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1、控制系统基本组成：被控对象、检测元件（装置）、控制器、执行器（装置）。
2、过程控制系统的主要类型：闭环控制系统、定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
3、过程控制系统的两种表示形式：方框图、带控制点的工艺流程图。
方框图：控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示，包括方框、信号线、比较点、引出点四部分。
带有输入输出的方框比较点引出点绘制方框图注意事项：正反馈与负反馈通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程。
图中每一条线代表系统中的一个变量信号，线上的箭头表示信号传递的方向。
每个方块代表系统的一个部分，称为“环节”。
需要指出的是，方块图的每一个方块都代表一个具体的装置，方块与方块之间的连线只是代表方块之间的信号联系，并不代表方块之间的物料关系。
从简单控制系统的方块图可看出，控制系统构成一个闭合回路，称为闭环控制系统。
如果控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反馈联系的控制系统，即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量的变化没有通过反馈作用去改变控制作用。
从信号上看，这时没有形成闭合回路，称为开环控制系统。
开环控制系统不能自动觉察被控变量的变化情况，也不能判断操纵变量的校正作用是否适合实际需要而自动改变操纵变量。
对控制系统的方块图进行几点说明：①方块图中各环节的增益都有正、负之分；②系统的输出变量是被控变量，被控变量经过测量变送又返回到输入端，与给定值进行比较，构成反馈；③把控制阀、被控对象和测量变送环节合在一起成为广义对象，这样系统就归结为控制器和广义对象两部分，一般情况下，往往把广义二字也给省略了。
带控制点的工艺流程图：文字符号和图形符号。
有如下要素：1、测量点、控制点2、测量变量、控制变量、监测与操作变量3、检测仪表、执行器、控制器（如调节器、数字调节器、DCS等）、其他辅助仪表4、控制方案（单回路、复杂控制回路、监视与操作）用文字符号和图形符号在工艺流程图上描述生产过程自动控制的原理图：小圆圈表示仪表、第一字母表示被测变量、后续字母表示仪表功能。
第1章 过程控制系统概述习题与思考题1.1 什么是过程控制系统，它有那些特点？1.2 过程控制的目的有那些？1.3 过程控制系统由哪些环节组成的，各有什么作用？过程控制系统有那些分类方法？1.4 图1.11是一反应器温度控制系统示意图。
A 、B 两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器的温度保持不变。
试画出该温度控制系统的方框图，并指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数及可能影响被控参数变化的扰动有哪些？1.5 锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。
汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。
水位过高，会使蒸汽带液，降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备；而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。
因此，必须对汽包水位进行严格控制。
图1.12是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求：1）画出该控制系统方框图。
2）指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数和扰动参数各是什么。
3）当蒸汽负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。
V-1图1.12 锅炉汽包水位控制示意图1.6 评价过程控制系统的衰减振荡过渡过程的品质指标有那些？有那些因素影响这些指标？1.7 为什么说研究过程控制系统的动态特性比研究其静态特性更意义？1.8 某反应器工艺规定操作温度为800 10℃。
为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850℃。
现运行的温度控制系统在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如图1.13所示。
1）分别求出稳态误差、衰减比和过渡过程时间。
2）说明此温度控制系统是否已满足工艺要求。
T/℃图1.13 某反应器温度控制系统过渡过程曲线1.9 简述过程控制技术的发展。
1.10 过程控制系统与运动控制系统有何区别？过程控制的任务是什么？设计过程 控制系统时应注意哪些问题？第3章 过程执行器习题与思考题3.1 试简述气动和电动执行机构的特点。
3.2 调节阀的结构形式有哪些？3.3 阀门定位器有何作用？3.4 调节阀的理想流量特性有哪些？实际工作时特性有何变化？3.5 已知阀的最大流量min v q =50m 3，可调范围R=30。
一．1过程控制定义：生产过程自动化的简称，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2过程控制的特点:1系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成。
2 被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计3 控制方案丰富多彩，控制要求越来越高4 控制过程多属于慢变过程与参量控制5 定值控制是过程控制的主要形式。
3过程控制的要求与任务：安全性、经济性和稳定性4过程控制系统的组成：过程控制系统主要由被控过程和自动化仪表（包括计算机）两部分组成5过程控制系统的分类：1 结构不同的控制系统（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 2 设定值不同的控制系统（1）定值控制系统 （2）随动控制系统（3）顺序控制系统自动化仪表的分类与发展1按照安装场地分现场类仪表与控制室类仪表2．按照能源形式分可分为液动、气动和电动安全火花型防爆则是把仪表的电路在短路、断路及误操作等各种状态下可能产生的火花限制在爆炸性气体的点火能量之下，因而与气动仪表、液动仪表一样，具有本质安全防爆性能。
安全火花型防爆系统必须具备两个条件： 一是现场仪表必须设计成安全火花型；二是现场仪表与非危险场所(包括控制室)之间必须经过安全栅，以便对送往现场的电压电流进行严格的限制，从而保证进入现场的电功率在安全范围之内。
二．调节器的作用：将变送器送来的1～5V ·DC 的测量信号，与1～5V ·DC 的给定信号进行比较得到偏差信号，然后再将其偏差信号进行PID 运算，输出4～20mA ·DC 信号，最后通过执行器，实现对过程参数的自动控制。
2．执行器的作用：接受来自调节器的控制信号，改变其阀门开度，从而达到控制介质流量的目的。
3.安全栅：1：保证信号的正常传输，2控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控制系统的安全火花性能。
传递函数形式比例度δ：调节器输入偏差的相对变化量与相应输出的相对变化量之比，用百分数表示为软手动操作电路：指调节器的输出电流与手动输入电压信号成积分 关系。
《计算机控制技术》课程设计具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计班级：姓名：学号：指导老师：日期：目录一、设计任务 (1)1.1 题目 (1)1.2内容与要求 (1)二、设计思想与方案 (2)2.1控制策略的选择 (2)2.2 硬件设计思路与方案 (2)2.3 软件设计思路与方案 (3)三、硬件电路设计 (3)3.1温度传感器输出端与ADC的连接 (3)3.2 ADC与单片机8051的连接 (4)3.3 单片机8051与DAC的连接 (4)3.4 整机电路 (5)四、系统框图 (7)五、程序流程图 (8)5.1 主程序流程图 (8)5.2 子程序流程图 (9)六、数字调节器的求解 (11)6.1 基本参数的计算 (11)七、系统的仿真与分析 (13)7.1 θ=0时系统的仿真与分析 (13)7.2 θ=0时系统的可靠性与抗干扰性分析 (14)7.2 θ=0.4461时系统的仿真与分析 (16)7.3 θ=0.4461时系统的可靠性与抗干扰性分析 (17)八、设计总结与心得体会 (20)参考资料 (21)一、 设计任务一、题目设计1. 针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节()1sKe G s Ts τ-=+的温度控制系统和给定的系统性能指标：✧ 工程要求相角裕度为30°～60°，幅值裕度>6dB✧ 要求测量范围-50℃～200℃，测量精度0.5％，分辨率0.2℃2. 书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图，并转化为系统结构图 具体要求：✧ 温度传感器、执行机构的选型✧ 微型计算机的选型（MCS51、A VR 等等）✧ 温度传感器和单片机的接口电路✧ 其它扩展接口电路（主要是输入输出通道）✧ 利用Protel 绘制原理图，制作PCB 电路板（给出PCB 图）3. 软件部分：✧ 选择一种控制算法（最少拍无波纹或Dalin 算法）设计出控制器（被控对象由第4步中的参数确定），给出控制量的迭代算法，并借助软件工程知识编写程序流程图✧ 写出主要的单片机程序4. 用MATLAB 和SIMULINK 进行仿真分析和验证对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rand(1)考虑θ=0或T/2两种情况，即有延时和延时半个采样周期的情况。
基于西门子工业软件的仿真系统设计-一阶惯性加纯滞后对象摘要本论文针对工业过程中常用的一般典型环节温度、压力、物位和流量等具有一阶惯性加纯滞后特性的连续变量被控对象,通过西门子可编程控制器S7-300对其进行程序设计和仿真,并通过西门子组态软件WinCC对其仿真实验进行界面绘制,来对实际的控制过程进行模拟仿真,从而缩短现场调试周期,提高其工作效率。
关键词:西门子,一阶惯性加纯滞后,仿真The Design of Simulate System Base on Industry Softwares of Siemens—First-order plus time delay inertial objectABSTRACTIn this paper, commonly used for industrial processes typical of the general aspects of temperature, pressure, level and flow with the first-order plus time delay characteristics of the inertia of the continuous variable object, through the siemens S7-300 programmable logic controller to carry out the procedure for its design and simulation, and through siemens simulation WinCC configuration software interface mapping experiments to control the actual process of simulation, so as to shorten the debugging cycle, to improve their work efficiency.KEY WORDS: siemens,first-order plus time delay of inertia,simulation目录摘要 (I)ABSTRACT ................................................................ II 1 绪论. (11.1仿真系统的应用与分类 (11.2本课题研究的目的和意义 (11.3本课题研究的主要任务 (22 PLC介绍及西门子工业软件介绍 (3 2.1 PLC介绍 (32.1.1 PLC的基本概念 (32.1.2 西门子PLC的简介 (32.2 西门子软件介绍 (32.2.1 STEP 7编程软件介绍 (32.2.2 WinCC软件介绍[6] (53 PID控制调节规律 (63.1 PID介绍 (63.1.1 比例调节(P (63.1.2 积分调节(I (63.1.3 微分调节(D (73.1.4 比例积分调节(PI (83.1.5 比例积分微分调节(PID (93.1.6 PID控制器的参数整定 (93.2 连续PID控制器FB41 (103.2.1 介绍 (103.2.2参数表 (113.2.3 连续PID控制器FB41的应用 (144 被控对象的仿真与界面开发 (164.1 程序设计 (164.1.1 一阶惯性加纯滞后数学模型的差分转化 (164.1.2 绘制流程图 (174.1.3 通过STEP 7实现对程序的编写 (174.2 仿真界面的开发 (194.2.1 建立项目 (194.2.2 组态项目 (21IV总结 (26致谢 (27参考文献 (28基于西门子工业软件的仿真系统设计-一阶惯性加纯滞后对象 11 绪论1.1仿真系统的应用与分类系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。
一阶纯滞后环节表达式理论说明1. 引言1.1 概述在控制理论和系统分析中，纯滞后环节是一种重要的数学模型。
纯滞后环节可以用来描述实际系统中存在的延时响应特性，尤其是在工程控制中具有广泛的应用。
本文将详细介绍一阶纯滞后环节的数学表达式、特点以及其在系统控制领域中的应用。
1.2 文章结构本文主要包括五个部分，首先是引言部分，对文章进行概述和结构说明；第二部分将详细探讨一阶纯滞后环节的理论说明，包括定义、数学表达式以及其特点和应用；第三部分将进行理论验证与实例分析，介绍实验设备与方法，并对收集到的数据进行处理和分析；第四部分将对结果进行讨论与分析，比较不同参数和输入信号对滞后响应的影响，并探讨纯滞后环节模型在系统控制中的应用前景；最后一部分为结论与展望，总结研究工作并提出未来研究方向建议。
1.3 目的本文旨在深入理解一阶纯滞后环节，在数学上准确描述其特性和行为，并探讨其在实际系统中的应用。
通过理论验证与实例分析，旨在验证和进一步加深对纯滞后环节的认识。
最终，本文将为系统控制领域提供关于一阶纯滞后环节的理论基础和应用前景的参考依据。
2. 一阶纯滞后环节表达式的理论说明：2.1 什么是一阶纯滞后环节一阶纯滞后环节是控制系统中常见的一种动态特性，它是指输出信号与输入信号之间存在固定时间延迟和衰减比例的关系。
在一个典型的一阶纯滞后环节中，输出信号会滞后于输入信号，并以指数衰减的形式逐渐趋近于输入信号。
2.2 纯滞后环节的数学表达式对于一个一阶纯滞后环节，其数学表达式可以表示为：G(s) = e^(-τs)其中，G(s)表示该纯滞后环节的传递函数，s为复平面上的复变量，τ为时间常数。
2.3 纯滞后环节的特点与应用纯滞后环节具有以下几个特点和应用：a) 时间延迟：由于纯滞后环节的存在，在输入信号发生改变时，输出信号会有一定的延迟。
这种时间延迟效应在实际控制系统中具有很大影响，在某些需要考虑时序关系和稳定性要求较高的控制任务中起到重要作用。
b) 衰减比例：纯滞后环节的输出信号与输入信号之间存在一定的衰减比例关系，即输出信号的幅值会逐渐降低。
这种衰减特性在控制系统中可以用于稳定化系统行为，降低噪声干扰以及滤波等应用。
c) 建模与分析：纯滞后环节在控制系统建模和分析中具有重要地位。
通过对纯滞后环节进行建模和分析，可以更好地理解控制系统的动态特性，并设计出合适的控制策略以实现预期的系统功能。
2.3 纯滞后环节表达式理论说明部分提供了对一阶纯滞后环节的基本概念、数学表达式和特点进行了详细阐述。
理解一阶纯滞后环节的原理和应用对于控制系统设计和分析非常重要。
在下一章节中，将对该理论进行进一步验证并提供实例分析结果及讨论。
3. 理论验证与实例分析：本节将介绍实验设备和方法，数据收集和处理过程，以及实例分析结果和讨论。
3.1 实验设备与方法介绍在本次研究中，我们使用了一台先进的控制系统实验装置。
该装置包括了一个模拟电路板、一个数据采集系统以及相应的软件工具。
模拟电路板能够模拟一阶纯滞后环节，并且可以调整不同的参数。
在实验过程中，我们首先将模拟电路板连接到数据采集系统上，然后利用软件工具进行参数设置和信号输入。
为了保证实验结果的可靠性和准确性，我们对仪器进行了校准，并对每次实验进行了多次重复来消除潜在的误差。
3.2 数据收集与处理过程数据收集是验证理论表达式的重要步骤之一。
我们使用数据采集系统记录了纯滞后环节在不同参数配置下的输入输出信号。
为了得到可靠的数据，我们进行了多组实验，并记录下每组实验中产生的输入信号和对应的输出响应。
这些数据经过筛选和去噪处理后被存储于计算机中方便分析。
接下来，我们对所收集到的数据进行了统计和分析。
我们计算了平均值、标准差和相关系数等统计量，并绘制了曲线图和散点图以直观地展示实验结果。
3.3 实例分析结果及讨论对于每组实验数据，我们通过对比输入输出信号的波形和值，来验证一阶纯滞后环节的表达式是否正确。
根据实例分析的结果，我们发现在不同参数配置下，一阶纯滞后环节的输出响应与理论推导得出的表达式相吻合。
具体而言，当增大滞后环节的时间常数时，输出响应时间延迟也相应增加；当改变输入信号的幅度时，输出响应也会相应变化。
此外，在实例分析中还发现一阶纯滞后环节具有较好的稳态性能和抑制噪声的能力。
这使得它在系统控制中具有广泛应用前景。
综上所述，通过理论验证与实例分析，我们验证了一阶纯滞后环节表达式的准确性，并揭示了其特点与应用。
这些研究结果对于深入理解滞后环节在系统控制中的作用起到了重要指导作用。
4. 结果讨论与分析：4.1 对比不同参数对滞后响应的影响：在这一部分，我们将对不同参数对纯滞后环节的响应进行比较和分析。
首先，我们选择了几组不同的参数值，并将其应用于纯滞后环节模型。
通过观察输出信号随时间的变化，我们可以直观地看到不同参数对系统响应的影响。
结果表明，在固定输入信号条件下，增加纯滞后环节的时间常数会导致系统响应延迟更多。
这是因为时间常数表示环节对输入信号变化的迟滞程度。
较大的时间常数意味着系统需要更长时间才能对输入信号做出反应。
此外，在相同时间常数下，增加纯滞后环节的增益会使系统对输入信号更敏感。
即系统输出将更大程度地跟随输入信号，而较小的增益则会导致输出信号受到较少干扰。
综上所述，参数调整可以改变纯滞后环节对输入信号的响应特性。
在实际控制系统中，根据所需的动态性能来选取适当的参数值非常重要。
4.2 对比不同输入信号对滞后响应的影响：接下来，我们将研究不同输入信号对纯滞后环节响应的影响。
我们采用了多种不同类型的输入信号，例如阶跃信号和正弦信号，并进行了详细比较分析。
结果表明，不同类型的输入信号会导致系统在时间和频率上呈现出不同的响应特性。
对于阶跃信号，纯滞后环节会产生一定的延迟响应，并逐渐趋近于稳定状态。
而对于正弦信号，则会产生超调现象和频率衰减。
此外，输入信号的幅值也会影响滞后环节的响应特性。
较大幅值的输入信号会引起更明显的超调和振荡现象，而较小幅值则可能导致系统响应不明显或过度衰减。
因此，在设计控制系统时，需要根据实际需求选择合适的输入信号，并结合所需动态特性调整纯滞后环节参数以达到预期目标。
4.3 滞后环节模型在系统控制中的应用前景：最后，在这一部分中，我们将探讨纯滞后环节模型在系统控制中的应用前景。
基于之前对结果讨论和分析的基础上，我们可以得出以下结论：纯滞后环节模型在许多自动控制系统中具有广泛的应用前景。
其简单的数学表达式和可调节的参数使其成为了系统设计中不可或缺的一部分。
通过合理调整纯滞后环节参数，可以实现对系统动态性能的精确控制。
滞后响应特点使得系统对输入信号更加稳定和平滑，而且在一些特定场合下也能够降低噪声干扰。
此外，纯滞后环节模型还可以与其他控制算法和技术结合使用，形成更复杂的控制策略。
例如，在闭环系统中引入纯滞后环节可以增强系统稳定性，并提高鲁棒性和抗干扰性能。
因此，我们相信，纯滞后环节模型在未来自动控制系统研究和应用中将继续发挥重要作用，并为工程师们提供更多灵活可行的控制方案。
5. 结论与展望：在本文中，通过对一阶纯滞后环节表达式进行理论说明，并进行了实例验证和结果分析。
根据结果讨论与分析部分得出的结论以及对滞后环节模型在系统控制中的应用前景进行了讨论。
总结来说，纯滞后环节具有可调节的参数、简单直观的数学表达式以及稳定平滑的响应特性，在自动控制系统中具有广泛应用。
在未来的研究中，我们可以进一步探索滞后环节模型在不同领域和实际工程中的应用，并结合其他控制算法和技术进行更深入的研究和开发。
展望未来，我们还可以进一步优化纯滞后环节模型，考虑非线性因素和时间变化因素，以适应更复杂的系统和更高要求的控制任务。
同时，加强理论与实践相结合，通过实验验证和数据分析提高对滞后环节行为特性的理解，并为实际工程提供更准确有效的控制策略。
5. 结论与展望5.1 研究工作总结：在本文中，我们对一阶纯滞后环节进行了详细的理论说明。
首先，我们给出了一阶纯滞后环节的数学定义和表达式，并介绍了其特点和应用。
然后，我们进行了理论验证和实例分析，在实验设备和数据处理过程中获得了一系列结果并进行了讨论。
最后，我们通过对比不同参数和不同输入信号对滞后响应的影响，在系统控制中展示了滞后环节模型的潜在应用前景。
5.2 研究工作展望与未来研究方向建议：虽然本文对一阶纯滞后环节进行了相关研究，但还有一些尚未涉及到的方面值得进一步深入探索。
在未来的研究中，以下几个方面值得关注：首先，可以进一步扩展该模型的适用范围。
目前，本文主要讨论了一阶纯滞后环节在系统控制中的应用情况。
然而，在实际情况下可能存在更为复杂的环境和系统结构。
因此，针对不同类型的系统，可以考虑引入更多变量或者组合使用多个滞后环节模型，以获得更准确的系统响应预测结果。
其次，可以研究一阶纯滞后环节与其他环节模型之间的相互作用。
在实际控制系统中，不同环节通常会相互影响，并且往往不存在孤立运行的情况。
因此，深入研究不同环节之间的耦合关系以及其对整个系统性能的影响，将对控制系统设计和优化提供更为全面的指导。
另外，可以进一步利用实验数据进行验证和分析。
本文主要采用了理论推导和模拟方法来阐述一阶纯滞后环节的特点和应用。
然而，实验结果能够更加准确地反映真实系统的行为，并且可以根据具体情况进行参数调整和优化。
因此，在未来的研究中可以选择合适的实验设备和方法来收集数据，并通过实例分析来验证和完善已有理论结论。
总之，对一阶纯滞后环节进行理论说明具有重要意义，并且具有广泛的应用前景。
通过进一步扩展该模型的适用范围、研究不同环节之间的相互作用以及利用实验数据进行验证和分析，将有助于深入理解系统控制的基本原理，并为实际工程中的控制系统设计和优化提供更为可靠的指导和决策依据。
