目录
第1章题目背景与意义 (1)
第2章设计题目介绍 (2)
2.1 锅炉汽包水位的动态特性 (2)
2.1.1 给水流量W对汽包水位H的影响 (2)
2.1.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的影响 (3)
2.2锅炉汽包水位特性 (4)
2.2.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性 (4)
2.2.2包水位在蒸汽流量作用下的动态特性 (5)
第3章系统设计 (7)
3.1 给水流量扰动下的水位动态特性实验 (7)
3.1.1方案论证 (7)
3.1.2过程论证 (9)
3.1.3结果分析 (10)
3.2 单冲量控制系统 (11)
3.2.1方案论证 (11)
3.2.2过程论证 (12)
3.2.3结果分析 (14)
3.3 串级三冲量控制系统 (14)
3.3.1方案论证 (14)
3.3.2过程论证 (16)
3.3.3结果分析 (17)
第4章结论 (18)
4.1 实验总结 (18)
4.2 问题分析 (18)
参考文献 (20)
第1章题目背景与意义
汽包水位是锅炉运行中的一个重要参数,它体现了锅炉产生的蒸汽量和给水
量之间的动态平衡关系,是保证锅炉安全运行的重要条件。汽包水位过高会影响
汽水分离,造成出口蒸汽中水分过多,结果导致过热器的受热面结垢而被烧坏;而
汽包水位过低,则会破坏汽水循环,造成水冷壁管供水不足而被烧毁,甚至引起锅
炉爆炸。汽包水位控制的目的就是要克服锅炉负荷变化所引起的“虚假水位”和各种干扰对水位的影响,维持汽包水位在允许的范围内变化。锅炉水位自动控制
的任务,就是控制给水流量与蒸发量的动态平衡,维持汽包内水位在允许的范围内变化。同时，汽包水位在正常范内波动是保证锅炉安全生产运行的必要条件。锅炉汽包水位是锅炉运行中的一个重要监控参数，它间接地体现了锅炉负荷和给水之间的平衡关系。
锅炉给水控制系统是火力发电厂非常重要的控制子系统，稳定的汽包水位是汽包锅炉安全运行的重要指标。火电厂给水系统构成复杂，汽包水位受到机组负荷、汽包压力、温度、给水量等多项参数的影响：不同负荷阶段，给水设备不同，又需要采取不同的控制方式。目前使用的火电厂给水控制系统存在着各自的不足之处，往往难以满足火电机组复杂工况的要求。针对这些情况，为了保证汽包水位维持在要求值，本文首先分析了给水控制对象的动态特性，在此基础上设计出了采用汽动调速泵、电动调速泵、调节阀三者结合的汽包水位控制系统，低负荷时通过改变旁路调节阀的开度来调节给水量，用单冲量控制系统控制汽包水位；高负荷时通过改变给水泵转速改变给水量，用串级三冲量控制系统控制汽包水位，保证对汽包水位蒸汽流量和给水流量的准确测量。给水调节阀、汽泵、电泵之间，单冲量系统和三冲量系统之间都能实现无扰切换，既能满足机组全程控制要求，又有良好的调节性能和运行经济性。
传统的控制方法是基于各种分立器件，利用多种检测器对被控参数进行实时检测并反馈给控制器件，再根据自动控制理论的有关算法完成相应的运算并驱动调节机构完成相应的动作，从而达到自动控制的目的。这种控制方式受分立器件的性能影响大，系统各部分之间影响较大，自动化水平不高，控制效果并非十分理想，并且易出现故障，不利于系统的长期安全、高效运行。现在广泛使用的控制技术还有DCS集散控制系统，DCS系统适合有多个控制回路同时工作的复杂系统，而且集散控制系统往往价格昂贵，对于像汽包水位这样的控制系统来说性价比太高，因此对于汽包水位控制系统来说并非理想的选择。
第2章设计题目介绍
2.1 锅炉汽包水位的动态特性
锅炉汽水系统如图所示，锅炉在运行的过程中，由于负荷、燃烧状况、给水流量等诸多干扰因素的影响；所以锅炉汽包水位是经常变化的。其中影响汽包水位的主要因素有：
（1）来自给水管道和给水泵方面的压力，包括给水压力以及调节阀开度等的变化；
（2）来自蒸汽负荷的扰动，包括主蒸汽调节阀开度、蒸汽管道阻力等的变化。分析汽包水位的动态特性，确定给水自动控制系统设时如何考虑这些扰动因素，是设计给水自动控制系统的主要依据。
2.1.1 给水流量W对汽包水位H的影响
汽包水位在给水流量W扰动下的动态特性给水流量W的扰动是影响汽包水位的主要因素，它来自控制侧，属于内部扰动。给水流量W作阶跃变化时，锅炉的水位H变化的阶跃响应曲线如图1.1所示。
H
图2.1 给水流量扰动下水位的阶跃响应曲线
图中当给水量增大时，由于给水温度必然低于锅炉内的汽包饱和水温度，所以需要从饱和水中吸取一部分的热量，因此导致汽包内液体温度的下降，进而使水位下的气泡减少。只有在水位下气泡容积变化达到平衡后，管道给水量的增加才与水位成正比例地增大。在图1.1中阶跃响应曲线的初始阶段中，水位的增加
比较缓慢，可用实验特性来近似描述，因为当给水量的突变使得汽包水位经过一定的时间滞后才会增加，所以用来表示滞后时间。
根据上面的分析，若给水温度过低，则从饱和水中吸收的热量要多些，所以时间滞后也会相应的变得大一些。
2.1.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的影响
蒸汽流量D的扰动主要来自汽轮发电机组功率或外界用汽负荷的变化，属于外部扰动，所以汽包水位在外部蒸汽流量干扰下变化的阶跃响应曲线如图1.2所示。
图2.2 蒸汽流量扰动下水位的阶跃响应曲线
当负荷设备的用汽量突然增加时，单从物料不平衡的角度考虑，汽包中的蒸发量大于给水量，汽包水位的变化应如图1.2中H1所示直线下降。但实际显示出的水位变化如图1.2中H所示水位不但不下降，反而迅速上升，这就是我们常说的“虚假水位”现象。这种情况是由于当炉的蒸发量突然增加时，瞬间导致汽包压力下降，沸腾加剧，水面下的汽泡容积增加得很快，汽包水位上升，当汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位就随物的不平衡关系的变化而开始下降。其中H2曲线代表着水面下汽泡容积的增加而使水位的变化，实际的液位变化曲线H相当于是H1和H2合成的。当蒸汽流量突然减小时，水位变化则是先下降再上升。
在实际的工业锅炉中，虚假水位的变化幅度与锅炉的规模有着直接的关系，例如一般的100-300T/H高压锅炉来说，当负荷变化10%的时候，其虚假水位可达30-40mm左右，因此在实际的控制方案当中应该将其考虑在内。
2.2锅炉汽包水位特性
工业锅炉汽水系统结构见图2-1。汽包及蒸发管系统中储藏着蒸汽和水,储藏量的多少是以被控量水位来表征的。汽包的流入量是给水量,流出量是蒸汽量, 当给水量等于蒸发量时, 汽包水位就能恒定不变。引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。如果只考虑主要扰动,那么,汽包水位对象的动态特性可用方程式表示为:
式中: T1,T2为时间常数;T w为给水流量项时间常数;T D为蒸汽流量项时间常数;K w为给水流量项的放大系数;K D为蒸汽流量项的放大系数。
图2-3锅炉汽水系统
2.2.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性
给水量是锅炉的输入量,如果蒸汽负荷不变,那么在给水流量发生变化时,
汽包水位对象的微分方程式可以表示为:
从而可以得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数:
T w的数值一般很小常常以忽略不计,对于一些锅炉,在给水量增加时,在较长的一段时间里,汽包水位并不增加,存在一段较长的起始惯性段,用下式近似表示,其响应曲线图见图2-4。
图2-4给水流量阶跃变化时的汽包响应曲线
（4）由图3-2可知,在给水流量阶跃输入作用下,当突然加大给水量(蒸汽量不变),使给水量大于蒸发量,汽包水位一开始并不立即增加,而呈现出一段起始惯性段。这是因为温度较低的更多的给水进入了水循环系统,使它从原有的饱和汽水中吸取了一部分热量,汽包和汽水管路中由于热量的损失,汽泡体积减少经省煤器进入汽包的给水,首先必须填补由于汽水管路中蒸汽减少让出的空间。这时,虽然给水量增加,但水位基本不变但水面下汽包容积变化过程逐渐平静时,汽包水位才由于贮水量的增加而逐渐上升当水面下汽泡容积不再变化,完全稳定下来时,水位就随着贮水量的增加而直线上升。
2.2.2包水位在蒸汽流量作用下的动态特性
汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性(给水量不变)可用下式表示为：
（5）:
则其传递函数可以用两个动态环节的并联来等效,其汽包的阶跃响应曲线见图2-5。
图2-5 汽包水位在蒸汽流量阶跃作用下的响应曲线
图2-5可知,当负荷蒸汽流量增加时,汽包水位开始不但不降反而上升,即先上升后下降;当蒸汽负荷量突然减小时,则汽包水位变化的情况相反,先降后升。
造成“虚假液位”的原因有:一是锅炉蒸汽负荷增加使炉管和汽包中汽水混合物的汽水比例发生变化( 汽容积增加) 而引起汽包水位上升,这是引起汽“虚假液位”的主要原因。二是蒸汽流量增加, 汽包气压下降,炉水沸点下降。由于炉水位饱和水的气化,使汽包水位随压力下降而升高。
（6）
第3章系统设计
3.1 给水流量扰动下的水位动态特性实验
3.1.1方案论证
所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或设备等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图2-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F2-14和F1-6全开，设上水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，上水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-9的开度可以改变Q2。液位h 的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h 为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h 与Q1之间的数学表达式。
图3-1 单容自衡水箱特性测试系统
（a ）结构图（b ）方框图
根据动态物料平衡关系有
Q 1-Q 2=A dt
dh (1) 将式(2-1)表示为增量形式 ΔQ 1-ΔQ 2=A
dt h d (2) 式中：ΔQ 1，ΔQ 2，Δh ——分别为偏离某一平衡状态的增量； A ——水箱截面
积。
在平衡时，Q 1=Q 2，dt
dh ＝0；当Q 1发生变化时，液位h 随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。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。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h 成正比关系，而与阀F1-9的阻力R 成反比，即
ΔQ 2=R h ?或 R=2Q ??h (3)
式中：R ——阀F1-9的阻力，称为液阻。
将式(2-2)、式(2-3)经拉氏变换并消去中间变量Q 2，即可得到单容水箱的数学模型为
W 0（s ）＝)()(1s Q s H ＝1RCs R +=1
s +T K (4) 式中T 为水箱的时间常数，T ＝RC ；K 为放大系数，K ＝R ；C 为水箱的容量
系数。若令Q 1（s ）作阶跃扰动，即Q 1（s ）=s
x 0，x 0=常数，则式(2-4)可改写为 H （s ）=T T K 1s /+×s x 0=K s x 0-T K 1s x
0+ 对上式取拉氏反变换得h(t)=Kx 0
(1-e -t/T ) (5) 当t —>∞时，h （∞）-h （0）=Kx 0，因而有 K=0
x 0h h ）（）（-∞＝阶跃输入输出稳态值 (6) 当t=T 时，则有h(T)=Kx 0(1-e -1)=0.632Kx 0=0.632h(∞) (7)
式（2-5）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2（a ）所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T 。也可由坐标原点对响应曲线作切线OA ，切线与稳态值交点A 所对应的时间就是该时间常数T ，由响应曲线求得K 和T 后，就能求得单容水箱的传递函数。
图3-2 单容水箱的阶跃响应曲线
如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图2-2（b ），在此曲线的拐点D 处作一切线，它与时间轴交于B 点，与响应稳态值的渐近线交于A 点。图中OB 即为对象的滞后时间τ，BC 为对象的时间常数T ，所得的传递函数为： H(S)=Ts
Ke s +-1τ (8)
3.1.2过程论证
本实验选择作上水箱为被测对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F2-14全开，将出水阀门F1-9开至适当开度（40%-70%），其余阀门均关闭。
(1)．将“SA-12智能调节仪控制”挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接
表3-1 仪表控制单容水箱特性测试实验接线说明
●本实验为开环控制，不需要设置PID参数，其他参数为：Sn=33；CF=0；ADDR=1；diH=50;dil=0;上水箱出水阀开度40%-70%
(2)．接通总电源空气开关和钥匙开关，直流电压指示24V，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给智能仪表上电。
(3)．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验一的监控界面。
(4)．将智能仪表输出值设置为一个合适的值（40%-70%），此操作需通过调节仪表实现。
(5)．按下电源控制柜启动按钮，打开磁力泵电源旋钮开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使上水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。
(6)．待液位平衡后，突增（或突减）智能仪表输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图3-3所示。
图3-3 单容液位阶跃响应曲线
(7)．根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式（3-6）计算K 值，再根据图3-2中的实验曲线求得T 值，写出对象的传递函数。
3.1.3结果分析
图3-4给水流量扰动实验结果
如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图2-2（b ），在此曲线的拐点D 处作一切线，它与时间轴交于B 点，与响应稳态值的渐近线交于A 点。图中OB 即为对象的滞后时间τ，BC 为对象的时间常数T ，所得的传递函数为： H(S)=s
e s
14317.1+-τ(9)
3.2 单冲量控制系统
3.2.1方案论证
单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号, 冲量即变量。单冲量水位控制系统由汽包、变送器、调节器、执行器及调节阀等组成, 单冲量水位控制系统信号管路见图3-5，原理图见3-6
图3-5单冲量水位控制系统信号管路图
图3-6单冲量水位控制系统信号原理图
其特点为：结构简单，投资少，适用于气泡容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合。该过程具有虚假水位的反向特性，因此，当符合变化较大时，会造成控制器输出误动作，严重影响设备的运行寿命和安全，影响控制系统的控制品质。蒸汽负荷变化后，要在引起水位变化后才改变给水量，因此控制不及时。
这种控制系统是典型的单回路定值控制系统。对于水在汽包内的停留时间较长,且负荷又比较稳定的情况,“虚假水位”现象不严重,采用单冲量控制系统, 进
行PID调节一般就能满足生产要求然而,在其他的场合,尤其是在水停留时间较短,
且负荷变化较大的锅炉中,由于控制作用缓慢,不能及时克服干扰,采用单冲量控
制系统就不太合适。
3.2.2过程论证
本实验选择作上水箱为被测对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F2-14全开，将出水阀门F1-9开至适当开度（40%-70%），其余阀门均关闭。
(1). 将SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，
表3-3仪表单容液位定值控制接线说明
(2)．接通总电源空气开关和钥匙开关，直流电压指示24V，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给智能仪表上电。
(3)．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制”，进入实验三的监控界面。
(4)．设置智能仪表的各个参数(见参考参数),在监控界面中点击启动仪表。
(5)．按下电源控制柜启动按钮，打开磁力泵电源旋钮开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使上水箱的液位趋于设定值。
(6)．按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI 控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。
(7)．待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
①突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变
化；（此法推荐，后面二种仅供参考）
②将电动调节阀的旁路阀F1-2（同电磁阀）开至适当开度,同时打开直流电磁阀的钮子开关；
③将进水阀F1-6开至适当开度；（改变负载）
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-7所示。
图3-7 单容水箱液位的阶跃响应曲线
(8)．分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
(9)．分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4～8，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
3.2.3结果分析
图3-8单冲量水位控制实验结果
系统传递函数应为水箱与PID控制器串联所得，经实验结果图形分析，结果符合，验证了理论的正确性
3.3串级三冲量控制系统
3.3.1方案论证
三冲量锅炉汽包给水自动控制系统是以汽包水位为主控制信号, 蒸汽流量为前馈控制信号, 给水流量为反馈控制信号组成的控制系统。当负荷( 蒸汽流量) 突然发生变化, 蒸汽流量信号能使给水调节阀一开始就向正确方向移动, 即当蒸汽流量增加时, 给水调节阀开大, 抵消了由于“虚假水位”引起的反向误动作。当水压变化使给水流量改变时, 调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少, 调节器立即根据给水流量减少的信号开大给水阀, 从而使给水量保持不变。另外, 给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号, 能使调节器及早知道控制的效果,所以使用三冲量控制系统能使调节器动作加快, 还可以避免调节过量, 减少水位波
动, 防止失控。串级三冲量水位控制系统信号管路图3-9，原理图3-10。
图3-9串级三冲量水位控制系统信号管路图
图3-10串级三冲量水位控制系统信号原理图
从图3-9可以看出,三冲量水位控制系统有两个闭合回路:一个是由给水流量、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路; 另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之内, 但它的引入可以改善控制质量, 且不影响闭合回路工作的稳定性, 所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。
内回路可看做单回路系统,其动态特性可理解为快速随动系统,即内回路随动于主回路产生的变量。由于内回路的快速响应,当给水流量发生扰动时,水位信号还未发生变化时内扰就被消除,所以整定内回路时可不考虑水位变化,将外回路断开,调节器内给定为零。
外回路也可看做一个单回路系统。以给水流量的变化(内回路)作为调节对象的输入量,以水位测量信号(电流)做为调节对象的输出,等效为一个比例调节器。最
后,由于2个回路是在分别看做单回路系统时整定的,在正式投入运行时还要视情况对2个回路的PID进行相应的调整。
三冲量控制系统具有如下优点: 一是相对单冲量和双冲量控制系统, 其控制品质最好, 能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求。二是能有效地避免“虚假水位”现象。
3.3.2过程论证
本实验选择锅炉汽包作为被控对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，确保汽包中有一定的水，然后打开阀F1-1、F2-14、F1-7、F2-1,、F2-2、F2-4，F2-15开至适当的开度。
(1)、将SA-12、SA-13A挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线接头插入屏内相应的RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计
表3-5三冲量控制实验说明
●参考参数：
调节器1：P=20，I=50，D=0，CF=0,ADDR=1,CTRL=1,SV=10CMdil=0 dih=50 调节器2：P=55，I=0，D=0，CF=0,ADDR=2,CTRL=1,SN=32,dil=0 dih=50
调节器3：P=0，I=0，D=0，CF=0,ADDR=3,CTRL=1,SN=33dil=0 dih=100
变频器频率F=25HZ，
(2)、接通实验控制屏总电源空气开关和钥匙开关，给压力变送器上电，按下启动按钮，打开单相I空气开关给智能仪表上电。
(3)、打开上位机MCGS组态环境，打开“锅炉汽包特性测试”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、三冲量控制”，进入实验三的监
控界面。
(4)、在不加扰动时，先用手动使系统的输出量液位接近于稳态值，然后投入自动运行。
(5)、加一适量扰动（变频器支路定值打水），观察并记录被控制量H的变化过程。
(6)、引入前馈补偿器后，再加同样大小的扰动，观察并记录被控制量H的变化过程。
3.3.3结果分析
图3-11串级三冲量水位控制实验结果
系统传递函数应为水箱与主PID控制器和副PID调节器组成的三冲量控制系统相同，经实验结果图形分析，相对单冲量和双冲量控制系统, 其控制品质最好, 能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求。二是能有效地避免“虚假水位”现象。结果符合，验证了理论的正确性
第4章结论
4.1 实验总结
通过这次课程设计，我不但巩固了以前在课本中所学到的理论知识，更重要的是通过对锅炉水位控制系统的分析，我学到了许多课本之外的知识，为以后参加工作打下了良好的基础。以下是我的具体收获：
1. 了解锅炉水位控制的概念、任务和要求。
2. 掌握了串级PID控制器的原理及设计，明白串级三冲量给水控制的内外
回路和前馈通路的作用。
3. 了解锅炉给水控制系统方案及控制过程，能够对给水全程控制系统进行
分析及整定。能够独立分析给水全程控制系统的单、三冲量系统的切换以及三冲量系统与单冲量调节系统之间的切换与跟踪问题。
4. 能够对全程给水控制系统SAMA图进行分析，并掌握了使用Visio画图工具绘制SAMA图。
5. 增强了我自己动手、动脑以及独立思考问题的能力，通过和同学一起思
考讨论问题，我还增长了见识，深化了团队合作和互相帮助的理念。
4.2 问题分析
在本设计中，我们针对锅炉汽包水位三冲量控制系统, 提出了控制系统设计原则与要求,将串级三冲量PID控制技术应用到给水控制系统,提高了给水调节系
统的可靠性。从仿真模拟结果可以看出, 三冲量串级给水控制系统可以及时消除蒸汽量变化和给水流量波动的干扰, 快速地控制汽包水位使之达到稳定运行的
要求, 而且该具有较高的调节质量和调节精度, 能够保障机组的安全稳定运行,
从而延长了锅炉的使用寿命。
对于大型设备的工业生产过程中，汽包水位是锅炉安全运行的重要参数之一，三冲量的引进很好地避免了“虚假水位”对水位控制的影响。而且通过仿真软件的仿真，可以系统地对锅炉汽包水位控制系统进行研究，并且设计出更加准确的PID控制参数。
经过一周紧张的课程设计，我们终于把锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真设计弄完了，虽然设计不太复杂，但是对于我们来说，对于过程控制的掌握与之操
作就是一个难点。所以需要我们认真地去做和仔细查阅资料，这样才会设计出而且对于该更加的完美的控制系统的仿真设计。由于该控制系统仿真在工业生产过程中占有重要的地位，所以对该课程设计的学习对于我们来说是相当重要的，而且对于我们日后工作也会有一定的帮助。
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)