自动控制系统课程设计内容2013

自动控制系统课程设计内容

－－ xxx控制系统设计

课程设计是以专业课程为依托，针对特定设计内容对学生进行完整的控制系统设计训练的教学环节。使学生通过设计过程了解和掌握控制系统设计的内容、步骤、规范和方法等。为将教材中的理论和实际自动化工程提供结合的机会，加深学生对该门课程的理论知识和应用实践的认识。

本课程设计是以自动化专业《过程控制系统》课程为背景，充分利用过程控制实验室的现有实验条件，针对液位、温度等过程控制中非常普遍的控制对象（被控参数）进行控制系统设计。设计内容包括：控制系统可行性分析，控制原理分析与设计，控制设备选型、系统接线图纸设计，控制系统编程实现以及实验验证等。学生可以根据个人情况进行各自特色的控制系统设计。

1设计报告内容与要求

1.1控制系统可行性分析

在控制系统设计之初，都应该进行背景调查。调查主要内容包括：

z国内外控制水平发展及现状；

z过程控制难点及目前解决程度；

z拟采用控制方案的特点及概述等内容；

z设备投资概算和效益分析。（本设计省略，但在正式的可行性报告中非常重要。）最终得出控制系统可行的结论，给以下设计提供肯定的支持。

根据本系统特点，系统并无太多难点，很多方案都是可行的，只需要根据查找到的参考资料进行一下概述性的描述即可。

1.2控制原理分析与设计

得到可行结论后，开始对控制系统原理方案进行详细的分析与设计。控制系统原理设计主要包括以下几方面内容：

z过程描述－对过程运行情况、操作方法进行介绍；

z检测参数选择和控制参数选择，并简要分析选择原因；

z绘制控制系统检测控制原理图和系统方框图。

根据本系统特点，参考实例，对控制系统进行设计。设计时具体设备数量、原理选择可以不局限于现有实验系统，学生可以利用所学知识设计更合理的系统。

1.3控制系统设备选型

控制原理方案确定后，就是设备选型工作。根据系统需求确定设备数量和功能等要求，在多种设备中选择性能最适合设计需要的仪表设备型号。选择好设备型号后，根据设备随机说明书和端子说明，进行接线图的绘制和施工图设计（本次设计不包括施工图内容，只进行接线图设计）。

本节设计内容设计前需要查询大量仪表设备资料，根据系统需要选择自己认为最合适的设备，再进行接线图设计。希望同学能够利用所学知识和可获得的资料，设计、选择与现有实验系统不同的特色方案，并进行比较分析。对有特色方案将在评分时考虑加分。

在实际工程中，除仪表设备选型外，还有系统软件的选型工作。本次设计如果不进行验

证实验可以不包括该项内容。

2图纸内容与要求

2.1控制系统检测控制原理图

绘制控制系统原理图包括两个内容：

z控制系统检测控制原理图；

z控制系统方框图。

检测控制原理图绘图规范参考附录A～B。控制系统方框图绘制方法和规范见《过程控制》教材相关内容。

2.2控制系统接线图

检测控制接线图绘图规范参考附录C。参考实例，采用呼应法绘制各个设备的接线图。

3编程实现及实验验证

本节内容根据个人情况选作。

控制系统设计好后，系统成套商依据设计图纸进行设备元件采购、制造和装配，按照设计要求提供成套的设备。接下来的工作就是根据成套系统提供的开发平台，进行控制方案的编程实现和系统调试工作。并验证控制系统是否达到设计精度要求。

4课程设计参考题目

4.1温度控制系统设计

1）单回路+串级控制

2）单回路+Smith预估控制

3）单回路+两位控制

4.2水位控制控制系统设计

1）多水箱单回路控制+解耦控制

2）单回路控制+Smith预估控制

3）单回路控制+前馈反馈控制

4）单回路控制+串级水位控制

5）流量比值控制+变频器控制设计

每组同学人数不超过四个，每组一个不同的题目。

附录A 控制系统检测控制原理图绘制规范

又常被称为管道及仪表流程（P&ID）图和工艺控制流程图。管道仪表流程图画法规定如下：

1）管道及仪表流程图适用于化工工艺装置，是用示的方法把化工工艺流程所需的全部设备、机器、管道及管件和仪表表示出来。它是设计和施工的依据，也是运行和检修的指南。

2）分类

管道及仪表流程图分类

（1）工艺管道及仪表流程图

（2）辅助系统管道及仪表流程图

工艺管道及仪表流程图是以工艺管道及仪表为主体流程图。

3）图幅

管道及仪表流程图采用AL，横幅绘制、数量不限。

4）比例：

（1）一般设备（机器）图只取相对比例。

（2）实际尺寸过大设备（机器）适用小。

（3）实际尺寸过小适当放大。

（4）可相对示意出各设备位置的高低。

（5）整个图面要协调、美观。

5）相同系统的绘制

（1）当一个流程中包括两个或两个以上相同的系统时，可只画出一个系统的流程图，其余系统以细双点划线的方框图表示。框内注明系统名称及编号。

（2）当流程复杂时，可以绘制一张单独的局部系统流程图。在点流程图采用细双点画线方框表示。框内说明系统名称、编号和局部系统流程图图号。

6）图线和字体

图线：

（1）工艺物料线用粗实线。

（2）设备、阀门用细实线。

（3）其余用细实线。

字体：

（3）图纸和表框中所有文字（数字）书写必须字体端正。笔画清楚、排列整齐、间距均匀、粗细均匀。符合国际GB4457-3要求。

（4）文字徒手书写，但工程特殊规定时可用摸板写。

（5）汉字要尽可能写成仿宋或写成正楷（签名设计）。并要以国家正式公布简化汉字为准。

（6）字号（字体高度）

图标中的图名、视图符号：7mm

工程名称： 5mm

文字说明及轴线号： 5mm

数字及字母： 3.5mm

图纸中数字及字母3、3.5mm

表格中的文字： 5mm

表格中的文字（格小于6mm）:3.5mm

外文字母必须全部大写、不能写单书。（大小同上）

7）图中设备机器按设计规定HG20519，31-92绘制只取相对大小，按实物比例。

8）图中设备、机器的位置安排要便于管道连接标注、其相互间物流关系密切者（如高位槽液体自流入储罐、液体由原流入塔顶等）的高低位置与设备实际布置相吻合。

9）设备位号标注：

（1）在图上下方标注。要求排列整齐、并尽可能正对设备，在位号下方标注设备名称。

（2）在设备内或其近房，此处仅标注位号、不注名称。

（3）几个设备或为垂直排列时，它的位号和名称可以由上而下按顺序标注，也可水平标注。

10）绘出和标注全部检测点，调节系统。

（1）绘制、标注全部工艺有关的检测仪表、调节系统。

（2）符号、代号、表示方法必须符合自控专业要求。（过程检测、控制流程图、图形符号和文字代号）。

附录B过程检测、控制流程图图形符号和文字代号规范

1）自控专业施工图采用符号

（1）自控专业符号：它是用来自控设计中的各种图纸文件，表达检测、自控系统及工业仪表。见图形标准：GB2625-81

（2）电气符号：用于供电设备连锁系统段布置图表达电气设备元件。

2）字母代号

测量变量和仪表功能的字母代号。

（1）共26字母，每个字母，一般有2~3个作用。

如：A、第一个字母为分析，后继为报警。

LA、液位报警。液位，低报警。

第一个字母 修饰词后继字母（功能）例

A 分析报警

C 电导率控制（调节）-压力控制 PRC

E 电压检测元件TE-401

F 流量

H 手动（人工触发）

I 电流指示PI

K 时间操作器

L 物位灯（指示灯）

M 水分温度

P 压力实验点

Q 数量、件数

R 放射性记录、打印

S 速度频率安全开关、连锁（手动操作开关）

T 温度传送

U 复变量

V 粘度阀门

W 重力

X 粉类

Z 位置执行器

后继字母：顺序I、R、C、T、Q、S、A

3）仪表位号书写规律

(1) 仪表圆圈

仪表圆圈直径为10MM，必要时可适当大缩小

(2) 仪表安装位

就地安装盘面、盘后安装

控制室盘面、盘后安装

嵌在管道中安装

(3) 仪表位号

在检测、控制回路中，构成回路的每一块仪表都有自己的仪表位号。仪表位号是由字母及阿拉伯数字编号组成。

第一字母表示被测变量及后继字母（功能），第二数字：安装置和工段编号。

T R C----1 2 1

T---变量字母代号，R---C---功能字母代号，1---工段或装置，21同一变量的序号。

附录C 端子接线图规范

内容：根据《自控专业施工图设计内容深度规定》[HG20506-92]，对电动仪表可以用仪表回路接线图+仪表盘背面电气接线图来表达工程的接线关系。包括仪表盘、操作台、继电器盘、端子柜和供电箱等输入输出端子配线。

编制时间：P&ID图发表以后。

1）端子配线图校核内容：

（1）供电系统和可靠性，电压种类和等级、容量、符合各种仪表用电要求。

（2）供电设备信号、型号、输入/输出的电压种类、等级、容量、标注完整、正确、并与供电箱接线图一致。

（3）确标注电气专业提供的仪表来源来只的配线室名称，配电信号，供电回路号和编号与规格等。

2） 连接的表达式：

（1）直接线法：优点直观、缺点图面线条多、适用仪表盘上仪表少的情况

（2）单元接线法：

将仪表盘上有联系且安装位置相互靠近仪表画为一个单元，以虚线将它们框起来，并给单元编号，每个单元内部连线不画出来，每个单元与其他单元或接线端子排以短线连接，在短线上画小圆圈，圆圈内注明电缆根数。图面连接简单，但不能表达仪表间的连接关系。（3）相对呼应接线法：

首先对仪表盘上的端子排、仪表盘盘面和仪表盘盘后架装仪表进行编号。

绘制端子并编号，在相应端子上画短线。

在短线上标出对方连接点的编号（呼），同时对方连接点上标上本方的编号。

3）背面电气接线图画法

（1）仪表盘背电气接线图上各个仪表应按布置绘制其轮廓，即仪表盘盘面安装的仪表正面布置图的背（正面布置图的主轴镜向反转）视图绘制。

（2）仪表盘盘后架装仪表、按仪表盘后框架正面布置图绘制。

（3）可不按比例绘制仪表轮廓、但应遵循相对位置准确，轮廓准确的原则。‘相对位置准确’---不能将表盘上部仪表画在下部分---不能将盘面（正面）左部仪表画在背面左部。‘轮廓准确’---不能将长方形画成图形或正方形。

（4）仪表盘背面电气接线图上各个仪表应接线图布置，即在同一接线面仪表，应画在同一区域内，如：安装在表盘上仪表为一个接线图，盘后架框仪表另一个接线面，如有些变送器安装在盘后中区框架上则又是一个平面。如在同一个接线平面，可用虚线框起并用文字注明安装位置。

（5）仪表盘上（正、背）都需注明仪表位号、型号。

（6）所有仪表指明一个中间编号：A1、A2、、、、An从左至右、从上至下。

（7）仪表盘上信号端子、电源端子、接线端子，按规定需进行编号：SX—信号电源箱端子PX 按纽AN等

（8）图中粗实线---绘制仪表、电气设备、元件细实线—绘制电气接线引出电线、电缆用粗实线。

（9）呼应编号不应超过8个字母。

（10）引入、引出电缆应标明方向。

（11）仪表、电气元件等连线如需跨盘应下接线端子再跨盘连接。

（12）列出电气设备表。

附录D 可行性报告实例

以下是一个简单的可行性报告实例。

“目前，本钢焦化厂采用的控制系统是1990年投入使用的英国欧陆公司生产的以6382回路控制器为核心的集散控制系统，十多年来取得了良好的运行效果。但随着控制设备的老化，控制系统开始出现一些问题，同型号控制器早已停产，配件无法购买，控制系统存在着许多显见的问题和潜在的隐患，因此，控制系统的改造势在必行。

根据本钢焦化厂精苯蒸馏过程模拟回路多而数字信号少的特点，考虑新系统的先进性、实用性、可靠性等要求，选用了英国欧陆公司生产的新一代控制单元(T103)为核心的系统结构，完成后可达到当代自动控制系统的先进水平。

鉴于精苯蒸馏过程对自动化水平要求较高，系统选择首先应该考虑稳定可靠；其次，由于控制回路较多而数字输入/输出点非常少，因而选择集散控制系统最为合适；此外所选系统设备必须是能够代表当今自动化行业先进水平的产品。

其中，现场控制级由两套英国欧陆公司的T103控制单元组成，分别完成局部工艺流程的回路控制和检测；过程控制级由一台过程监控站构成，借助上位机软件分别实现对整个流程的编程、监控、操作等功能。”

附录E 控制系统原理图实例

图E-1 单回路控制系统检测控制原理图（1）

图E-2单回路控制系统检测控制原理图（2）附录F 控制系统方框图实例

图F-1单回路控制系统方框图（1）

图F-2单回路控制系统方框图（2）

附录G 仪表选型实例

根据实际需要选定设备具体型号，必要时进行比较分析。

双输入双输出温度控制对象是一个立式实验电炉。它的原型是特钢厂中测试航空用高温合金性能的"高温持久试验机"上的电炉,见图G-1。

电炉瓷套管外壁由上、下二组各500W的电热丝加热(在数学模型中称之双输入),经多容热力过程的温度传递,去加热安装在瓷套管中心的钢试样及其夹具,在钢试样表面相距25mm 处安装二支K(EU-2)分度号的铠装热电偶测钢表面温度(在数学模型中称之为双输出)。工艺要求在400~900℃的温度范围内,这二点温度各自的控制误差<±4℃,二点温度之差|Tl-T2|<4℃,即占炉高8%~10%的钢试样有很小的温度梯度。

二支K热电偶信号AI1、AI2送900系列单回路控制器，通过RS485接口送用户计算机，用户可用现代控制论建立双输入双输出的数字模型用计算机进行解耦控制，计算机输出再送到控制器，并以4~20mA的A01、A02接至本对象的晶闸管SCR移相调控中转换成0~220V AC的电压变化实现闭环控制。该实验还可以脱离计算机进行。

图G-1 炉温实验系统原理图

附录H 端子接线图实例

图H-1直接连线端子接线图图例

图H-2 呼应法（统一编号）端子接线图图例（PART I）

图H-3 呼应法（统一编号）端子接线图图例（PART II）