课程设计名称：过程控制与自动化仪表课程设计题目：管式换热器恒温控制系统设计
专业：电气工程及其自动化
班级：自动化
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学号：
课程设计任务书
xxxxxx大学
课程设计成绩评定表
摘要
过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。
当前，过程控制已进入全新的、基于网络的计算机集成过程控制时代。DIPS是以企业整体优化为目标，以计算机及网络为主要技术工具，以生产过程的管理与控制为主要内容，将过去传统自动化的“孤岛”模式集成为一个有机整体，而网络技术、数据库技术、分布式控制、先进过程控制策略、智能控制等则成为实现CIPS的重要基础。可以预见，过程控制将在我国现代化建设过程中得到更快的发展和发挥越来越重要的作用。
本设计以过程控制理论为基础，全面阐述在工业生产过程中，换热器温度控制系统的设计过程，包括对被控参数、控制参数、调节器和调节阀的选定、调节器参数整定等相关方面的设计。
关键词：过程控制；工业生产；换热器
目录
1前言 (1)
2 控制方案的确定 (2)
2.1恒温控制系统生产工艺要求 (2)
2.2控制参数与被控参数的选择 (2)
2.2.1被控参数的选择 (2)
2.2.2 控制参数的选择 (2)
2.3系统原理图及方框图 (2)
2.3.1控制系统控制结构图 (2)
2.3.2系统框图 (3)
3测量仪表的选择 (4)
3.1变送器的选择 (4)
3.2调节阀的选择 (4)
3.2.1 调节阀的启开气关形式 (4)
3.2.2 调节阀的流量特性 (4)
3.2.3 调节阀的理想流量特性 (5)
3.3调节器的选择 (5)
3.3.1 调节规律的选择 (5)
3.3.2 调节器仪表的选择 (5)
3.3.3 调节器的内部结构 (6)
4调节器的参数整定 (11)
5结论 (12)
6设计体会 (13)
参考文献 (14)
1前言
20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。
当前，过程控制已进入全新的、基于网络的计算机集成过程控制时代。DIPS是以企业整体优化为目标，以计算机及网络为主要技术工具，以生产过程的管理与控制为主要内容，将过去传统自动化的“孤岛”模式集成为一个有机整体，而网络技术、数据库技术、分布式控制、先进过程控制策略、智能控制等则成为实现CIPS的重要基础。可以预见，过程控制将在我国现代化建设过程中得到更快的发展和发挥越来越重要的作用。
本设计以过程控制理论为基础，阐述在工业生产过程中，换热器温度控制系统的设计过程，包括对被控参数、控制参数、数学模型的建立、调节器和调节阀的选定、调节器参数整定等相关方面的设计。
2 控制方案的确定
2.1 恒温控制系统生产工艺要求
在工业生产用，往往需要对液体进行温度控制。图2-1是管式换热器恒温控制系统的结构图。其工艺要求用蒸汽将进入其中的冷水加热到一定温度，并将热水温度维持在一定范围内(C T C ??+≤?≤11-)。
图2-1 管式恒温控制系统原理图
2.2 控制参数与被控参数的选择 2.2.1 被控参数的选择
被控参数的选择对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都具有决定性的意义。如果被控参数选取不当，无论是此何种控制方法，还是采用何种先进的检测仪表，都难以达到预期的控制效果。
对于本系统，由于要对经换热器后的热水的温度进行控制，所以根据生产工艺的要求，选取换热器出口温度作为直接被控参数。设置合理的调节器对换热器的出口温度进行控制。
2.2.2 控制参数的选择
由换热器控制系统的工作原理可知，影响影响换热器的出口温度的参数有两个，一个是冷水的流入量，再一个是热蒸汽的流入量。调节这两个参数均可以控制换热器出口的温度。但是根据生产工艺可知，流入乙烯裂解气的流量是一定的，所以选取热蒸汽的流入量作为控制参数。
2.3 系统原理图及方框图 2.
3.1 控制系统控制结构图
恒温控制系统结构图如图2-2所示
图2-2系统控制结构图
2.3.2系统框图
控制系统框图如图 2-3所示
X(s) Y(s)
()s G
C
()s
G
V
()s
G
O
()s
G
m
图2-3 控制系统框图
3测量仪表的选择
3.1变送器的选择
根据生产工艺的要求，宜选用DDZ-III型仪表。采用24V直流电源集中统一供电，整套仪表可构成安全火花防爆系统，而且增加了安全单元─安全保持器，实现了控制室与危险场所之间的能量限制与隔离，使仪表无论在正常运行，还是在事故状态下，都不会引爆，仪表
的安全性、可靠性显著提高。采用国际标准信号制，现场传输信号为4-20mA 直流电流，控制室联络信号为1-5V 直流电压，信号电流和信号电压的转换电阻为250Ω。
测温原件及变送器的选择。因为被控温度在150C o
以下，故选用热电阻温度计。为提高精度，采用三线制接法，并配用温度变送器。
3.2 调节阀的选择
3.2.1 调节阀的启开气关形式
气开是指当气压信号p>0.02MPa 时，阀由关闭状态逐渐打开；气关则相反，即当气压信号p>0.02MPa 时，阀由全开状态逐渐关闭。
由于执行机构有正、反作用两种方式，阀体也有正、反两种形式。所以，执行期的“气开”、“气关”有四种构成方式，如图3-1所示：
图3-1 气开、气关示意图
调节阀的气开、气关选择，主要从工艺生产的安全来考虑。换句话说，当发生断电或其他故障引起控制信号中断是，执行器的工作状态应避免损坏设备和伤害操作人员。
对于本系统，当控制信号为零时，要求蒸汽的进入量亦为零，避免当控制信号中断时，换热器由于进入的热蒸汽使其温度过高而发生事故。故调节阀应选用气开式调节阀。
3.2.2 调节阀的流量特性
调节阀的流量特性是指流体通过阀门的相对流量与阀门的相对开度 数学表达式为
??
? ??=L l f q q max
3.2.3 调节阀的理想流量特性
理想流量特性是指调节阀前后压差保持不变时得到的流量特性
（1）直线流量特性：指流过调节阀的相对流量与阀门的相对开度成直线关系，即阀杆单位行程变化所引起的流量变化是常数。其数学表达式为
K l l d q q d =???
? ?????? ??max
max
（2）对数流量特性（等百分比）流量特性是指单位行程变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比关系，其数学表达式为：
V K q q K l l d q q d ==???
? ?????? ??max
1max
max
（3）快开流量特性是在小开度时，就有较大流量，随着开度的增加，流量很快就增加到最大，此后再增加开度，流量的变化很小。其数学表达式为：
1
max 2max max
l l d q q d -????
??=?
??
? ?????
? ??q q K 综合以上调节阀的流量特性分析可知，选用对数流量特性的调节阀更为适宜。
3.3 调节器的选择 3.3.1 调节规律的选择
在工程实际中，应用最为广泛的调节规律为比例、积分和微分调节规律，简称PID 。即使是科学技术飞速发展、许多新的控制方法不断涌现的今天，PID 仍作为最基本的控制方式显示出强大的生命力。 其数学表达式为：
???
? ?
?++
=?dt de T edt
T e u D
t
I
11δ 其相应的传递函数为：
()???
? ??++=
s T s T s G D I C 1
11δ 其中δ为比例度，I T 为积分时间，D T 为微分时间
PID 调节提高了系统的误差度，为动态性能改善提供了可能。因此，PID 兼顾了静态和动态两个方面的控制要求，因而能取得较为满意的调节效果。所以本设计采用PID 调节规律。
3.3.2 调节器仪表的选择
根据设计要求，选用DDZ-III 型PID 基型调节器 DDZ-III 调节器的主要技术参数有：
测量信号：1-5V DC ； 外给定信号：4-20mA DC; 内给定信号：1-5V DC ； 测量与给定的指示精度： 1%;
输入阻抗影响： 满刻度的0.1% 输出保持特性：-0.1%/h; 输出信号：4-20mA DC; 调节精度： 0.5%; 负载电阻：205-750
3.3.3 调节器的内部结构
由图3-2输入电路可知，给定信号V S 和以零伏（地）为基准的V i ，分别通过两对并联输入电阻R 加到运算放大器的正、反输入端，其输出是以10V 为基准的电压信号，它一方面作为下一级电路的输入，另一方面则取出输出电压的一半通过反馈电阻反馈到输入端。
图3-2 输入电路
设放大器为理想的放大器，其输入阻抗为无穷大，T 点与F 点同电位，即V
V F
T =,由
'
'
'3
2
1
I I I =
+和I
I
I 3
2
1=
+，可得：
R
R
R
V V V
V V V B O F
F
F
i )
2
1
(
01
+-=
-+
-
R
R
R
V V V V V
B
T
T
s
T
-=
-+
-0
经整理有：
)(21
V V V
s i o --=
由以上过程可知：
1）输入电路能实现测量值与给定值的相减，获得放大两倍的偏差信号。
2）输入电路将两个以零伏为基准的输入电压，转换成以电平V B 为基准的偏差电压，实现了
电平的移动。
比例积分电路如图3-3所示。它接收以10V 为基准的电信号V O 1
，进行PI 运算后，输出
以10V 为基准的1-5V 电压V
O 2
，送至输出电路。根据基尔霍夫第一定律，输出量与输入量之
间的拉氏变换为：
01
)
()()
()(1
)
()(1
1
1
=-+
-+
-S
s s s m
s S
s s C
V V
R
V
V
C V V
M
F
o I
F
o I F
o （3-1）
式中，m=1或m=10.对于运算放大器，则有：
)()(2
s K s V
V
F
o -= （3-2）
式中，K 为放大器增益。
将式(3-1)代入式(3-2)，经整理后可得：
s
K
K
s m
s s C
R C
C
C
R C
C
v
V M
I
M
I I I
M
I o o 1
)1(11)
11()()(1
2+
+
+
+
-
=
由于510≥K ，所以有
1)1(1<<+
C
C M
I K ,若忽略不计，则有：
S
S
T
K T
C
C V
V I
I
I
M
I o 1
11
101
2++-
= （3-3）
式中，K I 为积分增益，C C K I M I m K /=;T I 为积分时间，C R T I I I m =。式（3-3）为具有饱和特性的比例积分调节器的传递函数。由式（）可见，由于增加了积分时间环节，积分时间有两档。当置于‘1?’档时相当于m=1；当置于‘1?0’档时相当于m=10.
a ）
b ）
图3-3简化的比例积分电路： a ）? ‘1’ b ）? ‘10’
调节器的输出电路如图3-4所示。其输入信号是经过PI 运算、以电平V B 为基准的1-5V DC 的电压信号V
O 2
，输出是经过一端接地的负载电阻R L 的4-20mA DC 电流I o 。
图3-4 输出电路
在图3-3所示电路中，设KΩ
==
104
3
R
R ,R R R 3
2
1
4==
,则用理想放大器的分析方法可
得：
V V V V R R
R V
V
B
B
B T
245
45
1
2422
3
?+
=
++
-=
R
V
V
V R
V
V
V R
V
V
B
o F
B
o F
F
f
44
31
34
--=
--=
- (3-4)
由式（3-4）中的第二式可得
)(5
15
4
3
V
V
V V
o B
f
F
++
=
（3-5）
根据V V f T ≈、式（3-4）中的第一式和式（3-5）可得
V V
o f
V 3
4
1
24-
= （3-6）
又直接从图中可知
R
I V
f
o
f
V '24-
= （3-7）
由式（3-6）和（3-7）解得
V
V I f
o O
43'
=
（3-8）
若忽略反馈支路中的电流I f 和晶体管基极电流I B ，则有
'
I I
o
o
≈
（3-9）
进而有
V
V I
f
o O
43=
（3-10）
若Ω=5.62R f ，当V
o 3
=1-5V 时，输出电流则为4-20mA DC,其输入/输出的传递系数为250
1
。
理论分析表明，晶体管基极电流I B 一般可以忽略，但若忽略反馈支路中的电流I f 时则会产生较大的输出误差。由图可知，反馈支路中的电流I f 为：
R
V
V I
F
f
f
4
-=
（3-11）
以mA I o 4'=时为例，V f 的值可由式（3-7）计算，即：
V V V
f
75.23)5.6210
424(3
=??-=- （3-12）
而V F 的值由式（3-4）中的V T 计算，即：
V V V
V
f
T
2.21)245
4
1051(=?+?=≈ （3-13） 将V f 、V
F
的值代入式（3-11），可得：
mA mA I
f
225.010
102.2175.233
=?-=
（3-14）
可见I f 约占'I O 的 6.4%，忽略它将产生较大的输出误差。为了提高转换精度，应使
R R
2
1
≠
。可以证明，当KΩ=+=25.40)(431R R R f 时，便可精确地获得转换关系式（3-10）
。
通过上面的讨论，输入电路、PI 运算电路、输出电路的传递函数都以获得，整个调节器结构框图如图3-3所示：
其整机传递函数为：
250
11
11
12
)
()()()(?++=-=
S
S
s s s s T
K T
C
C V V
I G I
I
I
M
I s i
o C
4 调节器的参数整定
调节器的参数整定主要有工程整定法、最佳整定法和经验法三种。其中，工程整定法又有临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法。本设计主要利用临界比例度法对调节器参数进行整定。
临界比例度法是一种闭环整定方法。由于改方法直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性，其方法简单、实用方便，因而获得了广泛应用。具体整定步骤如下：
系统的特征方程:
()()0s 1P =+s G G C
令ωj s =
带入系统特征方程得：
()()01=+ωωj G j G P C
其中()ωj G K C ck =
于是求出k
ck K δ1
=
和1C ω
由表4-1求出待整定参数δ、I T 、D T
5结论
在过程控制系统的分析和设计中，深入了解被控过程的工艺特点及其要求非常重要。不同的被控过程在控制方式和控制品质方面存在差异，即使是同一类型的被控过程，由于其规模、容量、干扰来源及性质等不同，控制差异也会存在差异。
在本设计中，充分考虑丙烯换热器温度控制系统的生产工艺要求，对各项参数都进行了详细的讨论。其中，被控参数选择换热器出口温度作为直接被控参数，控制参数选择液态丙烯的进入流量，调节阀选择PID调节规律，选择DDZ-III型温度调节器，采用气关式对数流量特性调节阀。最后利用临界比例度法对该控制系统做了调节器的参数整定。是该控制系统最终达到了预期的控制目标。
6设计体会
经过一周的努力，我终于完成了本次课程设计的设计任务。在设计的过程中,遇到了许多理论上的和实际上的问题,发现平时的理论课学习还不够充分和扎实,理论和实际相脱节.经过本次设计,在实际应用问题上充分运用了理论知识做指导,而这次设计也为理论做了广泛的延伸和深化.
设计时遇到了许多问题,在这里要感谢指导老师的帮助与指导,使我完成了整个设计,使我更加对课程设计增强了兴趣,巩固我的知识储备,使我在实际中得到锻炼,更加增进我集体协作的精神.
通过设计，锻炼了我的动手能力，开发了我的思维，课程设计使我们每一个学生针对这一技术工作的实践上升到一个高度，认识到从事技术工作应持有的工作态度和应具备的知识素质，还有利于促进我们今后的自觉学习，为适应将来的工作打好坚实的基础。我希望以后能多有这样的机会做课程设计，使我在熟悉课本知识的同时提高工作效率，培养自己独立设计能力,培养自己成为一个全面发展的应用型人才。
参考文献
[1] 潘永湘，杨延西，赵跃.《过程控制与自动化仪表》（第2版）.北京：机械工业出版社，
2007.
[2] 杨立明，张光新.化工自动化及仪表[M].北京:化学工业出版社，2004.
[3] 王树清，等.工业过程控制工程[M].北京：化学工业出版社，2003.
填空30 问答20 分析10 设计15 计算分析25 第一章： 什么是过程控制？过程控制是生产过程自动化的简称。它泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。 过程控制系统的组成：被控对象和自动化仪表（包括计算机）两部分组成。（被控参数，控制参数，干扰量f(t)，设定值r(t)，反馈值z(t)，偏差e(t)，控制作用u(t)） 过程控制系统的分类：按结构不同：（1）反馈控制系统（2）前馈控制系统（3）前馈-反馈复合控制系统；按定值不同：（1）定值控制系统（2）随动控制系统（3）顺序控制系统 过程控制系统的性能指标：根据稳定性、快速性、准确性的要求提出以下 单向性能指标：（1）衰减比（2）最大动态偏差和超调量（3）参与偏差（4）调节时间、峰值时间和振荡频率 综合性能指标：（1）偏差绝对值积分IAE（2）偏差平方积分ISE（3）偏差绝对值与时间乘积积分ITAE（4）时间乘偏差平方积分ITSE 第二章： 检测误差的类型、怎样克服？ 1、检测误差的描述 （1）真值所谓真值是指被测物理量的真实（或客观）取值。在当前现行的检测体系中，许多物理量的真值是按国际公认的公式认定的，即用所谓“认定设备”的检测结果作为真值。（2）最大绝对误差绝对误差是指仪表的实测示值x与真值x a的最大差值，记作△，即△=x-x a （3）相对误差δ=△/x a *100% （4）引用误差γ=△/（x max-x min）*100% （5）基本误差基本误差是指仪表在国家规定的标准条件下使用时所出现的误差。 （6）附加误差附加误差是指仪表的使用条件偏离了规定的标准条件所出现的误差。 2、检测误差的规律性 （1）系统误差系统误差是指对同一被测参数进行多次重复测量时，按一定规律出现的误差。克服系统误差的有效方法之一是利用负反馈结构。 （2）随机误差或统计误差当对同一被测参数进行多次重复测量时，误差绝对值的大小和符号不可预知地随机变化，但就总体而言具有一定的统计规律性，通常将这种误差称为随机误差或统计误差。引起随机误差的原因很多且难以掌握，一般无法预知，只能用概率和数理统计的方法计算它出现的可能性的大小，并设计合适的滤波器进行消除。 （3）粗大误差又称疏忽误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起的。对于粗大误差，首先应设法判断是否存在，然后再将其剔除。 检测仪表的组成：传感器、变送器 检测仪表的基本特性 固有特性：（1）精确度及其等级（2）非线性误差（3）变差（4）灵敏度和分辨力（5）漂移（6）动态误差
绪论 ●自动化仪表指哪一类仪表?什么叫单元组合式仪表? 答:a:是由若干自动化元件构成的,具有较完善功能的自动化技术工具.b:由具有不同功能的若干单元仪表按调节系统具体要求组合而成的自动调节仪表. ●DDZ-II型与DDZ-III型仪表的电压.电流信号传输标准是什么?在现场与控制室之间采用直流电流传输信号有什么好处? 答:在DDZ-I型和DDZ-II型以表中采用0~10mA直流电流作为标准信号,而在DDZ-III型和DDZ-S型仪表中,采用国际上统一的4~20mA直流电流作为标准信号.这两种标准信号都以直流电流作为联络信号.采用直流信号的优点是传输过程中易于和交流感应干扰相区别,且不存在相移问题,可不受传输线中电感.电容和负载性质的限制.采用电流制的优点首先可以不受传输线及负载电阻变化的影响,适于信号的远距离传送;其次由于电动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成的,使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力.此外,对于要求电压输入的仪表和元件,只要在电流回路中串联电阻便可得到电压信号,故使用比较灵活. ●什么叫两线制变送器?它与传统的四线制变送器相比有什么优点?试举例画出两线制变送器的基本结构,说明其必要的组成部分. 答:a.就是将供电的电源线与信号的传输线合并起来,一共只用两根导线.b. 1有利于识别仪表的断电断线等故障2不仅节省电缆布线方便,而且大大有利与安全防爆易抗干扰.3上限值较大,有利于抑制干扰4上下限的比值为5:1与气动仪表信号制对应,便于相互折算,产生较大的磁力c.图. ●什么是仪表的精确度?试问一台量程为-100~+100℃.精确度为0.5级的测量仪表,在量程围的最大误差为多少? 答:模拟式仪表的合理精确度,应该以测量围中最大的绝对误差和该仪表的测量围之比来衡量,这种比值称为相对百分误差,仪表工业规定,去掉百分误差的%,称为仪表精确度.一般选用相对误差评定,看相对百分比,相对误差越小精度越高.x/(100+100)=0.5%x=1℃. 1-1试述热电偶的测温原理，工业上常用的测温热电偶有哪几种？什么热电偶的分度号？在什么情况下要使用补偿导线？ 答：a、当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时，若两个接点温度不同，回路中就会出现热电动势，并产生电流。 b、铂极其合金，镍铬-镍硅，镍铬-康铜，铜-康铜。 c、分度号是用来反应温度传感器在测量温度围温度变化为传感器电压或电阻值变化的标准数列。 d、在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势时，自动补偿冷端温度变化，以保证测量精度，为了节约，作为热偶丝在低温区的替代品。 1-2热电阻测温有什么特点？为什么热电阻要用三线接法？ 答：a、在-200到+500摄氏度围精度高，性能稳定可靠，不需要冷端温度补偿,测温围比热电偶低，存在非线性。 b、连接导线为铜线，环境温度变化，则阻值变，若采用平衡电桥三线连接，连线R使桥路电阻变化相同，则桥路的输出不变，即确保检流计的输出为被测温度的输出。 1-3说明热电偶温度变送器的基本结构，工作原理以及实现冷端温度补偿的方法。在什么情况下要做零点迁移？ 答：a、结构：其核心是一个直流低电平电压-电流变换器，大体上都可分为输入电路、放大电路及反馈电路三部分。
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 自动化仪表与过程控制课后答案 自动化仪表与过程控制课后答案 0-1 自动化仪表是指哪一类仪表？什么叫单元组合式仪表？自动化仪表:是由若干自动化元件构成的，具有较完善功能的自动化技术工具单元组合式调节仪表 : 由具有不同功能的若干单元仪表按调节系统具体要求组合而成的自动调节仪表 0-2DDZ-II 型与 DDZ-III 型仪表的电压,电流信号输出标准是什么？在现场与控制室之间采用直流电流传输信号有什么好处？ P5 第二段 0-3 什么叫两线制变送器？它与传统的四线制变送器相比有什么优点？试举例画出两线制变送器的基本结构,说明其必要的组成部分？ P5~6 0-4 什么是仪表的精确度？试问一台量程为-100~100C,精确度为 0.5 级的测量仪表,在量程范围内的最大误差为多少？一般选用相对误差评定，看相对百分比，相对误差越小精度越高 x/(100+100)=0.5% x=1 摄氏度 1-1 试述热电偶的测温原理,工业上常用的测温热电偶有哪几种？什么叫热电偶的分度号？在什么情况下要使用补偿导线？答：a、当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时，若两个接点温度不同，回路中就会出现热电动势，并产生电流。 b、铂极其合金，镍铬-镍硅，镍铬-康铜，铜-康铜。 c、分度号是用来反应温度传感器在测量温度范围内温度变化为传感器电压或电阻值变化的标准数列。 d、在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势时，自动补偿 1/ 11
目录 摘要 (2) 1绪论 (3) 引言 (3) 电容式液位测量技术的发展 (4) 电容式液位测量现状 (4) 电容式液位测量存在的问题 (5) 电容式液位传感器的发展趋势 (5) 2本设计的电容式液位测量方法 (6) 测量原理及实现思路 (6) 液体的物理参数对液位测量的影响 (8) 极板设计 (9) 液位测量系统的基本构成 (11) 3硬件设计 (12) 电源电路设计 (12) 电容测量电路设计 (13)
放大调零电路设计 (14) A/D转换电路设计 (16) 4误差分析 (17) 电容测量误差对精度的影响 (17) 影响液位测量的主要因素 (18) 5总结 (19) 参考文献 (20) 摘要 在工业自动化生产过程中，为了实现安全快速有效优质的生产，经常需要对液位进行精确测量，继而进行自动调节、智能控制使生产结果更趋完善。 通常进行液位测量的方法有二十多种，分为直接法和间接法。直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。然而随着工业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测量方法取代。目前国内外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，如浮子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。其中电容式液位测量价格低廉、结构简单，是间接测量方法中最常用的方法之一。
本设计采用一种与介质无关的电容式液位测量方法，解决了传统电容测量与被测介质有关的技术难题。它可以应用于动态液位测量，尤其是在被测液体本身介质常数和液位，随时间和环境等因素容易发生变化的场合，如车用燃油油位的计量，从而向当今高精度、数字化、集成化、智能化的科学技术全面发展更迈进了一步，对满足石油化工等液位检测领域的迫切需求具有重大的理论和应用价值，前景十分广阔。 消除电容式液位测量方法中介质介电常数的因素是关键，设计符合测量方法的电容极板，通过电容电压转换电路处理为直流电压信号，由数据采集卡采集后送入单片机或计算机，最终实现算法的设计。其中电容极板设计时需注意消除和减小边缘效应和寄生电容的影响，同时要保证平板电容良好的绝缘性能和抗外界干扰性。 最后在整体设计和理论分析的基础之上，从硬件各部分进行具体的设计，包括硬件电路和各环节的信号量匹配等。通过理论计算和数据分析，验证了此液位仪具有良好的性能，达到了要求的技术指标，同时指出了需要改进和完善的地方。 1绪论
1 设计目的 (2) 2 设计容与条件 (2) 2.1 设计容 (2) 2.2 设计条件 (2) 3 滞后校正特性及设计一般步骤 (2) 3.1 滞后特性校正 (2) 3.2滞后校正设计一般步骤 (3) 4 校正系统分析 (3) 4.1校正参数确定 (3) 4.2校正前后系统特征根及图像 (6) 4.3 函数动态性能指标及其图像 (10) 4.4系统校正前后根轨迹及其图像 (11) 4.5 Nyquist图 (12) 4.6 Bode图 (15) 5 设计心得体会 (17) 6 设计主要参考文献 (18)
串联滞后校正装置设计 1、设计目的： 1) 了解控制系统设计的一般方法、步骤。 2) 掌握对系统进行稳定性分析、稳态误差分析以及动态特性分析的方法。 3) 掌握利用MATLAB 对控制理论容进行分析和研究的技能。 4) 提高分析问题解决问题的能力。 2、设计容与条件： 2.1设计容： 1) 阅读有关资料。 2) 对系统进行稳定性分析、稳态误差分析以及动态特性分析。 3) 绘制根轨迹图、Bode 图、Nyquist 图。 4) 设计校正系统，满足工作要求。 2.2设计条件： 已知单位负反馈系统的开环传递函数0 K G(S)S(0.0625S 1)(0.2S 1) = ++， 试用频率法设计 串联滞后校正装置，使系统的相位裕度050γ=，静态速度误差系数1 v K 40s -=，增 益欲度>17dB 。 3、滞后校正特性及设计一般步骤： 3.1滞后特性校正： 滞后校正就是在前向通道中串联传递函数为)(s G c 的校正装置来校正控制系统，)(s G c 的表达式如下所示。 1,11)(<++= a Ts aTs s G c 其中，参数a 、T 可调。滞后校正的高频段是负增益，因此，滞后校正对系统中高频噪声有削弱作用，增强了抗干扰能力。可以利用滞后校正的这一低通滤波所造成的高频衰减特性，降低系统的截止频率，提高系统的相位裕度，以改善系统的暂态性能。 滞后校正的基本原理是利用滞后网络的高频幅值衰减特性使系统截止频率下降，从而使系统获得足够的相位裕度。或者，是利用滞后网络的低通滤波特性，
1：串级控制系统参数整定步骤应为（）。 1.先主环，后副环 2.先副环后主环 3.只整定副环 4.没有先后顺序 2：仪表的精度等级指的是仪表的（） 1.误差 2.基本误差 3.允许误差 4.基本误差的最大允许值 3：串级控制系统主、副回路各有一个控制器。副控制器的给定值为（） 1.恒定不变 2.由主控制器输出校正 3.由副参数校正 4.由干扰决定 4：用K分度号的热偶和与其匹配的补偿导线测量温度。但在接线中把补偿导线的极性接反了，则仪表的指示（） 1.偏大 2.偏小
3.可能大,也可能小,要视具体情况而定 5：用4：1衰减曲线法整定控制器参数时得到的TS值是什么数值（） 1.从控制器积分时间旋纽上读出的积分时间 2.从控制器微分时间旋纽上读出的积分时间 3.对象特性的时间常数 4.是4：1衰减曲线上测量得到的振荡周期 6：当高频涡流传感器靠近铁磁物体时（） 1.线圈的震荡频率增加 2.线圈的电阻减小 3.线圈的电感增大 7：某容器控制压力，控制排出料和控制进料，应分别选用的方式为（）。 1.气开式；气开式 2.气关式；气关式 3.气开式；气关式 4.气关式；气开式 8：准确度等级是仪表按（）高低分成的等级。 1.精度 2.准确度
3.限度 9：不属于工程上控制参数的整定方法是（） 1.动态特性法 2.稳定边界法 3.衰减曲线法 4.比较法 10：最常见的控制结构除了反馈控制结构外还有。（） 1.串级控制 2.前馈控制 3.单回路控制 4.多回路控制 11：串级均匀控制系统结构形式与串级控制系统相同，它与串级控制系统有区别也有相同的地方。相同是（） 1.系统构成目的 2.对主、副参数的要求 3.参数整定顺序、投运顺序 4.干扰补偿方式 12：工业现场压力表的示值表示被测参数的（）。 1.动压 2.全压
自动化仪表与过程控制课后答案 0-1自动化仪表是指哪一类仪表什么叫单元组合式仪表 自动化仪表:是由若干自动化元件构成的，具有较完善功能的 自动化技术工具单元组合式调节仪表: 由具有不同功能的若干单元仪表按调节系统具体要求组合而成的自动调节仪表 0-2DDZ-II型与DDZ-III型仪表的电压,电流信号输出标准是什么在现场与控制室之间采用直流电流传输信号有什么好处P5 第二段 0-3什么叫两线制变送器它与传统的四线制变送器相比有什么优点试举例画出两线制变送器的基本结构,说明其必要的组成部分P5~6 0-4什么是仪表的精确度试问一台量程为-100~100C,精确度为级的测量仪表,在量程范围内的最大误差为多少 一般选用相对误差评定，看相对百分比，相对误差越小精度越高x/(100+100)=% x=1摄氏度 1-1试述热电偶的测温原理,工业上常用的测温热电偶有哪几种什么叫热电偶的分度号在什么情况下要使用补偿导线 答：a、当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时，若两个接点温度不同，回路中就会出现热电动势，并产生电流。 b、铂极其合金，镍铬-镍硅，镍铬-康铜，铜-康铜。 c、分度号是用来反应温度传感器在测量温度范围内温度变化为传感器电压或电阻值变化的标准数列。 d、在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势时，自动补偿冷端温度变化，以保证测量精度，为了节约，作为热偶丝在低温区的替代品。 1-2 热电阻测温有什么特点为什么热电阻要用三线接法 答：a、在-200到+500摄氏度范围内精度高，性能稳定可靠，不需要冷端温度补偿,测温范围比热电偶低，存在非线性。 b、连接导线为铜线，环境温度变化，则阻值变，若采用平衡电桥三线连接，连线R使桥路电阻变化相同，则桥路的输出不变，即确保检流计的输出为被测温度的输出。 1-3说明热电偶温度变送器的基本结构，工作原理以及实现冷端温度补偿的方法。在什么情况下要做零点迁移 答：a、结构：其核心是一个直流低电平电压-电流变换器，大体上都可分为输入电路、放大电路及反馈电路三部分。 b、工作原理：应用温度传感器进行温度检测其温度传感器通常为热电阻，热敏电阻集成温度传感器、半导体温度传感器等，然后通过转换电路将温度传感器的信号转换为变准电流信号或标准电压信号。 c、由铜丝绕制的电阻Rcu安装在热电偶的冷端接线处，当冷端温度变化时，利用铜丝电阻随温度变化的特性，向热电偶补充一个有冷端温度决定的电动势作为补偿。桥路左臂由稳压电压电源Vz（约5v）和高电阻R1（约10K欧）建立的恒值电流I2流过铜电阻Rcu，在Rcu 上产生一个电压，此电压与热电动势Et串联相接。当温度补偿升高时，热电动势Et下降，但由于Rcu增值，在Rcu两端的电压增加，只要铜电阻的大小选择适当，便可得到满意的补偿。 d、当变送器输出信号Ymin下限值（即标准统一信号下限值）与测量范围的下限值不相对应时要进行零点迁移。
河南理工大学 检测技术与自动化仪表课程设计说明书汽车倒车防撞警报系统设计 姓名： 专业班级： 学号： 指导老师： 时间：
汽车倒车防撞警报系统设计 电科级班指导老师： 摘要：本文在查阅、分析了现有的几种不同的测距原理分析确定了超声波测距，并对基于超声波测距的倒车雷达预警系统的研制进行了深入探讨和研究。该系统分为测距模块、系统控制模块和显示报警模块，并分别对其进行方案分析，最终确定汽车倒车防撞警报系统的系统构架和设计方案；在硬件电路中，详细阐述了运用单片机技术实现的倒车雷达预警系统的测距实现原理，分析了以AT89S52单片机为主控单元的系统硬件和软件设计，并对该系统进行误差分析，使我们对于系统的各种性能有了进一步认识。 试验结果显示，该系统对有限距离的距离测量具有较高的精度，实现倒车提示和距离报警功能，其主要技术指标达到了系统设计要求。 关键词：倒车雷达；超声波；测距
目录 1 绪论 (1) 2 系统硬件电路设计 (4) 3 软件编程 (10) 3.1控制电路 (12) 3.3接收收电路 (12) 3.4语音报警电路 (13) 3.5显示电路 (14) 4结论........................................................ (15) 参考文献 (16)
1概述 改革开放以来，人们的生活越来越好，在满足基本的生活需求之后，对生活的质量有更高的要求。在国家要想富先修路的号召下，公路的建设发展迅速，这也带动汽车的发展。交通事故的发生越来越高，这就要求汽车安装汽车倒车防撞报警系统。 汽车防撞的关键技术是车辆测距技术和实时监控技术。驾驶员凭借测距装置实时测量前后左右障碍物距离，通过警报系统或数码屏幕显示来了解汽车与障碍物之间的状态，从而避免因疏忽误判引起的碰撞事故。 本系统采用以以8051系列的AT89S52单片机系统为核心开发超声波测距系统。系统硬件原理图如图1-1： 系统硬件原理图1-1由超声波发射，回波信号接收，计时测量、数据处理和智能算法、显示和报警等构成。整个系统由微处理器控制，根据“回波测距”的原理设计的。由超声波的发射电路发射超声波，超声波在空气中传播至障碍物后发生反射，反射的回波经空气传播给超声波接收换能器接收并转换成电信号，再经滤波、放大、整形后，输入到微处理器的外部中断口INTO处产生中断，计数器停止计数，测出从超声波发射脉冲串时刻到接收回波信号时刻差，超声波在同温同介质中的传播速度由测温系统得知，将时刻差与声速相乘得出距离，并在显示系统上显示。它的各部分电路的说明如下。 (1) AT89S52 单片机系统是超声波测距仪的核心部分，主要任务有：控制一个40KHz的脉冲驱动振荡电路，启动振荡电路工作，振荡电路振荡出与超声波发射器的固有频率相同频率，使换能器能最大效率工作；实现串Ca通讯；TO计时，完成
《自动控制原理》 课程设计报告 姓名：高陆及__________ 学号： 1345533107______ 班级： 13电气 1班______ 专业：电气工程及其自动化学院：电气与信息工程学院
江苏科技大学（张家港） 2015年9月
目录 一、设计目的 (3) 二、设计任务 (3) 三、具体要求 (4) 四、设计原理概述 (4) 4.1校正方式的选择 (4) 4.2集中串联校正简述 (5) 4.2.1串联超前校正 (5) 4.2.2串联滞后校正 (5) 4.2.3串联滞后-超前校正 (5) 4.2.4串联校正装置的一般性设计步骤 (5) 五、设计方案及分析 (6) 5.1高阶系统的频域分析 (6) 5.1.1 原系统的频率响应特性及阶跃响应 (7) 5.1.2使用Simulink观察系统性能 (9) 5.1.3 搭建模拟实际电路 (10) 5.1.4 对原系统的性能分析 (12) 5.2校正方案确定与校正结果分析 (13) 5.2.1 采用串联超前网络进行系统校正 (13) 5.2.3 采用串联滞后—超前网络系统进行校正 (18) 5.2.4 使用EWB搭建校正后模拟实际电路 (23) 六、总结 (26)
一、设计目的 1.通过课程设计熟悉频域法分析系统的方法原理 2.通过课程设计掌握滞后—超前校正作用与原理 3.通过在实际电路中校正设计的运用，理解系统校正在实际中的意义 二、设计任务 控制系统为单位负反馈系统，开环传递函数为) 1025.0)(11.0()(++= s s s K s G ， 设计滞后-超前串联校正装置，使系统满足下列性能指标： 1、开环增益100K ≥
浅谈过程控制与自动化仪表 摘要随着自动化仪表的更新换代，现代科学技术的发展需要自动化仪表和过程控制提供技术保障，要不断地改进生产技术，使其朝着智能化、网络化、开放性发展。 关键词自动化仪表；自动化技术；过程控制 1 引言 过程控制泛指石油、化工、电力、冶金、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，其被控量通常为压力、液位、流量、温度、PH值等过程变量，是自动化技术的重要组成部分。其作用体现在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。自动化仪表是用于生产过程自动化的仪器或设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术工具。其特点是兼容性、统一标准。 2 过程控制概述 2.1 过程控制的特点、要求及任务、功能结构 过程控制的特点：系统由被控过程和检测控制仪表组成；被控过程的多样性；控制方案的多样性；控制过程大多属于慢变过程与参量控制；定值控制是过程控制的主要形式。 生产过程对控制最主要的要求可以归结为三个方面，即：安全性、稳定性和经济性。过程控制的任务，就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的各种特性的基础上，根据工艺生产提出的要求，应用控制理论对控制系统进行分析、设计和综合，并采用相应的自动化装置和适宜的控制手段加以实现，最终达到优质、高产、低耗的控制目标。 图1过程控制的功能结构图 过程控制的功能结构：测量变送与执行，由测量变送装置与执行装置实现；
操作安全与环保，保证生产安全、满足环保要求的设备(独立运行)；常规与高级控制，实现对过程参数的控制，满足控制要求；实时优化，实现最优操作工况(时间，成本，设备损耗)而设计的方案；决策与计划调度，对整个过程进行合理计划调度和正确决策，使企业利益最大化。 2.2 过程控制的分类 按照被控变量的给定值分类，可分成以下三类： 1. 定值控制系统，是一种被控变量的给定值始终固定不变的控制系统。如：液位控制系统； 2. 随动控制系统随动控制系统是一种被控变量的给定值随时间不断变化的控制系统，例如：锅炉的燃烧控制系统； 3. 程序控制系统(又称顺序控制系统)程序控制系统是被控变量的给定值按预定的时间程序来变化的控制系统。例如：冶金工业中的金属热处理的温度控制。 2.3 过程控制发展概况 20世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低； 20世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，实现了仪表化和局部自动化； 20世纪60年代(综合自动化阶段)：检测和控制仪表-----采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；过程控制系统结构------多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统，控制目的------提高控制质量或实现特殊要求； 20世纪70年代以来(全盘自动化阶段)：发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。 3 自动化仪表概述 自动化仪表是用于过程自动化的仪器或设备，过程控制系统是实现生产过程自动化的平台，而自动化仪表与装置是过程控制系统不可缺少的重要组成部分。 3.1 自动化仪表的分类 (1) 按照安装场地分 现场仪表(一次仪表)、控制室仪表(二次仪表)； (2) 按能源形式分 ①气动控制仪表：以压缩空气为能源。 优点：结构简单，性能稳定，可靠性高，易于维修，天然防爆； 缺点：气动信号传输速度极限=声速340 s，体积庞大。 ②电动控制仪表 优点：信号快速，远距离传输：易于实现复杂规律的信号处理，易 于与其他装置相连，供电用电方便，无需空压机和油泵、水泵； 缺点：不天然防爆；易受电磁干扰；功率不易大，近年的电动仪表 多采用了安全防爆措施，应用更加广泛。 ③液动仪表(以高压油和高压水为能源) 优点:工作可靠，结构简单，功率大，防爆；
自动化仪表大作业 轮胎胎压自动监测系统[在线检测胎内压力和温度，具有实时液晶显示及报警功能] 学校：洛阳理工学院 专业：自动化 日期：2013年5月12日
摘要:轮胎压力监测报警系统(Tire PressureMonitoring System)(TPMS)是汽车安全领域重要电子装置,近年来已开始获得广泛应用,但传统的TPMS产品多为内置式,安装在轮胎内,安装和维护时需要拆卸轮胎造成很大不便,同时轮胎里的金属轮辋对位于胎内的压力传感器和无线发射装置有很强的屏蔽作用,信号衰竭很快,要保证信号传输到位于驾驶室内的接收器,必须提高发射功率,从而大大缩短发射器的电池使用寿命。针对这些技术问题,提出了一种新型外置直接式数字胎压监测系统,它的胎压监测节点核心器件MCU选用Infineon的专用压力处理器芯片SP30,该芯片内置MEMS压力传感器可通过外连气门芯直接测量胎内气压,再通过无线方式与上位接收器进行无障碍无线传输通信,避免了信号屏蔽,延长了电池和产品的使用寿命以及安装成本。给出了新型外置直接式TPMS产品的具体硬件设计、软件流程和通信协议。测试表明该系统的无线信号传输可靠、抗干扰能力强、轮胎位置识别准确、反应灵敏、安装与维护方便及组态灵活等特点、有着广泛的市场应用前景。 关键词:无线传输;胎压监测;压力传感;编码;TPMS 胎压监测系统(TPMS)能在汽车行驶期间实时监测轮胎内气压变化,并对胎压和温度异常进行报警,有效避免爆胎事故的发生。目前,TPMS系统分为两种类型: (1)间接式TPMS通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别,以监视胎压变化,这种方式可靠性不高; (2)直接式TPMS利用安装在每个轮胎上的压力传感器来直接测
指导教师评定成绩： 审定成绩： 重庆邮电大学 移通学院 自动控制原理课程设计报告 系部： 学生姓名： 专业： 班级： 学号： 指导教师： 设计时间：2013年12 月 重庆邮电大学移通学院制
目录 一、设计题目 二、设计报告正文 摘要 关键词 设计内容 三、设计总结 四、参考文献
一、设计题目 《自动控制原理》课程设计（简明）任务书——供2011级机械设计制造及其自动化专业（4-6班）本科学生用 引言：《自动控制原理》课程设计是该课程的一个重要教学环节，既有别于毕业设计，更不同于课堂教学。它主要是培养学生统筹运用自动控制原理课程中所学的理论知识，掌握反馈控制系统的基本理论和基本方法，对工程实际系统进行完整的全面分析和综合。 一设计题目：Ｉ型二阶系统的典型分析与综合设计 二系统说明： 该Ｉ型系统物理模拟结构如图所示。 系统物理模拟结构图 其中：Ｒ＝1MΩ；C =1uF；R0=41R 三系统参量：系统输入信号：x(t)； 系统输出信号：y(t)；
四设计指标： 设定：输入为x(t)=a×1（t）（其中：a=5） 要求动态期望指标：M p﹪≤20﹪；t s≤4sec； 五基本要求： a)建立系统数学模型——传递函数； b)利用根轨迹方法分析和综合系统（学号为单数同学做）； c)利用频率特性法分析和综合系统（学号为双数同学做）； d)完成系统综合前后的有源物理模拟（验证）实验； 六课程设计报告： 1.按照移通学院课程设计报告格式写课程设计报告； 2.报告内容包括：课程设计的主要内容、基本原理； 3.课程设计过程中的参数计算过程、分析过程，包括： （1）课程设计计算说明书一份； （2）原系统组成结构原理图一张（自绘）； （3）系统分析，综合用精确Bode图一张； （4）系统综合前后的模拟图各一张（附实验结果图）； 4.提供参考资料及文献 5.排版格式完整、报告语句通顺； 6.封面装帧成册。
●自动化仪表指哪一类仪表?什么叫单元组合式仪表? 1 答:a:是由若干自动化元件构成的,具有较完善功能的自动化技术 工具.b:由具有不同功能的若干单元仪表按调节系统具体要求组 合而成的自动调节仪表. ●DDZ-II型与DDZ-III型仪表的电压.电流信号传输标准是什么?在现场与控制室之间采用直流电流传输信号有什么好处? 答:在DDZ-I型和DDZ-II型以表中采用0~10mA直流电流作为标准信号,而在DDZ-III型和DDZ-S型仪表中,采用国际上统一的4~20mA直流电流作为标准信号.这两种标准信号都以直流电流作为联络信号.采用直流信号的优点是传输过程中易于和交流感应干扰相区别,且不存在相移问题,可不受传输线中电感.电容和负载性质的限制.采用电流制的优点首先可以不受传输线及负载电阻变化的影响,适于信号的远距离传送;其次由于电动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成的,使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力.此外,对于要求电压输入的仪表和元件,只要在电流回路中串联电阻便可得到电压信号,故使用比较灵活. ●什么叫两线制变送器?它与传统的四线制变送器相比有什么优点?试举例画出两线制变送器的基本结构,说明其必要的组成部分. 答:a.就是将供电的电源线与信号的传输线合并起来,一共只用两根导线.b. 1有利于识别仪表的断电断线等故障2不仅节省电缆布线方便,而且大大有利与安全防爆易抗干扰.3上限值较大,有利于抑制干扰4上下限的比值为5:1与气动仪表信号制对应,便于相互折算,产生较大的磁力 c.图. ●什么是仪表的精确度?试问一台量程为-100~+100℃.精确度为0.5级的测量仪表,在量程范围内的最大误差为多少? 答:模拟式仪表的合理精确度,应该以测量范围中最大的绝对误差和该仪表的测量范围之比来衡量,这种比值称为相对百分误差,仪表工业规定,去掉百分误差的%,称为仪表精确度.一般选用相对误差评定,看相对百分比,相对误差越小精度越高.x/(100+100)=0.5%x=1℃. ●1-1试述热电偶的测温原理,工业上常用的测温热电偶有哪几种?什么热电偶的分度号?在什么情况下要使用补偿导线? 答:a.当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时,若两个接点温度不同,回路中就会出现热电动势,并产生电流.b.铂极其合金,镍铬-镍
课程设计名称：过程控制与自动化仪表课程设计题目：管式换热器恒温控制系统设计 专业：电气工程及其自动化 班级：自动化 姓名： 学号：
课程设计任务书
xxxxxx大学 课程设计成绩评定表
摘要 过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。 当前，过程控制已进入全新的、基于网络的计算机集成过程控制时代。DIPS是以企业整体优化为目标，以计算机及网络为主要技术工具，以生产过程的管理与控制为主要内容，将过去传统自动化的“孤岛”模式集成为一个有机整体，而网络技术、数据库技术、分布式控制、先进过程控制策略、智能控制等则成为实现CIPS的重要基础。可以预见，过程控制将在我国现代化建设过程中得到更快的发展和发挥越来越重要的作用。 本设计以过程控制理论为基础，全面阐述在工业生产过程中，换热器温度控制系统的设计过程，包括对被控参数、控制参数、调节器和调节阀的选定、调节器参数整定等相关方面的设计。 关键词：过程控制；工业生产；换热器
目录 1前言 (1) 2 控制方案的确定 (2) 2.1恒温控制系统生产工艺要求 (2) 2.2控制参数与被控参数的选择 (2) 2.2.1被控参数的选择 (2) 2.2.2 控制参数的选择 (2) 2.3系统原理图及方框图 (2) 2.3.1控制系统控制结构图 (2) 2.3.2系统框图 (3) 3测量仪表的选择 (4) 3.1变送器的选择 (4) 3.2调节阀的选择 (4) 3.2.1 调节阀的启开气关形式 (4) 3.2.2 调节阀的流量特性 (4) 3.2.3 调节阀的理想流量特性 (5) 3.3调节器的选择 (5) 3.3.1 调节规律的选择 (5) 3.3.2 调节器仪表的选择 (5) 3.3.3 调节器的内部结构 (6) 4调节器的参数整定 (11) 5结论 (12) 6设计体会 (13) 参考文献 (14)
名称：《自动控制原理》课程设计 题目：基于自动控制原理的性能分析设计与校 正 院系：建筑环境与能源工程系 班级： 学生姓名： 指导教师： 目录 一、课程设计的目的与要求------------------------------3 二、设计内容 2.1控制系统的数学建模----------------------------4 2.2控制系统的时域分析----------------------------6 2.3控制系统的根轨迹分析--------------------------8 2.4控制系统的频域分析---------------------------10
-------------------------------12 控制系统的校正2.5． 三、课程设计总结------------------------------------17 四、参考文献----------------------------------------18 一、课程设计的目的与要求 本课程为《自动控制原理》的课程设计，是课堂的深化。 设置《自动控制原理》课程设计的目的是使MATLAB成为学生的基本技能，熟悉MATLAB这一解决具体工程问题的标准软件，能熟练地应用MATLAB软件解决控制理论中的复杂和工程实际问题，并给以后的模糊控制理论、最优控制理论和多变量控制理论等奠定基础。使相关专业的本科学生学会应用这一强大的工具，并掌握利用MATLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能，以达到加深对课堂上所讲内容理解的目的。通过使用这一软件工具把学生从繁琐枯燥的计算负担中解脱出来，而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上去。 通过此次计算机辅助设计，学生应达到以下的基本要求： 2 / 17 1.能用MATLAB软件分析复杂和实际的控制系统。 2.能用MATLAB软件设计控制系统以满足具体的性能指标要求。
西南科技大学成教学院德阳教学点 《自动化仪表与过程控制》练习题及参考答案 班级： 姓名： 学号： 成绩： 一、填空题 1、过程控制系统一般由 控制器 、 执行器 、 被控过程 和测量变送等环节组成。 2、仪表的精度等级又称 准确度级 ，通常用 引用误差 作为判断仪表精度等级的尺度。 3、过程控制系统动态质量指标主要有 衰减比n 、 超调量σ 和过渡过程时间s t ；静态质量指标有 稳态误差e ss 。 4、真值是指被测变量本身所具有的真实值，在计算误差时，一般用 约定真值 或 相对真值 来代替。 5、根据使用的能源不同，调节阀可分为 气动调节阀 、 电动调节阀 和 液动调节阀 三大类。 6、过程数学模型的求取方法一般有 机理建模 、 试验建模 和混合建模。 7、积分作用的优点是可消除 稳态误差(余差)，但引入积分作用会使系统 稳定性 下降。 8、在工业生产中常见的比值控制系统可分为 单闭环比值控制 、 双闭环比值控制 和 变比值控制 三种。 9、Smith 预估补偿原理是预先估计出被控过程的 数学模型 ，然后将预估器并联在被控过程上，使其对过程中的 纯滞后 进行补偿。 10、随着控制通道的增益K 0的增加，控制作用 增强 ，克服干扰的能力 最大 ， 系统的余差 减小 ，最大偏差 减小 。 11、从理论上讲，干扰通道存在纯滞后， 不影响 系统的控制质量。 12、建立过程对象模型的方法有 机理建模 和 系统辨识与参数估计 。 13、控制系统对检测变送环节的基本要求是 准确 、 迅速 和 可靠 。 14、控制阀的选择包括 结构材质的选择、 口径的选择 、 流量特性的选择 和 正反作用的选择。 15、防积分饱和的措施有 对控制器的输出限幅 、限制控制器积分部分的输出和 积分切除法。 16、如果对象扰动通道增益 f K 增加，扰动作用 增强 ，系统的余差 增大 ， 最大偏差 增大 。 17、在离心泵的控制方案中，机械效率最差的是 通过旁路控制 。 二、名词解释题 1、衰减比 答：衰减比 n 定义为： 衰减比是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标。为保证系统足够的稳定程度，一般取衰减比为4:1～10:1。 2、自衡过程 答：当扰动发生后，无须外加任何控制作用，过程能够自发地趋于新的平衡状态的性质称为自衡性。称该类被控过程为自衡过程。 3、分布式控制系统 答：分布式控制系统DCS ，又称为集散控制系统，一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层体系结构、局部网络通信的计算机综合控制系2 1B B n
自控课程设计课程设计(论文) 设计（论文）题目单位反馈系统中传递函数的研究 学院名称Z Z Z Z学院 专业名称Z Z Z Z Z 学生姓名Z Z Z 学生学号Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z 任课教师Z Z Z Z Z 设计（论文）成绩
单位反馈系统中传递函数的研究 一、设计题目 设单位反馈系统被控对象的传递函数为 ) 2)(1()(0 0++= s s s K s G （ksm7） 1、画出未校正系统的根轨迹图，分析系统是否稳定。 2、对系统进行串联校正，要求校正后的系统满足指标： （1）在单位斜坡信号输入下，系统的速度误差系数=10。 （2）相角稳定裕度γ>45o , 幅值稳定裕度H>12。 （3）系统对阶跃响应的超调量Mp <25%,系统的调节时间Ts<15s 3、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。 4、给出校正装置的传递函数。计算校正后系统的截止频率Wc 和穿频率Wx 。 5、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。 6、在SIMULINK 中建立系统的仿真模型，在前向通道中分别接入饱和非线性环节和回环非线性环节，观察分析非线性环节对系统性能的影响。 7、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。 二、设计方法 1、未校正系统的根轨迹图分析 根轨迹简称根迹，它是开环系统某一参数从0变为无穷时，闭环系统特征方程式的根在s 平面上变化的轨迹。 1）、确定根轨迹起点和终点。 根轨迹起于开环极点，终于开环零点；本题中无零点，极点为：0、-1、-2 。故起于0、-1、-2，终于无穷处。 2）、确定分支数。 根轨迹分支数与开环有限零点数m 和有限极点数n 中大者相等，连续并且对称于实轴；本题中分支数为3条。
一、课程设计的目的与要求 本课程为《自动控制原理》的课程设计，是课堂的深化。 设置《自动控制原理》课程设计的目的是使MATLAB 成为学生的基本技能，熟悉MATLAB 这一解决具体工程问题的标准软件，能熟练地应用MATLAB 软件解决控制理论中的复杂和工程实际问题，并给以后的模糊控制理论、最优控制理论和多变量控制理论等奠定基础。使相关专业的本科学生学会应用这一强大的工具，并掌握利用MATLAB 对控制理论内容进行分析和研究的技能，以达到加深对课堂上所讲内容理解的目的。通过使用这一软件工具把学生从繁琐枯燥的计算负担中解脱出来，而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上去。 通过此次计算机辅助设计，学生应达到以下的基本要求： 1.能用MATLAB 软件分析复杂和实际的控制系统。 2.能用MATLAB 软件设计控制系统以满足具体的性能指标要求。 3.能灵活应用MATLAB 的CONTROL SYSTEM 工具箱和SIMULINK 仿真软件，分析系统的性能。 二、设计正文 1．控制系统的数学建模 相关知识： 研究一个自动控制系统，单是分析系统的作用原理及其大致的运动过程是不够的，必须同时进行定量的分析，才能作到深入地研究并将其有效地应用到实际工程上去。这就需要把输出输入之间的数学表达式找到，然后把它们归类，这样就可以定量地研究和分析控制系统了。 1．有理函数模型 线性系统的传递函数模型可一般地表示为： m n a s a s a s b s b s b s b s G n n n n m m m m ≥++???++++???++= --+- )(11 11 1 21 (1) 将系统的分子和分母多项式的系数按降幂的方式以向量的形式输入给两个变量num 和den ，就可以轻易地将传递函数模型输入到MATLAB 环境中。命令格式为： ],,,,[121+???=m m b b b b num ; （2） ],,,,,1[121n n a a a a den -???=; （3） 在MATLAB 控制系统工具箱中，定义了tf() 函数，它可由传递函数分子分母给
一、简答题 1、分析如图所示的用不平衡电桥进行热电偶冷端温度补偿方法的原理。 答：热电偶测温时要保持冷端温度恒定。采用不平衡电桥可以对热电偶冷端温度的变化进行补偿，其原理是：将热电偶与不平衡电桥串连，两者输出之和进入显示仪表。而不平衡电桥的一个桥路选择热电阻，其它3个桥臂阻值恒定。测温时，将热电阻与热电偶的冷端置于同样的温度环境下。在某设计的冷端温度下，电桥平衡，输出为0。 当冷端温度升高时，热电偶的输出减小，但热电阻的阻值随着温度的升高而增加，从而引起电桥输出增加。通过合理选择桥路参数，可以在一定冷端温度变化范围内，使得热电偶输出电势减小的数值与不平衡电桥输出相等，从而实现冷端温度补偿。冷端温度减小时，同样也能实现冷端温度补偿。 2、什么叫气动执行器的气开、气关式？其选择原则是什么？ 答：随着送往执行器的气压信号的增加，阀逐渐打开的称为气开式，反之称为气关式。气开、气关式的选择主要是由工艺生产上安全条件决定。一般来说，阀全开时，生产过程或设备比较危险的选择气开式；阀全关时，生产过程或设备比较危险的选择气关式。 3、调节器参数整定的任务是什么？工程上常用的调节器参数整定方法有哪几种？ 答：调节器参数整定的任务是：根据已定的控制方案，来确定调节器的最佳参数值，包括比例度、积分时间、微分时间，以便系统能获得好的控制品质。调节器参数整定的方法有理论计算和工程整定两大类，其中常用的是工程整定法。 4、在什么场合选用比例、比例积分和比例积分微分调节规律？ 答：比例调节规律适用于负荷变化较小、纯滞后不太大而工艺要求不高、又允许有余差的控制系统。比例积分调节规律适用于对象调节通道时间常数较小、系统负荷变化较大，纯滞后不大而被控参数不允许与给定值有偏差的调节系统。比例积分微分调节规律适用于容量滞后较大、纯滞后不大、不允许有余差的调节系统。 5、什么是积分饱和现象？有哪些措施防止该现象的发生？ 答：当控制系统长期存在偏差，积分控制作用输出会不断增加或减小，直到输出超过仪表范围的最大值或最小值而达到仪表所能达到的极限最大或最小值。这时当偏差反向时，控制器的输出不能及时反向，要在一定延时后，控制器的输出才能从最大或最小的极限值回复到仪表范围的最大或最小值，在这段时间内，控制器不能发挥控制作用，造成控制不及时。通常把这种由于积分过量造成的控制不及时现象称为积分饱和现象。 防止积分饱和的措施有： 限幅法：采用技术措施，将控制器的输出信号限制在工作信号范围内。 积分切除法：当控制器处于开环状态时，自动切除其积分作用。