武汉科技大学过程控制课程设计报告
过程控制设计报告
星期二、三了解串级控制系统原理
星期四 、星期五设计串级控制系统
第二周
星期一、单回路系统仿真设计
星期二、串级系统仿真设计
星期三、单回路系统与串级系统性能比较
星期四、写说明书
星期五、上午：写说明书，整理资料
下午：交设计资料，答辩
参 考 文 献
过程控制与SIMULINK应用
湖南工程学院
课程设计
课程名称过程控制
课题名称串级控制系统仿真设计
专业
班级
学号
姓名
指导教师
200年月日
湖南工程学院
课程设计任务书
课程名称过程控制
课题串级控制系统仿真设计
专业班级
学生姓名
学号
指导老师
审批
任务书下达日期200年月日
任务完成日期200年月日
设计内容与设计要求
设计内容：
某隧道窑炉系统，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统中主、副对象的传递函数分别为：
说 明 书 格 式
1.课程设计任务书
2.目录
3.系统总体方案选择与说明
4.结果与必要的调试说明
7.使用说明
8.程序清单
10、总结
11、参考文献
附录
附录A 系统原理图
附录B 程序清单
进 度 安 排
设计时间为两周
第一周
星期一、上午：布置课题任务，讲课及课题介绍
G01(s)=1/(30s+1)(3s+1);g02(s)=1/((10s+1)(s+1)^2);
主控制器采用比例积分控制，副控制器采用比例控制
设计要求：
过程控制课设报告
过程控制课设报告课程设计报告(2015—2016年度第二学期)名称：过程控制课程设计题目：电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统院系：控制与计算机工程学院班级：姓名：学号：指导老师：张建华老师设计周数： 1 周日期：2016年6月24日设计正文：1．控制系统的基本任务和要求过热蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。
过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以致烧坏过热器的高温段，严重影响安全。
一般规定过热蒸汽的温度上限不能高于其额定值+5℃。
如果过热蒸汽温度偏低，则会降低电厂的工作效率，据估计，汽温每降低5℃，热经济性将下降约1%；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽湿度升高，甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。
所以，过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。
以600MW机组国产直流锅炉为例，其过热蒸汽温度额定值为541℃（主汽压力为17.3MPa），在负荷为额定值的60%~100%范围内变化时，过热蒸汽温度不超过额定值的-10~+5,长期偏差不允许超过±5℃。
为了防止过快的蒸汽温度变化速率造成某些高温工作不部件产生较大的热应力，还对温度变化速率进行限制，一般限制在3℃/min内。
本次课程设计以600MW超临界直流锅炉主汽温控制系统为例：某电厂600MW 汽包锅炉过热蒸汽温度是通过喷水减温来实现对温度的自动调节。
已知该系统减温水流量W和过热蒸汽流量D可通过加装流量计进行检测，电动调节阀的开度可根据控制器输出值自动调整。
其动态特性如下：设计相应的自动控制系统保证过热蒸汽温度为给定值，即该系统既能消除来自减温水及燃烧侧等内扰的影响，又能完全消除来自过热蒸汽流量D变化等外部扰动对过热蒸汽温度的影响。
2．被控对象动态特性分析（1)、影响过热蒸汽温度的因素：①蒸汽流量（负荷）扰动；②烟气热量扰动（燃烧器运行方式、燃料量变化、风量变化等）；③减温水流量扰动。
过程控制课程设计实验
过程控制课程设计实验一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握过程控制的基本概念、原理和方法，培养学生运用过程控制理论分析和解决实际问题的能力。
具体目标如下：1.知识目标：（1）了解过程控制的基本概念、分类和特点；（2）掌握过程控制的基本原理，包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等；（3）熟悉过程控制系统的组成、设计和应用；（4）了解过程控制在我国的发展现状和趋势。
2.技能目标：（1）能够运用过程控制理论分析和解决实际问题；（2）具备过程控制系统的设计和调试能力；（3）掌握常用的过程控制软件和工具，如MATLAB、Simulink等；（4）具备一定的创新能力和团队协作精神。
3.情感态度价值观目标：（1）培养学生对过程控制学科的兴趣和热情；（2）树立正确的科学观和价值观，认识到过程控制技术在现代社会中的重要性；（3）培养学生具有良好的职业道德和责任感，关注过程控制技术在环保、安全等方面的应用；（4）培养学生的团队协作意识和沟通能力，提高学生在实际工程中的综合素质。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个方面：1.过程控制的基本概念和分类；2.过程控制的基本原理，如PID控制、模糊控制、神经网络控制等；3.过程控制系统的组成、设计和应用，包括温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；4.过程控制技术的最新发展，如智能控制、自适应控制等；5.过程控制软件和工具的使用，如MATLAB、Simulink等；6.过程控制技术在实际工程中的应用案例分析。
三、教学方法本课程采用多种教学方法，以激发学生的学习兴趣和主动性：1.讲授法：通过讲解基本概念、原理和实例，使学生掌握过程控制的基本知识；2.讨论法：学生分组讨论，培养学生的思考能力和团队协作精神；3.案例分析法：分析实际工程案例，使学生能够将理论知识应用于实际问题；4.实验法：安排实验课程，让学生亲自动手操作，提高学生的实践能力；5.互动教学法：鼓励学生提问、发表见解，教师引导学生进行思考，形成良性互动。
过程控制课设报告
课程设计报告名称：过程控制院系：班级：学号：学生姓名：同组人：指导教师：设计周数： 1 成绩：一．课程设计总体目标通过该课程设计，使学生进一步掌握过程控制课程主要内容，深入理解过程控制系统的分析与综合。
要求学生：1．了解过程控制技术与系统设计与分析的关键技术；2．了解过程控制方案的组成；3．能够进行控制系统的设计与仿真及工程实现。
二．课程设计主要内容本课程设计是为实现生产过程自动化，应用图纸资料和文字资料来表达设计思想、实验室试验、现场工程实现方法。
设计分为两个阶段：1．设计前期工作（1）查阅资料：对被控对象动态特性进行分析；确定控制系统的被调量和调节量（2）确定自动化水平：自动控制范围、控制质量指标、报警设限及手自动切换水平（3）提出仪表选型原则：包括测量、变送、调节及执行仪表的选型2．设计工作（1）根据对被控对象进行的分析，确定系统自动控制结构，给出控制系统原理图；（2）根据确定控制设备和测量取样点和调节机构，绘制控制系统工艺流程图（PID图）；（3）根据确定的自动化水平和系统功能，选择控制仪表，完成控制系统SAMA图（包括系统功能图和系统逻辑图）；（4）对所设计的系统进行仿真试验并进行系统整定（5）编写设计报告(说明书)。
三．设计正文：1．主汽温串级控制系统的基本任务和要求锅炉过热蒸汽温度是影响机组生产过程安全性和经济性的重要参数。
现代锅炉的过热器是在高温、高压的条件下工作的，过热器出口的过热蒸汽温度是机组整个汽水行程中工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处。
过热器采用的是耐高温高压的合金刚材料，过热器正常运行的温度已接近材料所允许的最高温度。
如果过热蒸汽温度过高，容易损坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀而毁坏，影响机组的安全运行。
如果过热蒸汽温度过低，将会降低机组的热效率，一般蒸汽温度降低5-10℃，热效率约降低1%，不仅增加燃料的消耗量，浪费能源，而且还将使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀。
过程控制课程设计实验
过程控制课程设计实验一、课程目标知识目标：1. 让学生理解过程控制的基本概念，掌握过程控制系统的组成和原理；2. 使学生掌握过程控制实验的基本方法和步骤，学会使用相关仪器和设备；3. 帮助学生掌握过程控制算法，如PID控制，并能应用于实际控制系统。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识分析和解决过程控制问题的能力；2. 培养学生设计简单的过程控制系统实验方案，进行实验操作，并能对实验数据进行处理和分析；3. 提高学生团队协作和沟通表达的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对过程控制技术的兴趣和热情，激发他们探索科学技术的欲望；2. 培养学生严谨求实的科学态度，养成良好的实验习惯；3. 增强学生的环保意识，使他们认识到过程控制在节能减排和环境保护方面的重要性。
课程性质：本课程为实验课程，注重理论与实践相结合，以培养学生的实际操作能力和创新思维为主。
学生特点：学生处于高年级阶段，已具备一定的过程控制理论知识，具有一定的实验操作能力。
教学要求：教师需引导学生主动参与实验，关注实验过程中的问题，培养学生的动手能力和问题解决能力。
同时，注重培养学生的团队协作和沟通能力，提高他们的综合素质。
通过本课程的学习，使学生达到上述课程目标，为将来的学习和工作打下坚实基础。
二、教学内容1. 过程控制基本概念：控制系统组成、开环与闭环控制、控制系统的性能指标等；教材章节：第二章第一节。
2. 过程控制实验方法与步骤：实验方案设计、实验设备使用、实验数据采集与处理等；教材章节：第三章。
3. 过程控制算法：PID控制原理、参数整定方法、应用案例等；教材章节：第四章。
4. 过程控制系统设计与实践：设计简单的过程控制系统实验方案，进行实验操作，分析实验结果；教材章节：第五章。
5. 过程控制应用案例分析：分析实际工业过程控制案例，了解过程控制在不同领域的应用；教材章节：第六章。
教学内容安排与进度：第一周：过程控制基本概念；第二周：过程控制实验方法与步骤；第三周：过程控制算法；第四周：过程控制系统设计与实践；第五周：过程控制应用案例分析。
过程控制实验报告
过程控制实验报告1. 实验目的本次实验的目的是学习和掌握过程控制的基本原理和操作方法，了解过程控制系统的组成和结构，掌握过程控制系统的基本调试方法和过程控制的自动化程度。
2. 实验原理过程控制是指对一组物理过程进行控制的技术和方法。
过程控制的目的是使被控制的物理过程在一定的条件下，达到预期的目标，如稳定、精度、速度、延迟、可靠性、安全性、经济性等等。
过程控制系统由传感器、执行元件、控制器和执行器构成，其中传感器用于检测被控制物理过程的状态，控制器根据传感器获取的信息进行决策，并通过执行元件控制执行器实现对被控制物理过程的控制。
3. 实验步骤本次实验的过程控制系统由一台工业控制计算机、一台工业控制器和一组执行器构成。
实验的具体步骤如下：(1) 将传感器与控制器连接，并将控制器与计算机连接。
(2) 在计算机上启动控制软件，在软件中设置控制器和传感器的参数。
(3) 将执行器与控制器连接，并调试执行器的控制参数。
(4) 在控制软件中设置控制策略和控制目标，并启动控制器。
(5) 监测被控制物理过程的状态，并记录相关数据。
(6) 对控制策略和控制参数进行调整，直到被控制物理过程达到预期目标。
4. 实验结果经过多次实验，我们成功地控制了被控制的物理过程，并达到了预期目标。
实验结果表明，过程控制技术可以有效地控制物理过程，并提高物理过程的稳定性、精确性和可靠性。
5. 实验总结本次实验使我们深入了解了过程控制的原理和操作方法，掌握了过程控制系统的基本调试方法和过程控制的自动化程度。
通过实验，我们发现过程控制技术在许多工业领域都具有广泛的应用前景，是提高生产效率和质量的重要手段。
在今后的学习和工作中，我们将继续深入学习和研究过程控制技术，为推动工业自动化和智能化发展做出贡献。
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()1ske 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）（2）过程时间常数T 和滞后时间τ可用两点法求得：T=)](1ln[)](1ln[2*1*12t y t y t t ----τ=)](1ln[)](1ln[)](1ln[)](1ln[2*1*2*11*2t y t y t y t t y t ------选取系统终值100℃，t 1=90s ，对应)(1*t y =0.36，t 2=300s ，对应)(2*t y =0.86得到K=0.8，T=138.1, τ=28.3系统开环传递函数：K=11388.0+S（二）基于MATLAB 的PID 仿真(1)PID 控制算法目前大部分温度控制器还是采用PID 控制算法，PID 控制是比例—积分—微分控制，PID 控制是最早发展起来的、应用领域至今仍然广泛的控制策略之一。
过程控制课程设计报告
过程控制课程设计报告一、课程设计目的：1.熟识并娴熟掌控组态王软件；2.通过组态王软件的运用，进一步掌控了解过程掌握理论基础知识；3.了解典型工业生产过程(锅炉设备)的工艺流程和掌握要求；4.加强对课堂理论知识的理解与综合应用技能，提高解决实际工程问题的技能；5.培育自主查找资料、收索信息的技能以及实践动手技能与合作精神。
二、组态王简介：“组态王”是运行于 Microsoft Windows 200/NT4.0.*P 中文平台的中文界面软件，充分利用了 windows 图形功能完备、界面全都性好、易学易用的特点，并且采纳了多线程。
COM 组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定牢靠。
“组态王”软件包括由工程浏览器(TouchE*plorer) 、工程管理器 (Proj-Manager)和画面运行系统〔TouchVew〕三大部分组成。
在工程阅览中可以查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库构造、定义外部设备等工作；工程管理器中内嵌了画面管理系统，用于新工程的创建和已有工程的管理。
画面的开发和运行由工程阅览器调用画面制作系统 touchMak 和运行系统 touchVew 来完成。
三、锅炉设备的的掌握原理及工艺流程：锅炉是过程工业中不可缺少的动力设备，它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥、蒸发等过程提供热源，而且，还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。
随着石油化学工业生产规模不断强化，生产设备不断革新，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高参数、高效率方向进展。
为确保安全，稳定生产，对锅炉设备的自动掌握就显得非常重要。
为实现调整任务，将锅炉设备掌握划分为假设干个掌握系统，主要掌握系统有：〔1〕给水自动掌握系统〔即锅炉汽包水位的掌握〕操纵变量是给水流量，它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。
维持汽包中水位在给定范围内是保证锅炉、汽轮机安全运行的须要条件，使锅炉正常运行的主要标识之一。
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二○一二～二○一三学年第一学期信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称：过程控制与集散系统课程设计班级：自动化班
学号：
姓名：
指导教师：刘晓玉
二○一二年十月
一、题目、任务及要求
1. 设计题目
锅炉过热汽温串级控制系统设计
2. 设计任务
图1所示锅炉过热汽的温度采用以减温器喷水的方法加以控制，要求过热汽温θ1稳定在给定值。
鉴于减温器距离过热器出口较远、过热器热容较大，且减温水易出现自扰（如减温水水压不稳），试设计合理的控制方案，维持过热汽温θ1的恒定。
过热器高温段
图1 锅炉过热汽温控制系统
二、设计任务分析
1、系统建模
1）单回路控制
2）串级控制
2、控制方案
1）单回路控制
单回路控制系统是由被控对象、控制器、执行器、和测量变送装置四大基本部分组成。
在广义对象（被控对象、执行器、和测量变送装置）特性已确定，不能改变的情况下，只能通过控制规律的选择来提高系统的稳定性与控制质量。
常用的控制规律主要有：位式控制、P控制、PI控制、PD控制、PID控制。
2）串级控制
当对象容量滞后或纯滞后较大，负荷和干扰变化比较剧烈而频繁，或是工艺对产品质量的要求很高时，而采用单回路控制方法不太有效，这时就可以采用串级控制。
串级控制系统，采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵调节阀。
及时调节校正二次干扰，减少对主对象的影响。
3）前馈—反馈复合控制
当反馈控制系统出现较大的动态偏差时，采用前馈控制方式，在扰动尚未影响被控对象前，提前调节已补偿扰动对被控对象的影响。
3、控制方案比较
锅炉过热汽温控制系统，以减温器的喷水作为控制手段，目的是控制过热汽温稳定在给定值。
因为减温器距离过热器出口较远，且过热器管壁热容较大，
主汽温对象的滞后和惯性较大。
若采用单回路控制系统控制主汽温，即将作为主信号反馈到控制器，直接去控制阀门开度，这种方案似乎完善合理，但实践表明这种方案的控制效果差，无法取得满意的控制品质。
因为从控制阀到过热器的出口迟延时间太大，比如减温水发生自扰，由于过热器管路较长，需要一定的时间过热汽温才能反映出来，再通过测量变送器测量出来，到控制器比较偏差进行控制，这个过程迟延时间太长，控制不及时，会造成超调量增大，稳定性下降。
采用单回路控制系统很难得到满意效果。
为此，取一个对减温水量变化反应快得中间温度信号作为导前信号，增加一个控制器组成一个串级控制系统。
控制器根据信号控制减温水阀，如果有某种扰动是汽温比提早反应，那么由于的提前动作,使扰动引起的波动
很快就会被消除，从而使主汽温基本不受影响。
另外，的给定值受的影响，后者根据改变的给定值，从而保证负荷扰动时，仍能保持满足要求。
采用串级控制调节可得到满意效果。
三、单回路PID控制的设计
1）PID参数的整定方法和步骤
采用PI控制器，结合经验法、试凑法和衰减曲线法，得到一个适宜的衰减比为4:1的曲线。
P参数设置为0.75，I参数设置为0.02，D参数设置为0。
2）Simulink的建模与仿真
3）有、无干扰情况下仿真结果的比较
无干扰单回路控制
100秒时加入干扰单回路控制
四、串级控制系统的设计
1）串级控制结构的设计
在结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，被称为内回路或者副回路，在控制过程中起着出粗调的作用；一个闭环在外面，被称为外回路或者主回路，用来完成细调任务，以最终保证被调量满足生产要求。
无论主回路还是副回路都有各自的控制对象、测量变送器和控制器。
在主回路内的控制对象、被测参数和控制器分别被称作主对象、主参数和主控制器。
在副回路内则相应地被称为副对象、副参数和副控制器。
系统的两个控制器作用各不相同，主控制器具有自己独立的
给定值，它的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出信号则是送到控制
机构去控制生产过程。
2）主副控制器设计
主回路采取PI控制器，P设置参数为3.2，I设置参数为0.145，D设置参数为0；副回路采用P控制器，P设置参数为7，I设置参数为0，D设置参数为0。
3）Simulink的建模与仿真
4）仿真结果
无扰动串级控制系统
100秒时加入扰动串级控制系统
减温段放大系数为1.5
5）仿真结果分析
通过比较单回路控制系统和串级控制系统可知：
a) 串级控制系统比单回路控制调节时间短；
b) 串级控制系统超调量比单回路控制超调量小；
c) 串级控制系统Ts比单回路控制小；
d）同样在100秒处加干扰，串级控制系统能很好的调节干扰且将值维持在期望值，波动特别小，而单回路控制系统对干扰的调节很不理想。
由上述分析可知，串级控制系统是改善控制过程品质极为有效的方法，它的
调节时间短，超调小，Ts小，对于干扰控制极好，并且不影响响应速度。
可将这些特点总结为：串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力；由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，提高了系统响应速度；提高系统的工作频率，改善了系统的控制质量；串级系统有一定的自适应能力。
五、设计小结
通过这次课程设计调试，我了解到了PID调节器的参数整定的方法，深化了我对过程控制系统的理解。
在实验中，我利用课本上学到的比例、积分及微分作用对系统性能的影响的相关知识，设计了单回路控制系统和串级控制系统，并根据所获得的响应曲线进行P、I、D参数地整定，从而进一步得到满意的响应曲线。
同时，在PID调节器整定的过程中，我对比例积分微分对系统性能的影响有更深的理解，提高了对课本知识的融合。
通过对单回路控制系统和串级控制系统结果的分析比较，我深入了解了两种控制方案的实施方法，并对串级控制系统的优越性有了认识。
经过这次课程设计，我运用书本知识解决实践问题，同时又使得我对理论知识的理解更加深入。
总之，此次课程设计让我对我受益匪浅。
六、参考文献
《过程控制与集散系统》方康玲主编。