稳定控制。四 心得体会本次课程设计是我们设计工业控制系统的初次尝试， 虽然控制对象比较少， 控制系统的结构比较简单， 但由于诸如 KMM 可编程控制器与串级控制系统属于初次接触的新事物， 故设计过程还是遇到了不少的困难，有许多的费解和疑惑。特别是一开始的时候很茫然，无从下手，好在图书馆有很丰富的资料，通过查阅相关资料以后，逐渐知道了串级控制系统与KMM 可编程