武汉理工大学华夏学院课程设计报告书
题目：过程控制课程设计
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指导教师：
2012 年7 月 5 日
课程设计任务书
学生姓名： 专业班级：
指导教师： 工作单位： 信息工程系 题目：工业被控过程建模与控制器参数的工程整定 一．初始条件：
1. 给出单容储液槽液位机理建模的过程。
2. 给出工程建模的方法。
3. 给出广义被控对象的单位阶跃响应输出数据。
4. 给出经典的工程整定方法。
5. 给出使用MATLAB 软件建模、绘制与拟合曲线、仿真运行和整定调试的方法。
二．要求完成的主要任务：
（一）．设计任务
本设计要求完成如下两个大的设计任务，分别是：
1.对某一工程对象进行机理建模，应用MATLAB 软件对给定的工程数据进行工程测试建模。具体要求为：
⑴ 参考相关资料，参照《过程控制系统课程设计指导书》给出的单容储液槽液位数学模型的建立方法，应用机理法对某一工业生产过程建立数学模型。要求模型传递函数为：()1
s
K G s e Ts τ-=+，写出建模的详细过程，并绘制出示意
图。
⑵ 按照下表给出的广义被控生产过程的单位阶跃输入下的输出数据，要求应用MATLAB 软件绘制出其响应曲线。
t(s) 0 10 20 40 60 80 100 140 y 0
0.2
0.8
2
3.6
5.4
8.8
t(s) 180 250 300 400 500 600 y
11.8
14.4
16.6
18.4
19.2
19.6
⑶写出应用切线法建立数学模型的具体步骤。要求用计算机绘制其切线图形，并在图上做出详细标注。
⑷写出广义对象传递函数。用计算机在同一图形界面下绘制出阶跃响应曲线和拟合后的曲线。
2. 对所建立的被控对象（广义）数学模型，应用MATLAB软件，建立闭环控制系统模型，并进行工程整定的仿真。最终给出仿真结果和结论。具体要求为：
⑴以得到的对象数学模型为广义被控对象，在MATLAB中建立闭环控制系统仿真模型。至少用一种方法进行工程整定。要求给出整定过程中的模型及中间得到的图形数据。
⑵写出具体的整定步骤和得到的整定参数。
⑶根据整定参数，进行仿真验证。给出整定后的闭环控制系统仿真模型和阶跃响应曲线。
⑷对研究过程所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析，得出结论。
（二）．说明书撰写要求
1. 纸张格式：要求统一用A4纸打印，页面设置上空
2.5cm，下空2.0cm，左空2.5cm，右空2.0cm）：
2. 正文层次：正文内容层次序号为：1、1.1、1.1.1……，其中
⑴．正文标题；一级标题1.（黑体小2号加粗），二级标题1.1（黑体小三号），三极标题1.1.1（黑体小四号）。
⑵．正文内容格式：宋体五号，1.25倍行距。
3. 正文内容
一般包括：
⑴．选题背景：说明本课题应解决的主要问题及应达到的技术要求；简述本设计的指导思想。（设计目的中已有阐述）
⑵．方案论证：说明设计原理并进行方案选择，阐明为什么要选择这个设计方案以及所采用方案的特点。
⑶．设计内容：对设计工作的详细表述。要求层次分明、表达确切。
⑷．结果分析：对研究过程总所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析，得出结论和推论。
⑸．结论或总结：对整个研究工作进行归纳和综合。
⑹．参考文献：不少于5个，并应按文献号、作者、文献题名、出版地：出
版社和出版年等顺序书写。如：[1] 戴军，袁惠新.膜技术在含油废水处理中的应用.膜科学与技术，2002.
4. 图纸（或其它）要求
⑴．图纸要求：图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，要求使用计算机绘图。
⑵．曲线图表要求：
①．所有曲线、图表、线路图、流程图、程序框图、示意图等不准徒手画，必须按国家规定标准或工程要求绘制（采用计算机辅助绘图）。
②．课程设计说明书（报告）中图表、公式一律采用采用阿拉伯数字连续编号。图序及图名置于图的下方；表序及表名置于表的上方；说明书（报告）中的公式编号，用括号括起来写在右边行末，其间不加虚线。
三．时间安排：
时间设计内容
6月25-26日查阅资料，用机理法为某一工业被控过程建立数学
模型
6月27日查阅MATLAB资料，绘制出阶跃响应曲线6月28日用切线法建立被控过程数学模型
6月29-30日根据所得数学模型，用MATLAB建立闭环系统仿真
模型
7月1-3日进行闭环系统的工程整定，得出整定结果
7月4日完成设计报告
7月5-6日答辩
指导老师签字：年月日
1 选题背景和设计任务
1.1 选题背景
过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用。锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故。在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。
可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。
由于工业生产过程复杂多样，因此，在设计工业生产过程控制系统时，首先必须花大量的时间和精力去了解该工业生产过程的基本原理、操作过程和过程特性，这是设计和实现一个工业生产过程的首要条件。
要实现过程自动控制，还需要对整个工业生产过程的物料流、能源流和生产过程中的有关状态进行准确的测量和计量。根据测量得到的数据和信息，用生产过程工艺和控制理论知识来管理和控制该生产过程。
MBATLA软件是一款进行高效工程计算、数据分析与可视化编程、系统仿真、科学和工程绘图等功能强大的优秀软件。能够用于系统建模和仿真，方便用于系统参数整定。
1.2 设计任务
工业生产过程的扰动作用使得生产过程操作不稳定，从而影响工厂生产过程的经济效益。过程控制的任务就是使生产过程达到安全、平稳、优质、高效。作为自动化最根本的目标应是使生产过程安全并平稳的运行。
本课程设计是工业被控过程建模与控制器参数的工程整定，主要是针对单容储液槽的水位平衡进行机理建模。本设计要求完成如下两个大的设计任务，分别是：
1）对某一工程对象进行机理建模，应用MATLAB软件对给定的工程数据进行工程测试建模。
2）对所建立的被控对象（广义）数学模型，应用MATLAB软件，建立闭环控制系统模型，并进行工程整定的仿真。最终给出仿真结果和结论。
2 设计方案
2.1 建模的一般方法
建立被控过程数学模型的方法一般有：机理建模、试验建模、混合建模。
机理建模是根据对象或是生产过程的内部机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程以及某些设备方程、化学反应定律等，从而得到对象的数学模型。这类模型通常称为机理模型。这种方法建立的模型的最大优点是具有非常明显的物理意义，模型具有很大的适应性，便于模型参数的调整。
试验建模是在机理建模难以建立的情况下，可以采用试验建模的方法得到对象的数学模型。试验建模针对所要研究的对象，人为地施加一个输入作用，然后用仪表记录表征对象特性的物理量随着时间变化的规律，得到一系列的试验数据或者是曲线。通过对曲线的分析获得必要的规律信息。
混合建模将机理建模和试验建模结合起来就是混合建模。混合建模是一种比较实用的方法，它先由机理分析的方法提出数学结构模式，然后对其中某些未知的或不确定的参数利用试验的方法予以确定。
2.2控制体统参数的工程整定
方法一：经验法：根据经验和先验知识确定一组参数，然后根据各参数的影响，调整参数，直至满意为止。由于我们经验和先验知识不足，所以本次设计中不使用此方法。
方法二：临界比例度（带）法：比例度（带）δ(%) ：与比例系数Kc成反比关系。这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=∞，TD=0 ，使控制器工作在纯比例，使系统的输出响应情况下，将比例带由大逐渐变小(对应的比例系数Kc由小逐渐变大)呈现等幅振荡。等幅震荡的波形及相关参数的获取如图2.1所示：
图2.1 等幅震荡波形图
临界比例度法整定经验公式如表1所示，最后对参数进行微调，直到动态过程满意为止。
表1 临界法整定经验公式比例度
δT i(S) T d(S)
P 2δS
PI 2.2δS T S/1.2
PID 1.6δS0.5T S0.125T S
方法三：衰减曲线法：在闭环系统中，先把控制器设置为纯比例作用，然后把比例带由大逐渐减小(对应的比例系数Kc由小逐渐变大) ，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现4:1衰减过程为止，如图2.2所示。
图2.2加阶跃扰动的输出曲线
这时的比例带称为4:1衰减比例带，用δS 表示之。相邻两波峰间的距离称为衰减周期T S ，记录δS
和T S 。 按表2所示经验公式整定。最后对参数进行微调，直到动态过程满意为止。
表2衰减曲线法相关参数的整定
δ（%）
l T (S)
d T (S)
P
s δ
PI
1.2 s δ 0.5 s T
PID
0.8 s δ
0.3 s T
0.1 s T
方法四：响应曲线法：其控制原理图如图2.3所示。
图2.3 响应曲线法控制原理图
令控制器的输出为幅度为x0,的阶跃信号，则对象经测量变送器后的输出Y （t ）， 由该图可确定τ、T 和 Kc 。相关参数的确定如图2.4所示。
图2.4 输出波形及相关参数的确定
通过下式将比例系数转化为比例度：
利用表3所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4:1时控制器的相关参数。
表3响应曲线法相关参数整定的经验公式
2.3最佳方案
单容水箱液位控制系统主要是实现对液位的控制，单容水箱有两个可以控制的变量，一个进水口的流量，另一个是出水口的流量。通过容积与流量的平横方程很容易建立数学模型。所以被控制过程建模采用机理建模。
参数整定可以选用的方法也较多在本设计中采用临界比例度法进行整定。跟其它的方法相比较，临界比例度法简单快捷，所以可以采用临界比例度法进行整定。
()(0)
c y y K x ∞-=1
100%c
K δ=
?
3单容水箱液位控制系统建模
3.1被控对象的解析
本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参数，有必要知道被控对象—上水箱的结构和特性。
由图3.1所示可以知道，单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀2V 开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。
图3.1 单容水箱结构图
3.2单容水箱的建模
这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱（图2-1）。要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。
如图2-1，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h ，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量，h 为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h 与Q1 之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有
12dh
Q Q C
dt
-= （2-1） 将式（2-1）表示为增量形式
12d h
Q Q C
dt
??-?= （2-2） 式中，1Q ?、2Q ?、h ?——分别为偏离某一平衡状态10Q 、20Q 、0h 的增量； C ——水箱底面积。
在静态时，1Q =2Q ；dh dt =0；当1Q 发生变化时，液位h 随之变化，阀2V 处的静压也随之变化，2
Q
也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h 与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为1Q ?与h ?成正比，而与阀2V 的阻力2R 成反比，即
22h Q R ??=
或 22
h R Q ?=? （2-3） 式中，2R 为阀2V 的阻力，称为液阻。 将式（2-3）代入式（2-2）可得
221d h
R C
h R Q dt ?+?=? （2-4）
在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：
2012()()()11R H s K G s Q s R Cs Ts =
==
++ （2-5）
式中，T=R2C 为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数。令输入流量1()Q s =0/R s ，0R 为常量，则输出液位的高度为：
000
()(1)1/KR KR KR H s s Ts s s T =
=-
++ (2-6)
即 1
0()(1)t T
h t KR e
-=- （2-7）
当t →∞时，
0()h KR ∞= 因而有
0()h K R ∞=
=输出稳态值
阶跃输入
（2-8）
当t=T 时，则有
1
00()(1)0.6320.632()h T KR e KR h -=-==∞ （2-9） 3.3 实验法建模
实验法建模是工具工业过程中输入、输出的实测数据进行的某种数学处理后得到数学模型的建模方法。根据给被控过程施加的激励信号和数据分析方法的不同，主要有如下方法： a) 时域方法 b) 频域方法 c) 统计相关法
本次设计中使用的是时域发中的阶跃响应曲线法：对处于开环、稳态被控过程，使其输入作阶跃变化，测得被控过程的阶跃响应曲线，求出被控过程输入与输出之间的动态数学关系——传递函数。 要确定被控对象的传递函数，可以分两步来做： [1] 确定传递函数的形式
一般确定传递函数的形式要根据被控过程的先验知识、简历数学模型的目的及对模型的准确性要求拉起
选择。在满足精度的情况下，尽量选择低阶形式。本次设计中使用一阶模型即可。
[2]确定模型参数
根据阶跃响应曲线，求出模型参数。对于一阶模型，此次用切线法来确定。
实际生产过程的阶跃响应曲线呈现如图2所示的S型曲线是最常见的。用切线法确定一阶惯性加纯滞后的特征参数方法如下。
图3.2切线法确定一阶惯性加纯滞后的特征参数
在此曲线的拐点D处做一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值渐近线交于A点。图2中的OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T。
4 控制系统的工业整定
4.1广义对象的阶跃响应曲线
控制系统的参数整定可以用MATLAB仿真之后，进行数据分析实现。
按照表4给出的广义被控生产过程的单位阶跃输入下的输出数据，要求应用MATLAB软件绘制出其响应曲线。
表4单位阶跃输入下的输出数据
t(s) 01020406080100140
y 000.20.82 3.6 5.48.8
t(s) 180250300400500600
y 11.814.416.618.419.219.6
由MATLAB绘出的图像如图4.1所示
图4.1单位阶跃输入的输出响应曲线下
由式0
()(0)
C y y K x ∞-=
，结合图形可得：
19.60
19.61
C K -=
= 4.2 数学模型的参数确定
由上分析数学模型的参数的确定用切线法，由MATLAN 仿真等到的切线如图4.2
所示。
图4.2响应曲线的切图线
由图中所标参数值可以近似得到τ=36s,T=270s ，又有前所得广义对象的传递函数如下：
1()()1s
h s R
e Q s ARs τ-=+
将19.6c K =τ、T 的数值代入式中可以得到广义对象的数学传递函数为：
3319.6()2361s
G s e
s -=
+
4.3 控制器参数的工程整定
运行MATLAB ，设计系统结构，通过MATLAB 的simulink 模块画出仿真结构图，然后设定仿真时间为
600s ，积分微分环节设置为零，输入传函和延迟模块的参数，之后进行调试仿真，仿真结构图如图4.3所示。
图4. 仿真图3 系统
本次设计采用临界比例度（带）法。比例度（带）δ(%) 与比例系数Kc 成反比关系，这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=∞，TD=0 ，使控制器工作在纯比例情况下，将比例带由大逐渐变小(对应的比例系数Kc 由小逐渐变大)，使系统的输出响应呈现等幅振荡，波形如图4.4所示。
图4.4 临界比例度法输出响应等幅振荡曲线图
由图4.3可得120=s T ，792.0=c K 。则按经验公式可得，当采用纯比例时，比例系数12S
K δ=可得出396.02
792
.0==
K ，将比例器的放大系数改为0.396，在进行仿真得到波形如图4.5所示。
图4.5 比例控制输出波形
当采用PI 调节时，由经验公式得367.02.2==
KC K , 01.02.1==s i T T ，则1001
==i
i T K ，将调节器的参数设定为此值，所得波形如图4.6所示。
图4.6 比例积分控制输出波形
当采用PID 控制器时，由经验公式可得出495.06
.1792
.0==
K ，605.0=?=s i T T ，0167.060
1
==
i K ，15125.0=?=s D T T , 15==D D T K 将控制器的参数设定为此值得到PID 调节的波形如图4.7所示。
图4.7 比例积分微分控制输出波形
PID控制为最优方案。
4.4 控制器的选择
通过参数整定得出的仿真图形可以看出：比例控制调节速度较快，过渡时间短，系统较达到稳定。比例积分控制调节速度比比例控制稍慢一点，超调较大，系统达到稳定的时间较长。比例积分微风控制调节速度最快，但是超调最大，而且系统稳定时间也较长。
所以对于单容水箱的液位控制系统可以采用比例控制。比例控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。比例控制结构简单，系统稳定性好，能够满足单容水箱的液位控制系统的控制要求。
5 总结
通过本课程设计加深了对过程控制和自动控制思想的理解，对典型的PID调节有更深刻的认识，同时掌握了工业被控过程的建模和控制系统的工程整定的一般方法，提升了对过程控制的兴趣，为今后的进一步学习打下了良好的基础。
本课程设计主要是两大部分，一个是过程的建模，另一个是参数的整定。对于每一个板块都有很多的方法实现，在实际的操作中要根据设计的目的、被控的对象，选择合适的方法。在这个过程当中，对于方案的论证就是一个很重要的环节，它决定了整个课程设计的质量和效率。如果犯了方向性的错误，最后的结果是事倍功半。
在这次的课程设计中对于MATLAB的应用也很关键，MATLAB 是一个很好的建模仿真软件，整个设计的过程MATLAB是一个核心的工具。通过MATLAB能够很方便的进行数据的调试，然后通过相关
的经验公式完成数据的整定。
参考文献
[1] 厉玉鸣主编，《化工仪表及自动化》，化学工业出版社，2004年.
[2] 吴勤勤主编，《控制仪表及装置》，北京：化学工业出版社，2002年第二版.
[3] 施仁、刘文江等编，《自动化仪表及过程控制》，第三版，北京：电子工业出版社.2003.
[4] 王永红主编，《过程检测仪表》，北京：化学工业出版社，2005年.
[5] 盛克仁主编，《过程测量仪表》，北京：化学工业出版社，2001年.
课程设计评分表
评分项目评分成绩1．选题合理、目的明确（10分）
2．设计方案正确，具有可行性、创新性（30分）
3．项目工艺水平及测试性能达到技术要求（25分）
4．参考文摘不少于5篇（10分）
5．答辩（25分）
总分（100分）
答辩记录：
指导教师综合评语：
指导教师（签名）
日期：年月日
JIANG SU UNIVERSITY 机电系统综合课程设计 ——模块化生产教学系统的PLC控制系统设计 学院：机械学院 班级：机械 (卓越14002) 姓名：张文飞 学号： 3140301171 指导教师：毛卫平 2017年 6月
目录 一： MPS系统的第4站PLC控制设计 (3) 1.1第四站组成及结构 (3) 1.2 气动回路图 (3) 1.3 PLC的I/O分配表，I/O接线图（1、3、6站电气线路图） (4) 1.4 顺序流程图&梯形图 (5) 1.5 触摸屏控制画面及说明，控制、信息软元件地址表 (10) 1.6 组态王控制画面及说明 (13) 二： MPS系统的两站联网PLC控制设计 (14) 2.1 PLC和PLC之间联网通信的顺序流程图（两站）&从站梯形图 (14) 2.2 通讯软元件地址表 (14) 三：调试过程中遇到的问题及解决方法 (18) 四：设计的收获和体会 (19) 五：参考文献 (20)
一：MPS系统的第4站PLC控制设计 1.1第四站组成及结构： 由吸盘机械手、上下摆臂部件、料仓换位部件、工件推出部件、真空发生器、开关电源、可编程序控制器、按钮、I/O接口板、通讯接口板、多种类型电磁阀及气缸组成，主要完成选择要安装工件的料仓，将工件从料仓中推出，将工件安装到位。 1．吸盘机械手臂机构：机械手臂、皮带传动结构真空吸嘴组成。由上下摆臂装置带动其旋转完成吸取小工件到放小工件完成组装流程的过程。 2．上下摆臂结构：由摆臂缸（直线缸）摆臂机械装置组成。将气缸直线运动转化为手臂旋转运动。带动手臂完成组装流程。 3．仓料换位机构：由机构端头换仓缸带动仓位装置实现换位（蓝、黑工件切换）。 4．推料机构：由推料缸与机械部件载料平台组成。在手臂离开时将工件推出完成上料。 5．真空发生器：当手臂在工件上方时，真空发生器通气吸盘吸气。 5．I/O接口板：将桌面上的输入与输出信号通过电缆C1与PLC的I/O相连。 6．控制面板：完成设备启动上电等操作。（具体在按钮上有标签说明）。
过程控制工程 课程设计任务书 设计名称：扬子烯烃厂丁二烯装置控制模拟设计设计时间：2006.2.20~2006.3.10 姓名：毛磊 班级：自动化0201 学号：05号 南京工业大学自动化学院 2006年3月
1.课程设计内容： 学习《过程控制工程》课程和下厂毕业实习2周后，在对扬子烯烃厂丁二烯装置的实际过程控制策略、实习环节的控制系统以及相应的组态软件有一定的认识和了解的基础上，针对扬子烯烃厂丁二烯装置，设计一个复杂控制系统（至少包含一个复杂回路和3-5个简单回路），并利用组态软件进行动态仿真设计，调节系统控制参数，使控制系统达到要求的控制效果。 1)独立完成设计任务，每个人根据下厂具体实习装置，确定自己的课程设 计题目，每1-3人/组； 2)选用一种组态软件（例如：采用力控组态软件）绘制系统工艺流程图； 3)绘制控制系统原有的控制回路； 4)利用下厂收集的实际数据和工艺要求，选择被控对象模型，利用组态软 件，对控制系统进行组态； 5)改进原有的控制回路，增加1-2个复杂回路，并进行组态； 6)调节控制参数，使性能指标达到要求； 7)写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计 思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出 说明，并对所完成的设计做出评价，对自己整个设计工作中经验教训， 总结收获。 2. 进度安排（时间3周） 1)第1周选用一种组态软件绘制系统工艺流程图；绘制控制系统原有的 控制回路； 2)第2周利用下厂收集的实际数据和工艺要求，选择被控对象模型，利 用组态软件，对控制系统进行组态； 3)第3周(1-3) 改进原有的控制回路，增加1-2个复杂回路，并进行组态； 调节控制参数，使性能指标达到要求； 4)第3周(4) 书写课程设计说明书 5)第3周(5) 演示、答辩
成都理工大学工程技术学院《过程控制系统课程设计实验报告》 名称：单容水箱液位过程控制 班级：2011级自动化过程控制方向 姓名： 学号：
目录 前言 一．过程控制概述 (2) 二．THJ-2型高级过程控制实验装置 (3) 三．系统组成与工作原理 (5) （一）外部组成 (5) （二）输入模块ICP-7033和ICP-7024模块 (5) （三）其它模块和功能 (8) 四．调试过程 (9) （一）P调节 (9) （二）PI调节 (10) （三）PID调节 (11) 五．心得体会 (13)
前言 现代高等教育对高校大学生的实际动手能力、创新能力以及专业技能等方面提出了很高的要求，工程实训中心的建设应紧紧围绕这一思想进行。 首先工程实训首先应面向学生主体群，建设一个有较宽适应面的基础训练基地。通过对基础训练设施的 集中投入，面向全校相关专业，形成一定的规模优势，建立科学规范的训练和管理方法，使训练对象获得机械、 电子基本生产过程和生产工艺的认识，并具备一定的实践动手能力。 其次，工程实训的内容应一定程度地体现技术发展的时代特征。为了适应现代化工业技术综合性和多学科交叉的特点，工程实训的内容应充分体现机与电结合、技术与非技术因素结合，贯穿计算机技术应用，以适应科学技术高速发展的要求。应以一定的专项投入，建设多层次的综合训练基地，使不同的训练对象在获得对现代工业生产方式认识的同时，熟悉综合技术内容，初步建立起“大工程”的意识，受到工业工程和环境保护方面的训练，并具备一定的实用技能。 第三，以创新训练计划为主线，依靠必要的软硬件环境，建设创新教育基地。以产品的设计、制造、控制乃至管理为载体，把对学生的创新意识和创新能力的培养，贯穿于问题的观测和判断、创造和评价、建模和设计、仿真和建造的整个过程中。
控制装置与仪表课程设计 课程设计报告 ( 2012-- 2013年度第二学期) 名称：控制装置与仪表课程设计 题目：炉膛压力系统死区控制系统设计院系： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数：一周 成绩： 日期：2013年7 月5日
一、课程设计(综合实验)的目的与要求 1.1 目的与要求 （1）认知控制系统的设计和控制仪表的应用过程。 （2）了解过程控制方案的原理图表示方法（SAMA图）。 （3）掌握数字调节器KMM的组态方法，熟悉KMM的面板操作、数据设定器和KMM数据写入器的使用方法。 （4）初步了解控制系统参数整定、系统调试的过程。 1.2设计实验设备 KMM数字调节器、KMM程序写入器、PROM擦除器、控制系统模拟试验台1 1.3 主要内容 1. 按选题的控制要求，进行控制策略的原理设计、仪表选型并将控制方案以SAMA 图表示出来。 2 . 组态设计 2．1 KMM组态设计 以KMM单回路调节器为实现仪表并画出KMM仪表的组态图，由组态图填写 KMM的各组态数据表。 2．2 组态实现 在程序写入器输入数据，将输入程序写入EPROM芯片中。 3. 控制对象模拟及过程信号的采集 根据控制对象特性，以线性集成运算放大器为主构成反馈运算回路，模拟控制对 象的特性。将定值和过程变量送入工业信号转换装置中，以便进行观察和记录。 4. 系统调试 设计要求进行动态调试。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； 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，要重新组态下装。 二、设计（实验）正文 1设计题目：炉膛压力系统死区控制系统设计（如附图1） 附图1： 引风机 炉膛压力系统死区单回路控制系统
控制系统仿真课程设计 （2010级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2013年7月
控制系统仿真课程设计（一） ——锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真1.1 设计目的 本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的Matlab仿真，掌握过程控制系统设计及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制系统的性能及优缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系，掌握过程控制系统参数整定的方法。 1.2 设计原理 锅炉汽包水位控制的操作变量是给水流量，目的是使汽包水位维持在给定的范围内。汽包液位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带水过多，若用此蒸汽推动汽轮机，会使汽轮机的喷嘴、叶片结垢，严重时可能使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。汽包液位过低，水循环就会被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，甚至爆炸。 常见的锅炉汽水系统如图1-1所示，锅炉汽包水位受汽包中储水量及水位下汽包容积的影响，而水位下汽包容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。影响水位变化的因素主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量）和给水流量，锅炉汽包水位控制就是通过调节给水量，使得汽包水位在蒸汽负荷及给水流量变化的情况下能够达到稳定状态。 图1-1 锅炉汽水系统图
在给水流量及蒸汽负荷发生变化时，锅炉汽包水位会发生相应的变化，其分别对应的传递函数如下所示： （1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性 汽包和给水可以看做单容无自衡对象，当给水增加时，一方面会使得汽包水位升高，另一方面由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，又会使得汽包中气泡减少，导致水位降低，两方面的因素结合，在加上给水系统中省煤器等设备带来延迟，使得汽包水位的变化具有一定的滞后。因此，汽包水位在给水流量作用下，近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统，系统特性可以表示为 ()111()()(1)K H S G S W S s T s ==+ （1.1） （2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 在给水流量及炉膛热负荷不变的情况下，当蒸汽流量突然增加时，瞬间会导致汽包压力的降低，使得汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高；而当蒸汽流量突然减小时，汽包内压力会瞬间增加，使得水面下汽包的容积变小，出现水位先下降后上升的现象，上述现象称为“虚假水位”。虚假水位在大中型中高压锅炉中比较显著，会严重影响锅炉的安全运行。“虚假水位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅值与蒸汽量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，系统特性可以表示为 222()()()1f K K H s G s D s T s s ==-+ （1.2） 常用的锅炉水位控制方法有：单冲量控制、双冲量控制及三冲量控制。单冲量方法仅是根据汽包水位来控制进水量，显然无法克服“虚假水位”的影响。而双冲量是将蒸汽流量作为前馈量用于汽包水位的调节，构成前馈-反馈符合控制系统，可以克服“虚假水位”影响。但双冲量控制系统要求调节阀具有好的线性特性，并且不能迅速消除给水压力等扰动的影响。为此，可将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统，如图1-2所示。图中LC 表示水位控制器（主回路），FC 表示给水流量控制器（副回路），二者构成一个串级调节系统，在实现锅炉水位控制的同时，可以快速消除给水系统扰动影响；而蒸汽流量作为前馈量用于消除“虚假水位”的影响。
过程控制系统课程课题：反应釜温度控制系统 系另I」：电气与控制工程学院 专业：自动化_____________ 姓名： ________ 彭俊峰_____________ 学号：__________________ 指导教师： _______ 李晓辉_____________ 河南城建学院 2016年6月15日
反应器是任何化学品生产过程中的关键设备，决定了化工产品的品质、品种和生产能力。釜式反应器是一种最为常见的反应器，广泛的应用于化工生产的各个领域。釜式反应器有一些非常重要的过程参数，如：进料流量（进料流量比）、液体反应物液位、反应压力、反应温度等等。对于这些参数的控制至关重要，其不但决定着产品的质量和生产的效率，也很大程度上决定了生产过程的安全性。 由于非线性和温度滞后因素很多，使得常规方法对釜式反应器的控制效果不是很理想。本文以带搅拌釜式反应器的温度作为工业生产被控对象，结合PID 控制方式，选用FX2N-PLC 调节模块，同时为了提高系统安全性，设计了报警和紧急停车系统，最终设计了一套反应釜氏的温度过程控制系统。
1系统工艺过程及被控对象特性选取 被控对象的工艺过程 本设计以工业常见的带搅拌釜式反应器（CSTR）为过程系统被控对象。 反应器为标准3盆头釜，反应釜直径1000mm,釜底到上端盖法兰高度1376mm, 反应器总容积，耐压。为安全起见，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过。反应器压力报警上限组态值为。反应器的工艺流程如图1-1所示。 S8Q A a珑厲娜口 图1-1釜式反应器工艺流程图 该装置主要参数如表1-1所示。各个阀门的设备参数如表1-2所示，其中，D g为阀门公称直径、K v为国际标准流通能力。 表1-1主要测控参数表
… 过程控制系统 课程设计 { 班级： 本组成员： 、 2012年01月12日 设计报告目录
【1】内容一：过程控制课程设计的相关资料 (1) , 【2】内容二：过程控制课程设计 (6) （1）过程控制系统设计及其主要内容 (6) （2）被控对象特性分析 (6) （3）控制系统控制结构原理图 (7) （4）控制系统工艺流程图 (8) （5）一次仪表选型表 (10) （6）课程设计总结 (11) （7）参考文献 (12) . . 内容一：过程控制课程设计的相关资料
一．液位控制系统中PID控制 数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在水箱控制系统中有着极其重要的控制作用。 常用的PID控制系统原理框图如下所示： # PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成偏差 PID控制规律为： 写成传递函数形式为： -
PID是比例,积分,微分的缩写形式： 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器 * 二．自适应控制
~ 过程控制系统课程设计报告 · 题目：温度控制系统设计 姓名： 学号： 班级： 指导教师： ` )
温度控制系统设计 一、设计任务 设计电热水壶度控制系统方案，使系统满足85度至95度热饮需要。 二、预期实现目标 通过按键设定温度，使系统水温最终稳定在设定温度，达到控制目标。( 三、设计方案 （一）系统数学模型的建立 要分析一个系统的动态特性，首要的工作就是建立合理、适用的数学模型，这也是控制系统分析过程中最为重要的内容。数学模型时所研究系统的动态特性的数学表达式，或者更具体的说，是系统输入作用与输出作用之间的数学关系。 在本系统中，被控量是温度。被控对象是由不锈钢水壶、2Kw电加热丝组成的电热壶。在实验室，给水壶注入一定量的水，将温度传感器放入水中，以最大功率加热水壶，每隔30s采样一次系统温度，记录温度值。在整个实验过程中，水量是不变的。 经过试验，得到下表所示的时间-温度表： 表1 采样时间和对应的温度值
采样时间 t 8 》 9 10 11 12 13 温度值℃ 64 · 72 79 86 93 98 以采样时间和对应的温度值在坐标轴上绘制时间-温度曲线，得到图1所示的曲线： < 图1 时间-温度曲线 采用实验法——阶跃响应曲线法对温箱系统进行建模。将被控过程的输入量作一阶跃变化，同时记录其输出量随时间而变化的曲线，称为阶跃响应曲线。 从上图可以看出输出温度值的变化规律与带延迟的一阶惯性环节的阶跃曲线相似。因此我们选用 ()1s ke G s Ts τ-= + （式中：k 为放大系数；T 为过程时间常数；τ为纯滞后时间）作为内
控制系统数字仿真课程设计 1．课程设计应达到的目的 1、通过Matlab仿真熟悉课程设计的基本流程； 2、掌握控制系统的数学建模及传递函数的构造； 3、掌握控制系统性能的根轨迹分析； 4、学会分析系统的性能指标； 2．课程设计题目及要求 设计要求 1、进行系统总体设计，画出原理框图。（按给出的形式，自行构造数学模型，构造成1 个零点，三个极点的三阶系统，主导极点是一对共轭复根） G（s）=10(s+2)/(s+1)(s2+2s+6) 2、构造系统传递函数，利用MATLAB绘画系统的开环和闭环零极点图；(分别得 到闭环和开环的零极点图)参考课本P149页例题4-30 clear; num = [10,20]; den =[1 3 8 6]; pzmap(num,den) 3、利用MATLAB绘画根轨迹图，分析系统随着根轨迹增益变化的性能。并估算超 调量=16.3%时的K值（计算得到）。参考课本P149页例题4-31 clear num=[10,20]; den=[1 3 8 6]; sys=tf(num,den); rlocus(sys) hold on jjx(sys); s=jjx(sys); [k,Wcg]=imwk(sys)
set(findobj('marker','x'),'markersize',8,'linewidth',1.5,'Color','k'); set(findobj('marker','o'),'markersize',8,'linewidth',1.5,'Color','k'); function s=jjx(sys) sys=tf(sys); num=sys.num{1}; den=sys.den{1}; p=roots(den); z=roots(num); n=length(p); m=length(z); if n>m s=(sum(p)-sum(z))/(n-m) sd=[]; if nargout<1 for i=1:n-m sd=[sd,s] end sysa=zpk([],sd,1); hold on; [r,k]=rlocus(sysa); for i=1:n-m plot(real(r(i,:)),imag(r(i,:)),'k:'); end end else disp; s=[]; end function [k,wcg]=imwk(sys) sys=tf(sys) num=sys.num{1} den=sys.den{1}; asys=allmargin(sys); wcg=asys.GMFrequency; k=asys. GainMargin;
北华航天工业学院 课程设计报告（论文） 设计课题：前馈反馈控制系统的 设计与整定 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 设计时间：2013年12月06日
北华航天工业学院电子工程系 过程控制课程设计任务书 指导教师：教研室主任： 2013年12月06日 注：本表下发学生一份，指导教师一份，栏目不够时请另附页。 课程设计任务书装订于设计计算说明书（或论文）封面之后，目录页之前。
内容摘要 液位控制是工业中常见的过程控制，例如在饮料食品加工、化工生产、锅炉汽泡液位等多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制，它对生产的影响不容忽视。对于液位控制系统的方法，目前有常规的PID控制，但是PID 控制采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果。而且，对于一些控制精度要求较高的场合，例如核电厂的蒸汽生成器中的液位控制，某些化工原料厂的化学溶液液位等问题，不允许在有扰动的情况下出现太大的超调量和过程的调节时间。 目前为了达到精度较高要求的先进控制策略的发展有：预测控制、自适应控制、智能控制、模糊控制等。具体采用的方法如将模糊控制和传统的PID控制两者结合，用模糊控制理论来整定PID控制器的比例，积分，微分系统；以负荷为前馈扰动量构成一个串级加前馈的三冲量闭环控制系统等。目前各种锅炉汽包水位控制绝大多数采用三冲量水位控制策略。 本文针对液位控制系统中较为基础的单容水箱作为控制对象，单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。而对于控制系统的选择为前馈——反馈系统。一般的控制系统都属于反馈控制, 这种控制作用总是落后于扰动作用。对于时滞较大、扰动幅度大而频繁的过程控制往往不能满足生产要求。引入前馈控制可以获得显著的控制效果。前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制, 所以控制是及时的。如果补偿作用完善可以使被控变量不产生偏差。 索引关键词：前馈—反馈控制PID 自动控制液位控制
第1章过程控制 1-1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？ 解：1．控制对象复杂、控制要求多样 2. 控制方案丰富3．控制多属慢过程参数控制4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成 1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？ 解：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。 组成：由被控过程和过程检测控制仪表（包括测量元件，变送器，调节器和执行器）两部分组成。 1-4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类？ 解：分类方法说明：按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（P）控制、比例积分（PI）控制，比例、积分、微分（PID）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。 通常分类：1．按设定值的形式不同划分：（1）定值控制系统（2）随动控制系统（3）程序控制系统 2．按系统的结构特点分类：（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 1-5 什么是定值控制系统? 解：在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
1-6 什么是被控对象的静态特性？什么是被控对象的动态特性？二者之间有什么关系？ 解：被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。 被控对象的动态特性：。系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。 1-7 试说明定值控制系统稳态与动态的含义。为什么在分析过程控制系统得性能时更关注其动 态特性？ 解： 稳态：对于定值控制，当控制系统输入（设定值和扰动）不变时，整个系统若能达到 一种平衡状态，系统中各个组成环节暂不动作，它们的输出信号都处于相对静止状态，这种状态称为稳态（或静态）。 动态：从外部扰动出现、平衡状态遭到破坏、自动控制装置开始动作，到整个系统又建立新的稳态（达到新的平衡）、调节过程结束的这一段时间，整个系统各个环节的状态和参数都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。 在实际的生产过程中，被控过程常常受到各种振动的影响，不可能一直工作在稳态。只有将控制系统研究与分析的重点放在 各个环节的动态特性，才能设计出良好的控制系统。 1-8 评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些？各自的定义是什么？ 解：单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。 衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n ； 过渡过程的最大动态偏差：对于定值控制系统，是指被控参数偏离设定值的最大值A ； 超调量：第一个波峰值1y 与最终稳态值y （∞）之比的百分数σ；1 100%() y y σ= ?∞ 残余偏差C ： 过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y （∞）与设定值之间的偏差C 称为残余偏差，简称残差；
中南大学 《过程控制仪表》 课程设计报告 设计题目液位控制系统 指导老师 设计者 专业班级 设计日期 2011年6月 目录 第一章过程控制课程设计的目的和意义 (2) 1.1课程设计的目的 (2) 1.2课程设计的意义 (3) 1.3课程设计在教学计划中的地位和作用 (3) 第二章液位控制系统的设计任务 (3)
2.1设计内容及要求 (3) 2.2课程设计的要求 (4) 第三章实验内容及调试中遇到的具体问题和解决的办法 (4) 3.1实验目的 (4) 3.2实验内容 (5) 3.2.1流量单闭环控制系统 (5) 3.2.2流量比值控制系统 (6) 3.3实验调试中遇到的具体问题和解决办法 (7) 第四章液位控制系统总体设计方案 (9) 4.1液位控制系统在工业上的应用 (9) 4.2液位控制系统变送器以及开关阀的选择 (10) 4.3控制算法 (11) 4.4系统控制主机的选择 (11) 4.5系统的硬件设计（单纯的逻辑控制） (13) 4.5.1 水塔液位控制系统的主电路图 (13) 4.5.2 I/O接口的分配 (13) 4.5.3 水塔液位控制系统的I/O设备 (14) 4.5.2 控制系统硬件介绍 (14) 第五章系统软件设计 (16) 5.1系统软件设计1（单纯的逻辑控制） (16) 5.1.1水塔液位控制系统的程序流程图 (16) 5.1.2 水塔液位控制系统的工作过程 (17) 5.1.3 水塔液位控制系统的梯形图 (19) 5.2系统控制的程序 (20) 5.3 加入PID控制的指令的软件程序 (20) 5.3.1PID控制系统梯形图 (21) 5.3.2PID控制系统的指令： (24) 第六章收获、体会和建议 (25) 参考文献 (26) 第一章过程控制课程设计的目的和意义 1.1课程设计的目的 本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实
过程控制系统课程设计报告 题目：温度控制系统设计 姓名： 学号： 班级： 指导教师：
温度控制系统设计 一、设计任务 设计电热水壶度控制系统方案，使系统满足85度至95度热饮需要。 二、预期实现目标 通过按键设定温度，使系统水温最终稳定在设定温度，达到控制目标。 三、设计方案 （一）系统数学模型的建立 要分析一个系统的动态特性，首要的工作就是建立合理、适用的数学模型，这也是控制系统分析过程中最为重要的内容。数学模型时所研究系统的动态特性的数学表达式，或者更具体的说，是系统输入作用与输出作用之间的数学关系。 在本系统中，被控量是温度。被控对象是由不锈钢水壶、2Kw电加热丝组成的电热壶。在实验室，给水壶注入一定量的水，将温度传感器放入水中，以最大功率加热水壶，每隔30s采样一次系统温度，记录温度值。在整个实验过程中，水量是不变的。 经过试验，得到下表所示的时间-温度表： 表1 采样时间和对应的温度值
以采样时间和对应的温度值在坐标轴上绘制时间-温度曲线，得到图1所示的曲线： 图1 时间-温度曲线 采用实验法——阶跃响应曲线法对温箱系统进行建模。将被控过程的输入量作一阶跃变化，同时记录其输出量随时间而变化的曲线，称为阶跃响应曲线。 从上图可以看出输出温度值的变化规律与带延迟的一阶惯性环节的阶跃曲线相似。因此我们选用 ()1s ke G s Ts τ-= + （式中：k 为放大系数；T 为过程时间常数；τ为纯滞后时间）作为内胆温度系统的数学模型结构。 （1）k 的求法：k 可以用下式求得： ()(0) y y k x ∞-= （x ：输入的阶跃信号幅值）
目录 有害气体的检测、报警、抽排.................. . (2) 1 意义与要求 (2) 1.1 意义 (2) 1.2 设计要求 (2) 2 设计总体方案 (2) 2.1 设计思路 (2) 2.2 总体设计方框图 2.3 完整原理图 (4) 2.4 PCB制图 (5) 3设计原理分析 (6) 3.1 气敏传感器工作原理 (7) 3.2 声光报警控制电路 (7) 3.3 排气电路工作原理 (8) 3.4 整体工作原理说明 (9) 4 所用芯片及其他器件说明 (10) 4.1 IC555定时器构成多谐振荡电路图 (11) 5 附表一：有害气体的检测、报警、抽排电路所用元件 (12) 6.设计体会和小结 (13)
有害气体的检测、报警、抽排 1 意义与要求 1.1.1 意义 日常生活中经常发生煤气或者其他有毒气体泄漏的事故，给人们的生命财产安全带来了极大的危害。因此，及时检测出人们生活环境中存在的有害气体并将其排除是保障人们正常生活的关键。本人运用所学的电子技术知识，联系实际，设计出一套有毒气体的检测电路，可以在有毒气体超标时及时抽排出有害气体，使人们的生命健康有一个保障。 1.2 设计要求 当检测到有毒气体意外排时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁的光报警提示。当有毒气体浓度超标时能自行启动抽排系统，排出有毒气体，更换空气以保障人们的生命财产安全。抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。 2 设计总体方案 2.1 设计思路 利用QM—N5气敏传感器检测有毒气体，根据其工作原理构成一种气敏控制自动排气电路。电路由气体检测电路、电子开关电路、报警电路、和气体排放电路构成。当有害气体达到一定浓度时，QM—N5检测到有毒气体，元件两极电阻变的很小，继电器开关闭合，使得555芯片组成的多谐电路产生方波信号，驱动发光二极管间歇发光；同时LC179工作，驱使蜂鸣器间断发出声音；此时排气系统会开始抽排有毒气体。当气体被排出，浓度低于气敏传感器所能感应的范围时，电路回复到自动检测状态。
步进式加热炉控制系统设计 一、步进式加热炉工艺流程 1. 步进式加热炉简介 ⑴步进式加热炉步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作 把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。 炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。 （2）步进式炉的几种类型 步进式炉从炉子构造上分目前有：单面供热步进式炉、两面供热步进式炉、钢料可以翻转的步进式炉、交替步进式炉、炉底分段的步进式炉等等。 单面供热步进式炉也称步进底式炉，钢料放置在耐火材料炉底或铺设在炉底上的钢枕上。钢坯吸热主要来自上部炉膛，由于一面受热，这种炉子的炉底强度较低。它适用于加热薄板坯、小断面方坯或有特殊要求的场合。 两面供热步进式炉也称步进梁式炉，活动梁和固定梁上都安设有能将钢坏架空的炉底水管。在钢坯的上部炉膛和下部炉膛都设置烧嘴，因此炉底强度较高，适用于产量很高的板坯或带钢轧前加热。 钢坯可以翻转的步进式炉是每走一步炉内钢料可以翻转某一角度，步进梁和固定梁都带有锯齿形耐热钢钢枕，这是加热钢管的步进式炉，每走一步钢管可以在锯齿形钢枕上滚动一小段距离，使受热条件较差的底面逐步翻转到上面，以求加热均匀。 交替步进式炉则有两套步进机构交替动作。运送过程中，钢坯不必上升和下降，振动较小，底面不会被划伤，表面质量较好 炉底分段的步进式炉的加热段和预热段可以分开动作。例如预热段每走一步，加热段可以
走两步或两步以上。这种构造是专门为易脱碳钢的加热而设计的。钢坯在预热段放置较密，可以得到正常的预热作用，在加热段钢坯前进较快，达到快速加热，以减少脱碳。 （3）步进式炉的优缺点 步进式炉是借机械将炉内钢坯托着一步一步前进，因此钢坯与钢坯还不必紧挨着，其间距可根据需要加以改变。 原始的步进式炉只用于加热推钢机无法推进的落板坯或异形坯，随着轧机的大型化和连续化，推钢式炉已不能满足轧机产量和质量的要求。在这种情况下，近十年来造价较高的步进式炉得到了快速发展，其结构也日趋完善。 步进式炉具有以下特点：（1）炉子长度不受钢坯厚度的限制，不会拱钢，炉子可以建得很长，目前有些炉子已接近60 米长，一个步进式炉可以代替1.5—2 个推钢式炉。（2）操作上灵活性较大，可以通过改变装料间隙调节钢坯加热时间，且更换品种方便。（3）炉内钢料易于清空，减少停炉时清除炉内钢料的时间。（4）钢坯在炉内不与水管摩擦，不会造成通过轧制还不能消除的伤痕。（5）水管黑印小，即能得到尺寸准确的轧材。（6）两面加热步进式炉可以不要实底均热段，因此加热能力比推钢式炉稍大。（7）没有出料滑坡，减少了由于滑坡高差作用而吸入炉内的冷空气。（8）钢坯有侧面加热，这样可实现三面或四面加热，因此加热时间短，钢坯氧化少。（ 9）生产能耗大幅度降低,从炼钢连铸后开始全连续的直接生产。（ 10）产量大幅度提高,在100* 104t/a 以上。（ 11）生产自动化水平非常高，原加热炉的控制系统大都是单回路仪表和继电器逻辑控制系统，传动系统也大多是模拟量控制式供电装置，现在的加热炉的控制系统大多数都具有二级过程控制系统和三级生产管理系统，传动系统都是全数字化的直流或交流供电装置。 步进式炉的缺点是炉底机械设备庞大，维护和检修都较复杂，炉子造价太高。两面供热的步进式炉炉底水管较多，热损失大。单面供热的步进式炉虽然无水冷热损失，但产量较低。因此，尽管步进式炉有很多优点，仅由于它造价太高，目前在中小型厂全面推广还不适宜。
《计算机控制》课程设计报告 题目: 超前滞后矫正控制器设计 姓名: 学号: 10级自动化 2013年12月2日
《计算机控制》课程设计任务书 指导教师签字：系（教研室）主任签字： 2013年11 月25 日
1.控制系统分析和设计 1.1实验要求 设单位反馈系统的开环传递函数为) 101.0)(11.0(100 )(++= s s s s G ，采用模拟设 计法设计数字控制器，使校正后的系统满足：速度误差系数不小于100，相角裕度不小于40度，截止角频率不小于20。 1.2系统分析 （1）使系统满足速度误差系数的要求: ()() s 0 s 0100 lim ()lim 100 0.1s 10.011V K s G s s →→=?==++ (2)用MATLAB 画出100 ()(0.11)(0.011) G s s s s = ++的Bode 图为： -150-100-50050 100M a g n i t u d e (d B )10 -1 10 10 1 10 2 10 3 10 4 P h a s e (d e g ) Bode Diagram Gm = 0.828 dB (at 31.6 rad/s) , P m = 1.58 deg (at 30.1 rad/s) Frequency (rad/s) 由图可以得到未校正系统的性能参数为： 相角裕度0 1.58γ=?， 幅值裕度00.828g K dB dB =, 剪切频率为：030.1/c rad s ω=， 截止频率为031.6/g rad s ω=
（3）未校正系统的阶跃响应曲线 024******** 0.20.40.60.811.2 1.41.61.8 2Step Response Time (seconds) A m p l i t u d e 可以看出系统产生衰减震荡。 （4）性能分析及方法选择 系统的幅值裕度和相角裕度都很小，很容易不稳定。在剪切频率处对数幅值特性以-40dB/dec 穿过0dB 线。如果只加入一个超前校正网络来校正其相角，超前量不足以满足相位裕度的要求，可以先缴入滞后，使中频段衰减，再用超前校正发挥作用，则有可能满足要求。故使用超前滞后校正。 1.3模拟控制器设计 （1）确定剪切频率c ω c ω过大会增加超前校正的负担，过小会使带宽过窄，影响响应的快速性。 首先求出幅值裕度为零时对应的频率，约为30/g ra d s ω=，令 30/c g rad s ωω==。 （2）确定滞后校正的参数 2211 3/10 c ra d s T ωω= ==, 20.33T s =,并且取得10β=
一、设计目的与要求： 了解并掌握单回路控制系统的构成和控制原理。了解PID参数整定的基本方法,如Ziｅg ｌer-Nichｏlｓ整定方法、临界比例度法或衰减曲线法。学会用mａtlａb中的Simuliｎｋ仿真系统进行ＰIＤ参数整定。 二、设计正文: 在热工生产过程中，最简单、最基本且应用最广泛的就是单回路控制系统，其他各种复杂系统都是以单回路控制系统为基础发展起来的。 单回路控制系统的组成方框原理图如图１所示,它是由一个测量变送器、一个控制器和一个执行器（包括调节阀),连同被控对象组成的闭环负反馈控制系统。 图1、单回路控制系统组成原理方框图 控制器的参数整定可分为理论计算法和工程整定法。理论计算方法是基于一定的性能指标，结合组成系统各环节的动态特性,通过理论计算求得控制器的动态参数设定值。这种方法较为复杂繁琐，使用不方便,计算也不是很可靠,因此一般仅作为参考；而工程整定法,则是源于理论分析、结合实验、工程实际经验的一套工程上的方法，较为简单,易掌握,而且实用。常用的工程整定法有经验法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法等等,本设计中主要是应用Ziegler－Nichｏls整定方法来整定控制器的参数。 参数整定的基本要求如下所述： 1、通过整定选择合适的参数，首先要保证系统的稳定,这是最基本的要求。 2、在热工生产过程中，通常要求控制系统有一定的稳定裕度,即要求过程有一定的衰减比，一般要求4:1~１0：1。 3、在保证稳定的前提下，要求控制过程有一定的快速性和准确性。所谓准确性就是要求控制过程的动态偏差和稳态偏差尽量地小,而快速性就是要求控制时间尽可能地短。 总之，以稳定性、快速性、准确性去选择合适的参数。 目前工程上应用最广泛的控制是PID控制，这种控制原理简单,使用方便；适应性强；鲁棒性强，其控制品质对被控对象的变化不太敏感。 （1）比例控制（P控制)：G c(s)＝Kｐ=１/δ; （2）比例积分控制(PＩ控制）:G c(s）=Kｐ（1＋１/TＩs）=１/δ（１+1/T I s）； （3）比例积分微分控制(PＩD控制):Gｃ(s）＝K p(1+1／T I s+T D s）。 Zｉｅｇleｒ－Nichols法是一种基于频域设计ＰID控制器的方法，根据给定对象的瞬态响应来确定PIＤ控制器的参数。如果单位阶跃响应曲线看起来是一条S形的曲线，则可用如下传递函数近似：
唐山学院 自动控制系统课程设计 题目基于MATLAB的按转子磁链定向的异步电动机仿真系 (部) 智能与信息工程学院 班级 12电本1班 姓名董智博 学号 4120208102 指导教师吕宏丽吴铮 2016 年 1 月 18 日至 1 月 22 日共 1 周 2016年 1 月 22 日
《自动控制系统》课程设计任务书
目录 1引言 (1) 2异步电动机的三相数学模型 (2) 2.1异步电动机动态数学模型的性质 (2) 2.2异步电机三相数学模型的建立过程 (2) 2.2.1磁链方程 (3) 2.2.2电压方程 (5) 2.2.3转矩方程 (6) 2.2.4运动方程 (7) 3坐标变换和状态方程 (9) 3.1坐标变换的基本思路 (9) 3.2三相--两相变换（3/2变换和2/3变换） (10) 3.3静止两相坐标系状态方程的建立 (11) 4系统模型生成及仿真............................... 错误！未定义书签。 4.1各模型实现 (14) 4.1.1 3/2变换模型 (14) 4.1.2异步电动机模型 (15) 4.2整体模型 (16) 4.3仿真参数设置 (17) 4.4仿真结果 (17) 5总结 (20) 参考文献 (21)
1引言 异步电动机具有非线性、强耦合性、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。矢量控制系统和直接转矩控制系统是已经获得成熟应用的两种基于动态模型的高性能交流电动机调速系统，矢量控制系统通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电机模型，然后模仿直流电机控制策略设计控制系统；直接转矩控制系统利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的正、负符号，根据当前定子磁链矢量所在位置，直接选取合适的定子电压矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。两种交流电动机调速系统都能实现优良的静、动态性能，各有所长，也各有不足。但是无论是哪种控制方法都必须经过仿真设计后才可以进一步搭建电路实现异步电动机的调速。 本设计是基于MATLAB的按定子磁链定向的异步电动机控制仿真，通过模型的搭建，使得异步电动机能够以图形数据的方式经行仿真，模拟将要实施的转子磁链设计，查看设计后的转矩、磁链、电流、电压波形，对比观察空载起动和加载过程的转速仿真波形，观察异步电动机稳态电流波形，观察转子磁链波形。
课程设计 题目精馏塔提馏段温度串级控制系统设计学院自动化学院 专业自动化专业 班级自动化1004班 姓名 指导教师贺远华 2014 年 1 月10 日
课程设计任务书 学生姓名：专业班级：自动化1004班 指导教师：贺远华工作单位：自动化学院 题目: 精馏塔提馏段温度串级控制系统设计 初始条件： 针对精馏过程中传统PID控制普遍存在的时滞问题，以计算机为控制器，提馏段温度为主控对象，蒸气流量为副控对象，设计一个精馏塔提馏段的温度控制系统。 要求完成的主要任务: 1、了解精馏塔控制的工艺要求和特性 2、系统控制方案设计 3、分析系统调节原理 4、确定控制参数 时间安排 月日选题、理解课题任务、要求 月日方案设计 月日参数计算撰写说明书 月日答辩 指导教师签名： 20 年月日 系主任（或责任教师）签名： 20 年月日
目录 摘要 (1) 1.绪论 (2) 1.1精馏原理 (2) 1.2串级控制 (3) 2 精馏塔精馏段温度串级系统的原理与结构 (4) 2.1变量的选择 (4) 2.2 工艺描述 (4) 2.3 精馏塔精馏段控制的原理 (5) 3.设计方案 (7) 3.1控制方案类型 (7) 3.2控制方案的选择 (8) 4．系统各仪表选择 (13) 4.1 检测变送器的原理 (13) 4.1.1 温度变送器的选择 (13) 4.1.2 流量变送器的选择 (14) 4.1.3 液位变送器的选择 (15) 4.2 执行器的选择 (15) 4.3 调节器的选择 (16) 4.4 调节器与执行器、检测变送器的选型 (17) 5.系统仿真 (18) 5.1串级控制系统matlab仿真分析 (18) 5.2液位控制系统仿真分析 (20) 心得体会 (22) 参考文献 (23) 本科生课程设计成绩评定表 (24)