"基于DCS技术的串级控制系统设计与仿真实现"

1 下载量 77 浏览量 更新于2024-01-26 收藏 1.6MB DOC 举报
基于DCS技术的串级控制系统设计仿真实现-计算机控制系统课程设计.doc 本课程设计旨在通过设计、配置和实现计算机测控系统,掌握计算机测控技术在过程控制领域的应用。通过完成一个监控系统的硬件配置和软件控制方案设计,学生能够全面了解并掌握DCS技术在控制系统中的应用。 首先,本课程设计提出了设计目的,即通过设计、配置和实现计算机测控系统来熟悉计算机测控技术在过程控制中的应用。课程设计还要求学生完成一个监控系统的硬件配置和软件控制方案设计。硬件配置可以选择IPC结构配置、DCS结构配置或PLC结构配置。 其次,课程设计要求学生采用P3DCS组态软件来实现监控功能。该软件能够完成控制策略组态(SAMA图组态)、流程图组态、操作器组态等功能。其中,操作器组态具有手动/自动切换功能和自动设定功能。此外,趋势曲线的组态也是本课程设计的要求。 在参数调节方面,本课程设计要求学生通过调节系统参数来实现系统的稳定性和性能指标要求。通过参数调节,学生能够掌握如何根据要求调整相关参数,并实现系统的稳定控制。 在系统仿真方面,学生需要利用仿真软件对设计的串级控制系统进行仿真实现。通过仿真实现,学生可以验证系统设计的正确性和有效性。此外,学生还需要设计并验证系统的故障诊断和容错能力,以提高系统的可靠性和稳定性。 最后,本课程设计要求学生撰写相关的设计报告。报告内容应包括系统设计的详细说明、硬件配置和软件控制方案的设计、参数调节和系统仿真实现的过程与结果,以及对系统性能的评价和改进方案的提出。 总之,本课程设计通过对DCS技术的应用,让学生全面了解和掌握计算机测控技术在过程控制领域的应用。通过系统的设计、配置和实现,学生能够熟悉掌握DCS技术的工作原理和相关软件的使用,提高系统的稳定性和可靠性,并学会通过参数调节和系统仿真实现对系统性能的优化和改进。同时,撰写设计报告也帮助学生总结和归纳所学知识,提高综合分析和解决问题的能力。总的来说,本课程设计对学生的专业素质提高和职业能力培养具有积极的促进作用。
2023-05-25 上传
文件编码(008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256) 文件编码(008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256) 计算机控制系统课程设计 课 程 设 计 报 告 学生姓名: 学 号: 学 院: 自动化工程学院 班 级: 题 目: 计算机控制系统 1 题目背景与意义 设计背景 在自动控制系统的实际工程中,经常需要检测被测对象的一些物理参数,如温度、流量、压力、速度等,这些参数都是模拟信号的形式。它们要由传感器转换成电压信号,再经A/D转换器变换成计算机能够处理的信号。同样,计算机控制外设,如电动调节阀、模拟调速系统时,就需要将计算机输出的数字信号经过D/A转换器变换成外设能接受的模拟信号。本次《计算机控制系统》课程设计的目的就是让同学们在理论学习的基础上,通过完成一个涉及单片机A/D和D/A多种资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用,使我们不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来,而且能够对电子电路、电子元器件、等方面的知识进一步加深认识,同时在系统设计、软件编程、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。帮助同学们增进对单片机的感性认识,加深对单片机理论方面的理解,从而更好的掌握单片机的内部功能模块的应用以及A/D和D/A功能的实现。使学生了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现,为以后设计和实现单片机应用系统打下良好基础。 设计意义 通过设计此测控装置,加深对控制系统的理解,达到活学活用的目的。理论结合实践,锻炼综合运用能力。 2 设计题目介绍 设计题目 设计一个基于单片机的具有A/D和D/A功能的信号测控装置。要求该信号测控装置能够接入典型传感器、变送器信号,同时可输出标准电压/电流信号。并满足抗干扰、通用性、安全性、性价比等原则性要求。 标准电压/电流信号此处定为:0~5V/4~20mA 设计要求 基本要求 设计一个基于单片机的具有A/D和D/A功能的信号测控装置。要求该信号测控装置能够接入典型传感器、变送器信号,同时可输出标准电压/电流信号。并满足抗干扰、通用性、安全性、性价比等原则性要求。 1. 基本要求: 1) 充分理解题目要求,确定方案。 2) 合理选择器件型号。 3) 用1号图纸1张或者采用Protel软件画出电原理图。 4) 用1号图纸1张画出软件结构框图。 5) 写出设计报告,对课程设计成品的功能进行介绍及主要部分进行分析与说明。 6) 每天写出工作日记。 2. 发挥部分: 1) 可将系统扩展为多路。可在此系统中扩展键盘、显示(LCD/LED)、与上位机通讯功能。 2) 完成以上基本设计部分之后,可以运用Proteus仿真软件对设计结果进行相应的编程和仿真,调试测控系统并观察其运行结果(可以分部分完成)。 3 系统总体框架 上位机通信显示模块声光报警键盘模块模拟量输出模拟量输入DAC0832ADC0808AT89C51 上位机通信 显示模块 声光报警 键盘模块 模拟量输出 模拟量输入 DAC0832 ADC0808 AT89C51 4 硬件设计 单片机 单片机是在在芯片内集成了构成一台计算机的主要器件:CPU、运算器、存储器、I/O口及其他功能部件的一块单晶芯片。因此它的功能很强大,广泛的应用于生产中。 单片机的选择 此次设计选用AT89C51单片机作为处理核心。89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器,内含32根双向且分别可寻址的IO线,128字节RAM,2个16位定时计数器,全双工异步串行口,2个中断优先级,5个中断源,片内有时钟振荡器。 时钟电路 89C51的时钟信号通常由两种方式产生:内部时钟和外部时钟。实际应用中通常采用外接晶振的内部时钟方式,在满足系统功能的前提下,应选择低一些的晶振频率。重要在单片机的XTAL1 和XTAL2引脚外接晶振即可。其中C2 和C3的作用是稳定频率和快速起振。 复位电路 单片机的初始化操作,给复位脚RST加上大于2个机器周期(即24个时钟振荡周期)的高电平就使AT89C51复位。 复位时,PC初始化0000H,程序从0000H单元开始执行。除系统的正常初始化外,当程序出错(如程序跑飞)或操作错误时系统处于死锁状态时,需按复位键使RST脚为高电平,使AT89C51摆脱"跑飞"或"死锁"状态而重新启动程序。复位电路与单片机连接如图。 A/D转换器 模拟量输入通道的任务是把在工业现场中采集到的模拟量转换成计算机可识别的数字量。模拟量输入通道一般有信号预处理、多路模拟开关、前置放大器、采样保持器、A/D转换器、接口和控制电路组成。其核心是A/D转换器。 A/D转换器的选择 目前转换器的型号有很多,精度和位数的选择范围很大。
2023-06-01 上传
目录 第1章 系统总体方案选择与说明 1 第2章 系统结构框图与工作原理 2 2.1 隧道窑控制系统方案设计 2 2.2 系统控制量和被控量的选择 3 2.3 系统主副控制器的选择 3 2.4 系统各部分正反作用方式的确定 4 第3章 软件设计 6 3.1软件设计流程图 6 3.2参数整定 7 第4章 仿真与调试 8 第5章 总结 12 参考文献 13 电气与信息工程系课程设计评分表 14 第1章 系统总体方案选择与说明 过程控制是指在生产过程中,运用合适的控制策略,采用自动化仪表及系统来代替操 作人员的部分或全部直接劳动,使生产过程在不同程度上自动地运行,所以过程控制又 被称为生产过程自动化。 隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。几个环节都涉及到温度的控制, 隧道窑的温度是生产工艺的一项重要指标,温度控制的好坏将直接影响产品的质量。制 品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结,烧结温度一般为1300 ,偏差不得超过 5C。所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一,因此将窑道烧成带的 温度作为被控变量,将燃料的流量作为操纵变量。随着现代工业生产的迅速发展,对工 艺操作条件的要求更严格,对安全运行及对控制质量的要求也更高,而因为隧道窑温度 的变化比较慢,所以滞后比较大。 若采用隧道窑温度简单控制系统,由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大,如果燃料 的压力发生波动,尽管控制阀门开度没变,但燃料流量将发生变化,必将引起燃烧室温 度的波动,再经过传热、辐射,引起烧成带温度的变化。因为只有烧成带温度出现偏差 时,才能发现干扰的存在,所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。烧成带温度出现 偏差后,控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度,改变燃料流量,对烧成带温度 加以调节。可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度 的变化这个时间滞后很长的通道,当调节过程起作用时,烧成带的温度已偏离设定值很 远了。即使发现了偏差,也得不到及时调节,造成超调量增大,稳定性下降。如果燃料 压力干扰频繁出现,对于单回路控制系统,不论控制器采用PID的什么控制作用,还是参 数如何整定,都得不到满意的控制效果。为了克服较大的滞后,抑制较大的干扰以及使 控制更加的准确,简单控制系统已不能满足条件,故可选择串级控制系统。 第2章 系统结构框图与工作原理 2.1 隧道窑控制系统方案设计 隧道窑烧成带温度简单控制系统原理图如图1所示,原理方框图如图2所示。按照简单 控制系统,影响烧成带温度θ1的各种干扰因素都被包括在控制回路当中,只要干扰造成 θ1偏离设定值,控制器就会根据偏差的情况,通过控制阀改变燃料的流量,从而把变化 了的θ1重新调回到设定值。控制燃烧室的温度θ2并不是目的,真正的目的是烧成带θ1的 温度稳定不变,所以烧成带温度控制器应该是定值控制,起主导作用。而燃烧室温度控 制器则起辅助作用,它在克服干扰D2的同时,应该受烧成带温度控制器的操纵,操纵方 法就是烧成带温度控制器的输出作为燃烧室温度控制器的设定值。 图1 隧道窑温度—温度串级控制系统结构原理图 图2 隧道窑温度-温度串联控制原理方框图 所谓串级控制系统,就是采用两个控制器串联工作,主控制器的输出作为副控制器的 设定值,由副控制器的输出去操纵控制阀,从而对主被控变量具有更好的控制效果,这 样的控制系统被称为串级控制系统,级系统和简单系统有一个显著的区别,即其在结构 上形成了两个闭环。一个闭环在里面,被称为副环或者副回路,在控制过程中起着"粗调 "的作用;一个环在外面,被称为主环或主回路,用来完成"细调"任务,以最终保证被调 量满足工艺要求。无论主环或副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。 2.2 系统控制量和被控量的选择 制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结,烧结温度一般为1300°C,偏差不 得超过5°C。所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一,因此将窑道烧 成带的温度作为被控变量,将燃料的流量作为操纵变量。 2.3 系统主副控制器的选择 在串级控制系统中,主调节器和副调节器的任务不同,对于它们的选型即调节动作规 律的选择也有不同考虑。 副调节器的任务是要快动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动,面且副参数则并不要求 无差,所以一般都选P调节器,也可以采用PD调节器,但这增加了系统的复杂性,而效果 并不很大。在一般情况下,采用P调节器就足够了。如主、副环的频率相差很大,也可以 考虑采用PI调节器。隧道窑串级控制系统中由于主、副对象都是对温度的采集,所以主 、副环的频率相差不大,副调节器选用P调节器即可达到设计要求。 主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需要采用串级调节的场合,工 艺上对控制品质的要求总是很高的,不允许被