流量单回路过程控制系统课程设计
过程控制系统课程设计指导书
过程控制系统课程设计指导书林梅金张彩霞肖红军编佛山科学技术学院机电和信息学院2007年9月目录第一部分课程设计的目的和要求 (1)第二部分课程设计的总体描述 (3)一实验装置说明 (3)二被控对象特性测试举例 (10)第三部分课程设计选题 (13)课题一锅炉夹套和被加热介质的温度控制 (13)课题二双闭环流量比值控制 (20)课题三温度的滞后控制 (27)课题四流量的滞后控制 (30)第一部分课程设计的目的和要求一前言过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。
在现代化工业生产过程中，过程控制技术正在为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、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。
二课程设计目的在本课程设计中，通过一个完整的生产过程控制系统的设计，使学生在进一步加深理解和掌握《过程控制系统》课程中所学内容的基础之上，着重训练学生将《过程检测和控制仪表》、《自动控制原理》、《微机控制技术》和《过程工程基础》等课程中所学到知识进行综合使用。
锻炼学生的综合知识使用能力，让学生了解一般工程系统的设计方法、步骤，系统的集成和投运。
三课程设计要求按课程设计指导书提供的课题，根据给出的设计任务，自己设计系统结构，分析系统的特点和系统特性，按“可选”的被控对象设计相应的控制系统，并在实验室连接系统部件、构造硬件系统。
可以自己跳线、连线，并连好对象、控制器、计算机。
通过用控制器、监控计算机和实验对象的联机调试、执行、观察结果，达到预期使用功能和控制目的，比较不同方案的使用效果，完整的设计任务书。
1.能够查阅工艺过程相关资料。
2.依据工艺要求分析、比较、设计方案（对其合理性、工作原理及工作过程做出说明）。
3.被控对象以及仪器仪表的描述。
4.控制方案的选择及其论述，控制系统方框图及其说明。
5.完成对象的特性曲线的测试，建立对象的数学模型。
单回路控制系统方案
第五章单回路控制系统设计⏹本章提要1.过程控制系统设计概述2.单回路控制系统方案设计3.单回路控制系统整定4.单回路控制系统投运5.单回路控制系统设计原则应用举例⏹授课内容第一节过程控制系统设计概述单回路反馈控制系统---又称简单控制系统，是指由一个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成的．对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。
➢单回路反馈控制系统组成方框图：简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。
➢过程控制系统设计和应用的两个重要内容：控制方案的设计、调节器整定参数值的确定。
➢过程控制系统设计的一般要求：●过程控制系统是稳定的，且具有适当的稳定裕度。
●系统应是一个衰减振荡过程，但过渡过程时间要短，余差要小。
➢过程控制系统设计的基本方法：设计方法很多，主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、系统参数优化的计算机辅助设计等。
➢过程控制系统统设计步骤：●建立被控过程的数学模型●选择控制方案●建立系统方框图●进行系统静态、动态特性分析计算●实验和仿真➢过程控制系统设计的主要内容：控制方案的设计：核心，包括合理选择被控参数和控制参数、信息的获取和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及正、反作用方式的确定等。
●项目设计：包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。
●项目安装和仪表调校●调节器参数项目整定：保证系统运行在最佳状态。
第二节单回路控制系统方案设计1.被控参数的选择➢选取被控参数的一般原则为：选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的，可直接测量的工艺参数为被控参数。
●当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。
6-2单回路过程控制系统及控制方案设计 共81页
• 确定一个控制回路，实质上就是选择控制参数 的问题。
选择控制参数的意义
• 在有的生产过程中，控制参数的选择是很明显 的，是唯一确定的。
• 但是在有的生产过程中，可能有几个控制参数 可供选择，这就要通过分析比较不同的控制通 道和不同的扰动通道对控制质量的影响而做出 合理的选择。
• 正确选择控制参数，就是正确选择控制通道的 问题。
过程静态特性的分析
• 单回路控制系统的框图如图所示
• Wc（s）为控制器与执行机构的传递函数
• Wo（s）为控制通道的传递函数
• Wf（s）为扰动通道的传递函数
• 并设
W
o s
Wc
s
K
T0s K
0
c
1
W
f
s
• 控制参数 • 回流量
单回路过程控制系统的概念
• 单回路过程控制系统示例 ──贮罐液位控制系统
• 被控参数 • 贮罐液位
• 控制参数 • 出口流量
单回路过程控制系统的概念
• 单回路系统的特点
• 结构简单，投资少，易于调整和投运，能满 足大多数工业生产过程的控制要求。
• 单回路系统应用十分广泛，尤其适用于被控过 程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平 缓，或者对被控质量要求不高的场合，约占目 前工业控制系统的80％以上。
• 直接参数法
• 选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于 测量的参数作为被控参数。
• 间接参数法
• 选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数 有单值对应关系、易于测量的参数作为被控参数。
自来水流量单回路过程控制系统
目录1 设计目的与要求 (1)1.1 设计目的 (1)2 自来水生产工艺 (3)2.1 生产工艺 (2)2.2 生产工艺流程图 (3)3 系统结构设计 (4)3.1 控制方案 (4)3.2 系统结构 (4)4被控变量与控制变量选择 (4)4.1被控变量选择原则 (4)4.2控制变量选择原则 (5)4.3本系统被控变量与控制变量的选择 (6)5检测环节设计 (6)5.1检测环节设计原则 (6)5.2本系统检测环节设计 (7)6执行器设计 (7)6.1执行器设计原则 (7)6.2本系统执行器设计 (8)7调节器设计 (8)7.1调节器正反作用选取 (8)7.2调节器规律的选择 (9)7.3调节器参数整定 (10)心得体会 (11)参考文献 (13)自来水厂流量控制系统的设计1 设计目的与要求1.1 设计目的如图，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，对自来水厂用泵将水打入水槽（泵1和泵2同时用），以备下一道工艺生产需要，进行设计将流量控制在500±3立方米/小时，以满足要求。
1.2 要求完成的主要任务1、了解对象及自来水厂生产工艺2、绘制流量控制系统方案图3、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数4、撰写系统调节原理及调节过程说明书2 自来水厂生产工艺2.1 生产工艺众所周知，由于自然因素和人为因素，原水里含有各种各样的杂质。
从给水处理角度考虑，这些杂质可分为悬浮物、胶体、溶解物三大类。
城市水厂净水处理的目的就是去除原水中这些会给人类健康和工业生产带来危害的悬浮物质、胶体物质、细菌及其他有害成分，使净化后的水能满足生活饮用及工业生产的需要。
市自来水总公司水厂采用常规水处理工艺，它包括混合、反应、沉淀、过滤及消毒几个过程。
（1）混凝反应处理原水经取水泵房提升后，首先经过混凝工艺处理，即：原水 + 水处理剂→混合→反应→矾花水自药剂与水均匀混合起直到大颗粒絮凝体形成为止，整个称混凝过程。
流量控制系统设计
目录第一章过程控制仪表课程设计的目的意义 (2)1.1 设计目的 (2)1.2课程在教学计划中的地位和作用 (2)第二章流量控制系统（实验部分） (3)2.1 控制系统工艺流程 (3)2.2 控制系统的控制要求 (4)2.3 系统的实验调试 (5)第三章流量控制系统工艺流程及控制要求 (6)3.1 控制系统工艺流程 (6)3.2 设计内容及要求 (7)第四章总体设计方案 (8)4.1 设计思想 (8)4.2 总体设计流程图 (8)第五章硬件设计 (9)5.1 硬件设计概要 (9)5.2 硬件选型 (9)5.3 硬件电路设计系统原理图及其说明 (13)第六章软件设计 (14)6.1 软件设计流程图及其说明 (14)6.2 源程序及其说明 (16)第七章系统调试及使用说明 (17)第八章收获、体会 (20)参考文献 (21)第一章微控制器应用系统综合设计的目的意义1.1 实验目的本次课程设计是为《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。
本设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。
本次设计的主要任务是通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的液位参数设计其控制系统。
设计中要求学生掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；掌握PID调节器的功能原理，完成液位控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。
流量控制系统课程设计
流量控制系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握流量控制系统的基本概念、原理及分类；2. 让学生了解流量控制系统中常用的传感器、执行器及其工作原理；3. 使学生理解流量控制系统的数学模型及其在工程实践中的应用。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识分析流量控制系统问题的能力；2. 培养学生设计简单的流量控制系统方案，并进行仿真实验；3. 提高学生运用现代信息技术手段解决流量控制系统问题的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对流量控制系统及相关工程领域的兴趣，激发学生的探究欲望；2. 培养学生严谨的科学态度和团队协作精神，养成良好的工程伦理道德观念；3. 增强学生的环保意识，让学生认识到流量控制系统在节能减排中的重要作用。
课程性质：本课程为理论与实践相结合的课程，注重培养学生的实际操作能力和创新能力。
学生特点：学生具备一定的物理、数学基础，对工程实践有较高的兴趣，希望通过本课程的学习，提高自己的专业素养。
教学要求：结合学生特点和课程性质，课程目标分解为具体的学习成果，以实际工程案例为主线，采用项目驱动、任务导向的教学方法，引导学生主动探究、积极实践，提高学生的综合能力。
同时，注重过程评价，确保课程目标的实现。
二、教学内容1. 流量控制系统的基本概念与原理- 流量控制系统的定义、作用及分类- 流量控制系统的基本工作原理2. 流量控制系统中的传感器与执行器- 常用传感器的工作原理及应用- 常用执行器的工作原理及应用3. 流量控制系统的数学模型- 系统数学模型的建立方法- 系统数学模型在工程实践中的应用4. 流量控制系统设计与仿真- 流量控制系统设计方法与步骤- 流量控制系统仿真软件的使用5. 流量控制系统案例分析- 分析实际工程案例，了解流量控制系统在实际应用中的优点与局限- 结合教材内容，进行课堂讨论与总结教学内容安排与进度：第1周：流量控制系统的基本概念与原理第2周：流量控制系统中的传感器与执行器第3周：流量控制系统的数学模型第4周：流量控制系统设计与仿真第5周：流量控制系统案例分析教学内容依据教材章节进行组织，注重理论与实践相结合，确保学生能够系统地掌握流量控制系统的相关知识。
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）。
单回路液位,流量,压力控制系统设计
姓名：王占宝班级：测控09-9班学号： 2 9指导教师：白天2012 年 3 月 25 日目录（一）单回路液位控制系统（二）单回路流量控制系统（三）单回路压力控制系统（四）复杂系统串级控制实验（五）心得体会（一）单回路液位控制系统一、实验目的了解单回路液位控制系统的组成；PID调节器、执行机构、被控对象和测量环节等各个单元的工作原理和工作情况。
二、实验步骤1、按图1熟悉系统的组成。
2、检查连接线路和水路。
连接管路L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、 L9、L10、L11和手动阀F1、F2(关)、F3、F5。
3、检查电源输入、输入输出端子等是否短路，正常后通电，观测超声波传感器的输出以及工控机的模拟输入。
4、标定液位测量变换值并建立被控对象的数学模型（可等效成一阶惯性环节）。
5、测试输出电路。
6、设定、调整工控机中PID参数。
①在主窗口【简单控制系统】下拉菜单中选择【液位控制】，出现一个子窗口，显示了液位系统的控制示意图②单击示意图中的【控制器】出现下图所示属性页（控制器设置）：若选择PID控制器，只需设置Kp，Ki，Kd的值即可其中，Kc为控制器的增益，Ki为积分增益，Kd为微分增益。
Ti和Td分别为积分时间和微分时间，他们都具有时间量纲s和1/s，Δt为采样时间（若需要使用自定义控制器，则选定“自定义控制器”然后在相应程序中添加代码）。
7、给定液位设定值3000mL，记录闭环控制曲线。
①点击选项卡上的【运行参数设置】，出现如下所示界面：②设定值范围900～7600mL，注意每次的设定值不同，系统将从一个稳态向另一个稳态跃变，不必使系统归零后再进行下一次试验采样时间默认值为100ms（可根据实际情况修改），运行时间根据被控对象的时间常数合理选取，由于液位时间惯性小，此处可设较小的运行时间，如100～200000s。
8、改变PID参数，重复7。
9、打开水路调节阀F2，做扰动实验。
三、实验结果及分析1、参数：kp=90,ki=2;2、运行结果：3、分析：kp为比例放大倍数，kp越大，系统的稳定性下降，但精度提高；ki为积分时间，ki越小，积分作用加强，系统的稳定性降低。
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1.根据流量单回路过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控 制方案，正确选用过程仪表。
2.根据流量单回路过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确 选用过程模块。
3. 根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通
讯模块。
4.运用组态软件，正确设计流量单回路过程控制系统的组态图、组态
:业过程控制
课程设计
题 目:基于组态软件的流量单回路过程控制系统
电气工程学院
专业班级:
学生姓名:
学 号:
指导教师:
设计地点:
设计成绩:
本栏由指导教师根据大纲要求审核后，填报成绩并签名。
要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规
律，设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的流量单回 路过程控制系统。