过程控制课程设计
辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：精馏塔塔内压力控制系统设计
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课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：测控技术与仪器
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要
精馏塔是石油、化学加工工业(CPI)中使用量最大、能耗最高、应用面极广的分离单元操作设备。本设计采用单回路控制系统对塔内压力进行实时控制，采用PID算法的DTZ—2100控制器对HK-613系列通用型压力变送器采集到的塔内压力值进行处理，并将控制信号传递给ZXS型新系列气动薄膜角形单座调节阀，令其对冷却量进行控制，从而达到对塔内压力的控制。精馏塔的控制最终目标是：在保证产品质量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大生产设备自动化程度的提高，有利于降低工厂成本、促进生产线的柔性化和集成化，有利于提高产品的产量、质量以及产品的竞争力。从某种意义上说，高效的精馏塔控制技术为我们创造了不可忽视的经济效益和社会效益。
关键词：精馏塔；分离单元；PID算法
目录
第1章绪论 (1)
1.1 研究背景及意义 (1)
1.2 当前发展状况 (2)
第2章系统方案设计 (5)
2.1 概述 (5)
2.1.1 系统对象特性分析 (5)
2.1.2系统方案论证 (5)
2.1.3 系统组成总体结构 (6)
第3章仪表选型 (8)
3.1 压力变送器选择 (8)
3.2 执行器的选择 (9)
3.3 控制器的选择 (9)
3.4 控制规律的选择 (11)
第4章系统仿真 (12)
4.1控制系统参数计算 (12)
4.2 控制系统matlab仿真 (13)
第5章课程设计总结 (16)
参考文献 (17)
第1章绪论
1.1 研究背景及意义
精馏是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛的传质传热过程。而石油化工是基础性产业，它为农业、能源、交通、机械、电子、纺织、轻工、建筑、建材等工农业和人民日常生活提供配套和服务，在国民经济中占有举足轻重的地位，在现代生活中，几乎随时随地都离不开化工产品，从衣、食、住、行等物质生活到文化艺术、娱乐等精神生活，都需要化工产品为之服务。
精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同挥发度，将各组分分离并达到规定的纯度要求。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即同一温度下各组分的蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到气相，气相中的重组分转移到液相，实现组分的分离。
1.精馏过程的核心在于回流，而回流必须消耗大量能量。降低能耗是精馏
过程发展的重大课题。除了选择经济上合理的回流比外，主要的节能措
施有：热泵精馏。将塔顶蒸气绝热压缩（见热力学过程）升温后，重新
作为再沸器的热源(见热泵蒸发)；
2.多效精馏：精馏装置由压力依次降低的若干个精馏塔组成，前一精馏塔
塔顶蒸气用作后一精馏塔再沸器的加热蒸气（见多效蒸发）；
3.采用高效精馏塔，可用较小的回流比；采用高效换热器，可降低传热温
度差，这样就可以减少有效能损失。
4.采用电子计算机对过程进行有效控制，减小操作裕度，确保过程在最低
能耗下进行。
精馏操作分为连续精馏和间歇精馏，本设计的研究对象是连续精馏的过程。其操作过程是：原料液经预热加热到一定温度后，进入精馏塔中的进料板，料液在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，在逐板下流，最后流入塔底再沸器中，液体在逐板下降的同时，它与上升的蒸汽在每层塔板上相互接触，同时进行部分汽化和部分冷凝的质量和能量的传递过程。操作时，连续从再沸器中取出的部分液体作为塔底产品，部分液体汽化产生上升蒸汽，从塔底回流入塔内出塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝成液体，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。
精馏塔是石油、化学加工工业(CPI)中使用量最大、能耗最高、应用面极广的分离单元操作设备。从精馏设备的历史发展来看，精馏技术与石油、化学加工
工业的发展是相辅相成、相互刺激、共同进步的发展关系。精馏技术的任何进步，都会极大刺激化学加工工业的技术发展，同样在石油、化学加工工业发展的每一个历史阶段都会对精馏设备技术提出更高要求。当前填料塔技术已经基本可以满足不远未来的需求，板式塔技术依然是未来发展的主流。现有新型板式塔技术的发展主要是传统简单技术的深化和传统简单技术的复杂化，前者可以很好地满足现有生产局面对塔内件的要求，而后者将发展成未来板式塔的主流。
精馏塔是化工生产中分离互溶液体混合物的典型分离设备。它是依据精馏原理对液体进行分离，即在一定压力下，利用互溶液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同，使轻组份（即沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽化。经多次部分液相汽化和部分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，从而实现分离的目的，满足化工连续化生产的需要。精馏塔塔釜温度控制的稳定与否直接决定了精馏塔的分离质量和分离效果，控制精馏塔的塔釜温度是保证产品高效分离，进一步得到高纯度产品的重要手段。维持正常的塔釜温度，可以避免轻组分流失，提高物料的回收率，也可减少残余物料的污染作用。
随着现代化工的飞速发展，生产规模的不断扩大，工艺过程越趋复杂，对工艺流程前后工序相互关联紧密，充分利用能源等提出的要求，精馏塔在工业过程控制领域发挥了越来越重要的作用，广泛应用于各种行业的生产过程中。精馏塔的控制最终目标是：在保证产品质量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大生产设备自动化程度的提高，有利于降低工厂成本、促进生产线的柔性化和集成化，有利于提高产品的产量、质量以及产品的竞争力。从某种意义上说，高效的精馏塔控制技术为我们创造了不可忽视的经济效益和社会效益。
1.2 当前发展状况
图1.1 精馏塔历史发展
阶段I: （20~50年代）：
1920年，有溢流的泡罩塔板开始应用于炼油工业，开创了一个新的炼油时代。泡罩塔板对设计水平要求不高、对各类操作的适应能力强、对操作控制要求低等特性在当时被认为是无可替代的板型。Rachig环填料塔主要应用于较小直径的无机分离塔设备中，同时也开发了Pall环,标志着现代乱堆填料的诞生。
阶段II：(50～70年代)∶
消除放大效应的研究:AIChE研究，浮阀塔板的开发，FRI的成立，系统化的设计方法：1955年，Monsanto公司的Bolles发表了著名的“泡罩塔板设计手册”，首先提出了科学的、规范化塔板设计技术，该方法到目前为止仍然广泛流行，大孔筛板的研究。
阶段III：(70～90年代) :
大型液体分布器的基础研究,使得填料塔的放大研究成功，并在减压塔中应用获得极大的经济效益和社会效益，通过计算机对辅助精馏塔放大效应的研究,计算塔板效率和精馏过程设计，新型高性能浮阀塔板的开发及应用。
阶段IV (80末-至今) ∶
新型高性能塔板的开发及工业应用，塔板设计、开发更趋于科学化的方向。
鉴于精馏塔塔设备在炼油和石化工业中的作用、重要地位和当今我国石化工业面临的形势，按照塔内件研究的历史发展规律，结合我国精馏塔塔设备操作现状和现有塔内件的技术水平，提出现阶段和未来的塔内件开发方向可以从三个主要方面拓展：
1.精馏塔塔内件实用技术是指针对当前的常规生产实际和特殊体系，以
扩能、增效、降耗为目的，以实现“安、稳、长、满、优”为目标，在现
有塔板新技术基础上进行的更优性能精馏塔塔内件开发和拓展，以使当
前企业尽快摆脱困境，更好地适应即将面临的激烈国际石化市场的竞
争。
2.精馏塔塔内件实用技术是未来生产发展赶超国外的必要准备之一。过去
我国精馏塔塔内件大多数是国外2O世纪50~70年代塔板技术的消化吸
收、国产化和改进深化研究。真正自主开发的塔内件技术极少。为了适
应未来国际石化市场的竞争，赶超国际水平，Sina—pac 应该开展一些
超前的高性能技术，例如CSI超大型处理能力塔板，形成自己的特色。
3.精馏设备是规模经济，精馏塔塔设备大型化已经受到重视。尽管当前的
原油减压塔已经实现9 m塔径的超大型规模，但由于减压塔放大效应最
低而采用常规技术放大的成功率较高。对于常压、加压体系，超大型塔
设备的建立必须先期进行超大型塔设备的应用基础研究。精馏塔塔设备
科学化设计是未来塔设备的发展方向，现有经验设计技术难以适应未来塔设备科学化设计的要求，因此需要开展科学化塔内件设计技术的技术储备。
第2章系统方案设计
2.1 概述
本设计为单回路控制系统。通过压力传感器对精馏塔塔内压力进行实时测量，同时将对应的电信号传递给PID控制器进行处理，并由控制器输出控制信号控制执行器的阀门开度，实现对精馏塔塔内压力的动态控制。对化工、石油化工、炼油生产的精馏具有重要作用。
本设计要求设计一个精馏塔塔内压力的无差控制系统，要求测量范围为0-5MPa，控制压力为：1±0.1大气压，超调量为小于等于25%。
2.1.1 系统对象特性分析
1.被控参数的选择
被控参数的选择是控制系统设计的核心问题。直接关系到生产的稳定操作、产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善。所以应尽量选择能直接反应控制目的的参数为被控参数。
根据生产工艺要求设计是控制精馏塔塔内压力的单回路控制系统，所以塔内压力为被控参数。
2.操纵变量的选择
被控参数确定之后，还需要选择一个合适的操作变量。以便被控参数在外界干扰作用下发生变化时，能够通过对操纵变量的调整，使得被控参数迅速地返回到原来的给定值上，以保持产品质量的不变。
本设计是以进入精馏塔内的物料为操纵变量。
2.1.2系统方案论证
压力是为建立塔稳定操作提供条件。压力恒定阻止了气体积累。对于一个连续系统，若不阻止积累就不可能取得稳态操作，也就不可能稳定。压力是精馏塔操作的主要控制参数，压力除影响气体积累外，还影响冷凝、蒸发、温度、组成、相对挥发度等塔内发生的几乎所有过程。
精馏塔对压力的平衡要求很严格。一旦压力大幅度波动，塔釜液位、回流液位紧跟着波动，进而影响到物料平衡、热量平衡、相平衡三大平衡，从而使整个操作系统处于不平稳状态，影响到产品质量及产量。例如从提高产品质量来说，
压力越高，沸点越接近，气液两相越难分离，显然降低压力可以提高产品质量。但降低操作压力是以增加冷却介质的用量或降低冷却介质温度为前提的，因此降低操作压力是有限度的。由此可见，压力控制对精馏塔的操纵有主导作用。
方案一：采用分程控制：
首先通过改变冷却量来调节精馏塔塔内压力，而当冷却量达到最大后，如果塔内压力仍不能下降达到设定值，说明精馏塔内已含有过多的物料，光通过增大冷却量以无法完成控制，因此就要通过打开另一个阀门，通过排放物料的方法降低塔内压力。控制方案示意图如图2.1。
图2.1 方案一控制方案示意图
方案二：采用单回路控制：
单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个控制对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产中得到广泛应用。
本设计是精馏塔塔内压力控制系统，精馏塔塔内压力是被控参数，塔内物料量是操纵变量，压力变送器将精馏塔内的压力值转换为电信号送入温度控制器中，控制器通过控制调节阀开度，调节进入塔内的冷却水流量，从而达到控制精馏塔内压力的目的。
由于与方案一相比，方案二在同样能达到控制要求的前提下，结构更简单、成本更低、更便于施工，因此最后选择方案二。
2.1.3 系统组成总体结构
设本系统为液相采出，流出物含微量不凝物，所以采用单回路控制系统，单
回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，在生产中得到广泛应用。
单回路控制系统具有以下特点：
1. 它由一个测量变送装置、一个控制器、一个控制阀和相应的被控对象所组成。
2. 控制器是根据被控变量与给定值的偏差来进行控制的。
3. 系统结构简单，所需自动化技术工具少（仪表少），投资比较低，操作维护
也比较方便。
单回路控制系统是由一个控制对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统，如图2.3所示，x 为设定值，y 为输出的控制量。
图2.2 工艺流程图
x 图2.3控制系统框图
第3章仪表选型
3.1 压力变送器选择
在工业生产过程中，为了正确指导生产操作、保证生产安全运行、提高产品质量和实现生产过程自动化，一项必不可少的工作是准确而及时地检测出生产过程中的各个有关参数，例如压力、流量、物位及温度等。用来检测这些参数的技术工具称为检测仪表。用来将这些参数转化为一定的便于传送的信号（例如电信号或气压信号）的仪表通常称为传感器。当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。而变送器对参数的测量则是过程控制中不可缺少的一个环节。
由于设计要求的控制变量为精馏塔塔内压力，并且规定了测量范围为0~5标准大气压，因此本设计选择HK-613系列通用型压力变送器，该变送器选用国际著名公司高精度，高稳定性压力传感器组件，经过高可靠性的放大电路及精密温度补偿，将被测介质的压力转换成4～20mADC、0～5VDC，0～10VDC及1～5VDC等标准电信号，高质量的传感器、精湛的封装技术以及完善的装配工艺确保了该产品的优异质量和最佳性能，并且该变送器适用于液压及气动控制系统。实物图如图3.1所示。
相关参数：
测量范围：0～-0.1MPa至0～250MPa
准确度： 1.0级、0.5级、0.25级
介质温度-30～+85℃
环境温度-20～+85℃
储存温度-40～+90℃
图3.1 压力变送器实物图
3.2 执行器的选择
执行机构是自动控制系统中的一个重要组成部分。它的作用是接受控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。
执行器按其能源形式可分为气动、电动、液动三大类。气动执行器用压缩空气作能源，其特点是结构简单、动作可靠、平稳、输出推力大、维修方便、放火防爆，而且价格较低，因此广泛地应用于化工、炼油等生产过程中。它可以方便地与气动仪表配套使用。气动执行器有时还配有的辅助装置，常用的有法盲、阀门定位器，阀门定位器的作用是利用反馈原理来改善执行器的性能，使执行器能按控制器的控制信号，实现准确定位。
考虑到一旦系统出现故障或进物料中断时，无控制信号输出，调节阀自动关闭，以免物料全部流走，因此本设计中执行器选用气开式调节阀。
根据设计的流量特性为液体，本设计采用ZXS型新系列气动薄膜角形单座调节阀。ZXS型新系列气动薄膜角形单座调节阀采用顶导向结构，具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、阀容量大、流体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、拆装方便等优点。可调范围大，固有可调比50，流量特性有直线和等百分比。广泛应用于精确控制气体、液体等介质，特别适用于允许泄漏量小阀前事压差不大的高粘度，含有悬浮物和颗粒状物质流体的调节，可避免结焦、堵塞，便于自净与清洗的场合。阀体口径范围DN20~200。适用流体温度由-200℃~+560℃，并且执行机构采用多弹簧结构，高度及重量均减小30%。
3.3 控制器的选择
控制器是系统的大脑和指挥中心，是整个控制系统的核心所在，输入信号进入控制器，并且按照控制器的控制规律进行计算，即进行信号处理，运算处理的结果作为输出信号控制执行机构的动作，完成指挥控制系统的任务。
根据设计的控制系统分析，当精馏塔储液槽液位上升、被控参数出现偏差时，应增加调节阀的开度，使液位下降，调节器LC应为“正作用”方式，才能在储液槽液位升高时，调节器LC输出信号增大，调节阀开度增大，物料流出量增加，液位下降。
在实际工业生产应用中，调节器是构成自动控制系统的核心仪表，它将来自变送器的测量信号VI与调节器的内给定或外给定信号VS进行比较，得到其偏差e，有e=VI-VS ，然后调节器对该偏差信号按某一规律进行运算，输出调节信号控制执行机构的动作，以实现对被控变量如温度、液位、压力和流量等的自动
控制作用。
调节器的分类方法很多，按使用的能源来分，有气动调节器和电动调节器；按结构形式分有基地式调节器、单元组合调节器和组装式调节器。单元组合调节器有气动单元组合调节器和电动单元组合调节器。共有I型、II型和III型调节器。由于DDZ-III型调节器性能优越，易于与计算机联用。因此，本设计的调节器选择使用PID算法的DDZ-III型调节器。
根据设计要求，本设计选用DTZ—2100为控制系统PID控制器，通过对被控值与给定值之差进行比例、微分、积分运算输出，并将输出的4～20mA直流信号送至执行机构，实现对工艺参数的自动调节。
输入信号：1～5V.DC
内给定信号：1～5V.DC
外给定信号：4～20mA.DC
调节作用：比例+积分+微分
比例带：2～500%
积分时间：0.01～2.5分或0.1～25分
微分时间：0.04～10分（可切除）
输入、给定指示表：指示范围：0～100%，误差：±1%
输出信号：4～20mA.DC
负载电阻：250～750Ω
最大工作电流：约200mA
工作条件：
环境温度：0～45℃相对湿度：≤ 85%
工作振动：频率≤ 25Hz 全振幅≤ 0.1mm
电源电压：24V.DC
功耗：6W
重量：6kg
前馈信号：1～5V.DC 4～20mA.DC（适用于前馈调节器）
前馈系数：0.8～1.2（适用于前馈调节器）
刻度误差：±0.5%（适用于前馈调节器）
限制范围：
高限：75～105%（适用于抗积分饱和调节器）
低限：-5～25%（适用于抗积分饱和调节器）
刻度误差:±0.5%（适用于抗积分饱和调节器）
dt
t de S dt t e S t e K t u t d i c )()()()(0?++=3.4 控制规律的选择
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称PID 调节。PID 控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 控制技术。PID 控制，实际中也有PI 和PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
由于本系统不存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay ）组件，计采用PI 调节就可满足控制要求。而积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error ）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”，所以本设计选择PI 调节。PI 调节器的输入输出关系为
2
1122)
(2t t t t T -=-=τ)
()()()(*0∞==y t y Kx t y t
y
第4章 系统仿真
4.1控制系统参数计算
由下表的数据，采用两点法确定一阶滞后环节的Ｔ、τ的值，从而得到对应的传递函数。
表4.1 塔内压力实验数据
由于阶跃响应曲线的拐点不易找准，切线的方向也有较大的随意性，通过作图求得的T 、τ值因人而异，误差较大。所以采用两点计算法确定被控过程时间T 与滞后时间τ。两点计算法是利用阶跃响应)(t y 上两个点的数据计算T 和τ。为了计算方便，首先将)(t y 转换成无量纲形式)(*t y 。
由于采用两点法计算传递函数，因此在作图中选取两个不同时刻1t 和2t 对应的)(*1t y 和)(*2t y ，其中τ>>12t t ，由于两点法比较常用，因此可以根据经验选
取632.0)(39.0)(2*1*==t y t y 、两点，代入上式可得1
2t t 、的值，之后将该值代入下式。
通过计算后，可得： 50
125≈≈τT 代入可得传递函数为：
()1
1251
+=s S G O
4.2 控制系统matlab仿真
无干扰单回路控制系统图如图4.1所示。
图4.1 单回路系统图无干扰单回路PI算法控制系统仿真曲线图如图4.2。
图4.2仿真曲线图
加入微分环节后重新整定PID各环节参数得到单回路无干扰仿真曲线图如图4.3所示。
图4.3 调整后曲线图
图4.4 加干扰后仿真图
如图4.4所示，该图为在100s时加入干扰后的单回路控制系统图。
施加干扰后控制系统的仿真曲线图如图4.5所示。
图4.5 施加干扰后曲线图
由图可知，该系统产生干扰后可以较快的进行修正，使系统重新稳定。
第5章课程设计总结
本次设计是采用过程控制的方法对精馏塔塔内压力进行控制，首先是控制方案的确定，由于单回路控制系统具有结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工等优点，其中结构简单代表了系统比其它复杂控制系统更稳定，而成本减少则代表了不浪费，因此在满足生产过程需要的前提下，选择了单回路控制系统作为本次设计的控制系统；之后是对控制算法的确定，根据精馏塔的工作过程，以及确定的控制方案，采用PID控制器作为系统控制器，其具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便的优点，而这些优点恰恰是精馏塔控制所需要的；最后是对变送器、执行器的选择，根据设计要求和精馏塔的防爆安全要求，对各个仪器进行了选择，完成了硬件部分的设计。然后，是对控制方案的仿真，只有通过仿真才能确定设计的正确性，本设计采用MATLAB中的Simulink功能，构建单回路控制系统，并对PID参数进行整定，根据曲线确定各参数，达到了预期的效果，完成了对精馏塔塔内压力的控制。
机电控制系统课程设计
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
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
过程控制系统课程设计报告报告实验报告
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
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
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。
反应釜温度过程控制课程设计
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
… 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
~ 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
控制系统仿真课程设计
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;
过程控制课程设计报告
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
过程控制系统与仪表习题答案汇总
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；
过程控制仪表课程设计论文报告
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
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）
智能控制系统课程设计
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。
过程控制系统课程设计
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。
计算机控制系统课程设计
《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=
过程控制系统课程设计
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：
自动控制系统课设
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。
WHUT过程控制系统与仪表课程设计
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)