《过程控制系统》课程设计
过程控制系统课设
过程控制系统课程设计一、设计任务书1. 题目PH控制系统2. 设计要求①设计义某化工过程中废液中和的pH控制系统；②对控制系统稳定性进行分析；③对控制系统的参数进行整定；④控制系统Simulink仿真。
3 . 仪器设备A3000现场控制系统，pH控制系统。
二、基本原理pH控制系统子工业，尤其是化工等行业，应用非常广泛。
利用pH控制可以实现化工过程的正常生产过程、造纸厂等化工厂废液达标排放等。
1. pH的特点PH控制系统的主要方式有：有一种碱（或酸）滴定另一种物质使pH值保持在某一值上；对两种分别呈酸性和碱性物质的流量进行控制使pH值保持在某一值上；控制两种物质使混合溶液保持在一定的pH值上。
PH控制和其他控制参数的不同主要有以下两点：●PH滴定曲线的高度非线性；●滴定过程的测量纯滞后特性。
图01为典型的酸碱滴定特性曲线。
从图01知，溶液的pH值随中和流量非线性变化。
图01 典型的酸碱滴定特性曲线显然在控制系统中将pH值的变化转化为中和反应酸碱的控制流量变化，是根据滴定特性曲线进行的。
将滴定特性曲线转化为酸碱流量变化规律的方法主要有三种：●利用非线性阀补偿过程的非线性；●采用三段式滴定调节器，用三条相接的线性段代替非线性滴定曲线；●采用滴定曲线的非线性调节器精确描述滴定曲线。
随着技术的进步，利用非线性阀补偿滴定曲线非线性用的越来越少；而基于计算机功能元器件或计算机的第二种方法和第三种方法应用越来越多。
对滞后的补偿常采用以下三种方法：●微分Smith补偿方法，由于该方法本身适应能力较差，较少使用；●改进的Smith补偿方法；●自适应方法，应用较多的是增益自适应的Smith法。
为了提高控制系统的误差跟踪能力，pH控制系统经常采用的控制策略是PI或PID，不能采用P调节。
2. 三段式非线性调节器和采用滴定曲线的非线性调节器（1）三段式非线性调节器实际中，酸碱中和后通过pH计测得pH值的大小，控制系统当前pH值大小折算成溶液中酸碱量的多少，并调节系统酸碱流量的大小实现要求的pH值。
过程控制系统课程设计任务书
设计说明书一份（总体设计、硬件组态、相关数据连接、控制程序清单等）
பைடு நூலகம்四、进程安排
周一：硬件模块组态
周二：相关数据的连接与调试
周三：编写控制程序，进行软件调试
周四：撰写设计说明书
周五：答辩
五、主要参考资料
1、吴作明主编，工控组态软件与PLC应用技术，北京航空航天大学出版社
（2）组态的说明。
3.系统程序的设计。
（1）相关数据的连接。
（2）控制程序的编写。
4．完成的控制系统能达到题目的要求。
5．撰写设计说明书。
二、设计原始资料
施仁主编，自动化仪表与过程控制，电子工业出版社。
许志军主编，工业控制组态软件及应用，机械工业出版社。
三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等）
2、潘立登主编，过程控制，机械工业出版社。
3、侯志林主编，过程控制与自动化仪表，机械工业出版社
指导教师（签名）：
教研室主任（签名）：
过程控制系统课程设计任务书
一、设计题目、内容及要求
设计题目：过程控制系统课程设计
设计内容：
下列设计中其中一项作为设计内容：水箱液位串级控制，水箱液位与进水口流量串级控制，锅炉夹套水温与锅炉内胆水温串级控制。
设计要求：
1、根据题目要求进行控制系统总体设计。
2.完成系统硬件模块的组态。
（1）硬件模块组态。
过程控制系统教案
过程控制系统教案一、教学目标1. 了解过程控制系统的概念、分类和基本组成。
2. 掌握过程控制系统的常见参数及其作用。
3. 熟悉过程控制系统的典型应用和优点。
4. 学会分析过程控制系统的设计和实施方法。
二、教学内容1. 过程控制系统的概念及分类1.1 过程控制系统的定义1.2 过程控制系统的分类1.3 过程控制系统的基本组成2. 过程控制系统的常见参数2.1 流量参数2.2 压力参数2.3 温度参数2.4 液位参数3. 过程控制系统的典型应用3.1 工业生产过程控制3.2 楼宇自动化控制3.3 环保监测与控制4. 过程控制系统的优点4.1 提高生产效率4.2 保障产品质量4.3 降低能源消耗4.4 提高系统安全性三、教学方法1. 采用案例分析法，结合实际应用场景，让学生了解过程控制系统的原理和作用。
2. 利用仿真软件，让学生动手操作，掌握过程控制系统的参数调整和优化方法。
3. 开展小组讨论，培养学生团队合作能力和问题解决能力。
四、教学资源1. 教学课件：包含过程控制系统的相关理论知识、图片和案例。
2. 仿真软件：用于学生动手实践，如LabVIEW、组态王等。
3. 实际应用案例：涉及工业生产、楼宇自动化、环保监测等领域。
五、教学评价1. 课堂互动：学生参与课堂讨论、提问和回答问题的情况。
2. 课后作业：学生完成相关练习题的情况。
3. 实践操作：学生在仿真软件上的操作成绩。
4. 小组讨论：学生参与小组讨论的表现和成果。
教案剩余章节待您提供要求后，我将为您编写。
六、教学重点与难点教学重点：1. 过程控制系统的概念及其在各个领域的应用。
2. 过程控制系统的基本参数及其调整方法。
3. 过程控制系统的优点及其在提高生产效率和产品质量中的作用。
教学难点：1. 过程控制系统的设计原理和方法。
2. 不同类型过程控制系统的实现技术。
3. 过程控制系统在复杂环境下的性能优化。
七、教学安排课时安排：共计20课时，每课时45分钟。
过程控制系统课程设计
过程控制系统课程设计1000字作为一种系统工程，过程控制系统对于工业自动化的实现至关重要。
本文将介绍一项过程控制系统课程设计，目的是通过实际操作、编程和调试提高主观能动性，深化理论学习，提升学生对过程控制系统的认识。
1. 实验目的通过本次课程设计的实验，学生将学习并掌握以下内容：1）了解过程控制系统的基本概念，熟悉控制系统的硬件结构和控制器的工作原理；2）掌握模拟信号的采集和处理技术，及其在过程控制系统中的应用；3）理解PID控制器的原理和调节方法，熟悉常用的控制算法；4）学习模拟量信号的传输及数字量信号的传输与控制，深入剖析过程控制系统中各种控制技术的特点及其应用；5）熟悉数据采集与通信技术，主控器的编程、调试和软硬件环境搭建方法。
2. 实验设备与材料本实验所需的设备及材料如下：1）PLC控制器（可使用Siemens S7-200、Schneider Zelio Logic等PLC控制器）；2）功率放大器（使用1KW的功率放大器，用于控制实验装置的加热）；3）温控器、温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器（包括普通型、电容型、毛细管型等）；4）人机界面操作器/工控机、旋钮开关、LED、蜂鸣器等交互控制组件；5）驱动器/执行机构，接口电缆、相应的电源和电线等。
3. 实验内容及步骤（1）实验装置的搭建实验装置包括温度控制、压力控制、流量控制、液位控制等构件，以PID控制器为主要控制模式，控制对象为温度、压力、流量和液位，并通过PLC控制器进行控制。
搭建实验平台的具体步骤如下：1）选择和购买控制器和实验箱；2）安装和调试控制器与箱体之间的接口；3）加装驱动器/执行机构；4）安装、连接和调试传感器（温度、压力、流量、液位）；5）调试控制器与各传感器、驱动器/执行机构之间的串联关系，确保各根信号电线的接法正确无误。
（2）模拟信号采集与处理本实验将设置4路模拟输入口，通过PLC控制器采集原始信号并处理。
过程控制系统课程设计报告
1.概述课程设计的目的了解具体过程控制系统设计的基本步骤和方法，加深对过程控制系统基本原理的理解和对S7-300PLC与S7-200PLC编程的实际应用能力，培养运用WINCC组态软件和计算机设计过程控制系统的实际能力。
课程设计的内容用S7-300PLC与S7-200PLC主-从站进行单回路流量过程控制。
要实现的目标（1）明确控制要求，设计出系统结构图、方框图、电气接线图、程序流程图等。
（2）S7-200PLC从站程序设计①采用模块程序设计，控制程序包括主程序OB1、子程序SBR_0和中断程序INT_0。
②流量给定700升。
③采用定时中断SMB35，来调用流量采样定时中断程序INT_0，把实时检测的管路流量反馈到S7-200PLC的模拟量输入口，与流量给定量进行比较算出误差e。
④采用指令系统中的PID控制算法，整定好PID参数，计算出的实时控制量通过S7-200PLC的模拟量输出口输出，来控制电动执行器和阀门的开度。
⑤所有信号要转换为4-20mACD信号，并与流量物理量0-2500升建立对应关系。
⑥采用状态表进行各变量的监视与修改，系统有启动、停止按钮操作功能。
（3）S7-300PLC主站程序设计①要求采用SFC14和SFC15指令进行主-从站的数据交换，通过S7-300PLC 主站进行写操作（如系统启动/停止等），并能读取S7-200PLC从站的参数；S7-200PLC能接受S7-300PLC主站的指令；实现主-从站读/写（接收/发送）操作。
（4）性能指标要求无超调量，稳态误差为3%，加随机扰动能克服掉。
（5）上位监控要求：采用WINCC上位监控软件，设计出单回路流量一阶的上位监控系统，包括建立通讯，数据变库组态、工艺图形组态、数据组态与显示、趋势组态与显示、报表组态与显示等功能。
2.S7-300PLC与200PLC主-从站单回路流量系统硬件设计方案2.1主-从站单回路流量过程控制系统硬件组成原理该实验过程控制系统的控制器选用S7—300PLC作为主站控制器，由电源模块307—1BA00—00AA00、CPU模块315—2AG10—0AB0、模拟量输入模块331—5HF02—0AB0、模拟量输出模块332—5HF02—0AB0、数字量输入/输出模块323—1BH01—0AA0组成，PC机与300PLC采用MPI(CP5611)通讯。
过程控制系统课程设计
过程控制系统课程设计在过程控制系统课程设计中，学生需要综合运用所学的理论和技能，设计一个能够有效控制和监控工业过程的系统。
本文将介绍一个典型的过程控制系统课程设计流程，并着重介绍设计中需要考虑的关键要素和实施步骤。
一、引言过程控制系统是现代工业中必不可少的一部分，它能够监测和控制工业过程中的各种参数，保证生产的高效性和安全性。
因此，对于学习过程控制系统的专业学生而言，掌握设计过程控制系统的能力非常重要。
本课程设计旨在帮助学生深入了解过程控制系统，并通过实践提高他们的设计能力。
二、设计要素在进行过程控制系统的课程设计时，需要考虑以下关键要素：1. 系统需求分析：了解工业过程的特点和需求，明确系统的功能、性能和稳定性要求。
2. 控制策略选择：根据系统需求分析，选择适合的控制策略，如PID控制、最优控制等。
3. 传感器选择与布置：根据需求确定需要监测的参数，并选择合适的传感器进行测量，并合理布置传感器。
4. 控制器选择与配置：选择合适的控制器，并通过配置参数来实现所需的控制策略。
5. 人机界面设计：设计一个直观、易用的人机界面，以方便操作人员实时监测和控制过程。
6. 安全性考虑：确保系统具备安全性，采取相应的防护措施，防止事故的发生。
三、课程设计步骤以下是一个典型的过程控制系统课程设计步骤，供学生参考：1. 系统需求分析：对于一个给定的工业过程，分析其特性和需求，确定系统的功能、性能和稳定性要求。
2. 控制策略选择：根据需求分析，选择适合的控制策略，如PID控制、模糊控制等，并解释其原理和适用范围。
3. 传感器选择与布置：根据需求确定需要监测的参数，选择合适的传感器进行测量，并合理布置传感器，以保证测量的准确性和可靠性。
4. 控制器选择与配置：根据选择的控制策略，选择合适的控制器，并通过配置参数来实现所需的控制策略。
5. 人机界面设计：设计一个直观、易用的人机界面，以方便操作人员实时监测和控制过程。
界面应包括实时数据显示、报警功能等。
过程控制系统课程设计书
6. 撰写课程设计报告，总结设计过程和成 果。
02
过程控制系统基本原理
过程控制概念及分类
过程控制概念
过程控制是对生产过程中的各种工艺参数进行实时测量、调 节和控制，以确保生产过程的稳定、高效和安全。它是自动 化技术的重要组成部分，广泛应用于化工、冶金、电力、轻 工等工业领域。
过程控制分类
根据控制对象的不同，过程控制可分为温度控制、压力控制 、流量控制、液位控制等；根据控制策略的不同，过程控制 可分为开环控制和闭环控制；根据控制器结构的不同，过程 控制可分为单回路控制和多回路控制。
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静态特性分析
01
研究被控对象在稳态工作条件下的输入输出关系，包括线性度
、死区、滞后等特性。
动态特性分析
02
研究被控对象在动态过程中的输入输出关系，包括时域响应、
频域响应等特性。
稳定性分析
03
研究被控对象在受到扰动后的恢复能力，包括稳定性判据、稳
定裕度等特性。
数学模型建立方法
01
机理建模法
根据被控对象的物理或化学原理 ，建立描述其动态行为的数学模 型。
系统辨识法
02
03
混合建模法
利用实验数据，通过系统辨识方 法确定被控对象的数学模型结构 和参数。
结合机理建模和系统辨识方法， 充分利用已知信息和实验数据， 建立更准确的数学模型。
模型参数辨识与校正
参数辨识方法
利用最小二乘法、梯度下降法等 优化算法，对实验数据进行拟合 ，得到模型参数的最优估计值。
模型校正方法
过程控制系统组成要素
被控对象
被控对象是指需要控制的工艺参数或设备，如温 度、压力、流量等。
控制器
《过程控制系统课程设计》任务书
《过程控制系统》任务书一、课程设计目的及基本任务通过本课程设计将了解自动控制工程设计的基本概念、基本方法、设计原则及设计思想的表达。
通过该课程设计的学习，应能达到：（1）熟悉自控工程初步设计及施工图设计的基本内容及深度要求。
（2）能读懂自控工程初步设计及施工图设计的各种文件、图纸，并能根据这些设计资料进行工程实施。
（3）熟悉自控元件的工程表达，会查阅相关的标准和手册，能完成简单的自控工程设计。
二、课程设计学习内容（1）了解工程设计的内容（2）熟悉管道仪表流程图的画法（3）了解自控设备的选型原则（4）了解工程设计的深度要求及各设计环节的基本设计方法三、课程设计基本要求及意义要求：根据指定的工艺背景及物理模拟装置的具体情况，自行确定工艺要求及工艺参数，包括：正常工作流量、液位、温度、报警限值、启停工作顺序等。
意义：使学生建立起过程控制工程设计的概念，对过程控制工程设计有一整体的连接。
四．课程设计题目1、35吨过热蒸汽锅炉给水系统自控工程设计（常规仪表控制方案）2、35吨过热蒸汽锅炉给水系统自控工程设计（DCS方案）3、35吨过热蒸汽锅炉燃烧系统自控工程设计（常规仪表控制方案）4、35吨过热蒸汽锅炉燃烧系统自控工程设计（DCS方案）5、35吨过热蒸汽锅炉过热蒸汽系统自控工程设计（常规仪表控制方案）6、35吨过热蒸汽锅炉过热蒸汽系统自控工程设计（DCS方案）7、35吨过热蒸汽锅炉给水调节阀选型，蒸汽流量测量孔板计算。
（常规仪表控制方案）8、35吨过热蒸汽锅炉给水调节阀选型，蒸汽流量测量孔板计算。
（DCS方案）五．学生应交出的设计文件1．初步设计说明，包括：1）总体设计思路、自动化水平；2）自动检测、调节项目设计及选型依据；3）控制方式、自动控制系统方块图。
2．原理方框图3．仪表、自动化设备选型表4．绘制管道仪表流程图（P&ID）5．控制盘盘前布置图6．仪表、自动化设备接线图7．仪表数据表8．自控设备表9．截流元件计算书及流量仪表选型10．阀门选型计算书及阀门选型11．自控设计预算书系统组态应包括：至少两个以上工艺画面、所有测量参数的显示、手动及自动操作界面、主要参数的记录及趋势图、调节及显示仪表的设置及整定界面和现场运行及整定。
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2020/4/3
23
使用MATLAB建立仿真模型
首先在命令窗口中键入“simulink”命 令或在MATLAB工具条上用鼠标左键单 击相应的工具按钮都可以起动simulink 模块库浏览器窗口。
2020/4/3
24
simulink模块库浏览器窗口
模块 库目 录树
2020/4/3
25
新建仿真模型 设置仿真时间
2020法
方法四：响应曲线法：如果被控对象是 一阶惯性环节 ，或具有很小滞后的一阶 惯性环节，若用临界比例带法或阻尼振 荡法（4:1衰减）就有难度。对于这种情 况，可采用下述的响应曲线法来整定控 制器的参数。
2020/4/3
19
响应曲线法
方法三：响应曲线法：
X0
5
工业被控过程的建模
切线法确定一阶环节参数
2020/4/3
6
MATLAB 软件简介
MATLAB这个词代表“矩阵实验室” （matrix laboratory）。它的基本 数据元素是没有维数限制的阵列 （矩阵）。
2020/4/3
7
MATLAB 软件简介
MATLAB是一种高效的工程计算语言， 其典型应用主要包括以下几个方面：数 学计算；
16
衰减曲线法
这时的比例带称为4:1衰减比例带，用δS 表示之。相邻两波峰间的距离称为4:1衰
2减020/4周/3 期TS，记录δS和TS。
17
衰减曲线法
按如下经验公式整定
δ（%） TI(S) TD(S)
P
δS
PI
1.2δS 0.5TS
PID
0.8δS 0.3TS 0.1 TS
最后对参数进行微调，直到动态过程满意为止。
2020/4/3
11
控制器参数工程整定方法
方法一：经验法：根据经验和先验知识 确定一组参数，然后根据各参数的影响， 调整参数，直至满意为止。
2020/4/3
12
控制器参数工程整定方法
方法二：临界比例度（带）法： 比例度（带）δ(%) ：与比例系数Kc成
反比关系。 这种整定方法是在闭环情况下进行的。
设TI=∞，TD=0 ，使控制器工作在纯比 例情况下，将比例带由大逐渐变小(对应 的比例系数Kc由小逐渐变大)，使系统的 输出响应呈现等幅振荡。
2020/4/3
13
临界比例度法
2020/4/3
14
临界比例度法整定经验公式
δS
Ti(S) Td(S)
P
2δS
PI
2.2δS TS/1.2
PID
1.6δS 0.5TS 0.125TS
2020/4/3
3
广义被控对象
2020/4/3
4
工业被控过程的建模
机理法
试验法（分为：时域法；频域法；统 计相关法）
混合建模
本设计中使用时域法中的阶跃响应曲
线法：对处于开环、稳态的被控过程，使
其输入量作阶跃变化，测得被控过程的阶
跃响应曲线，求出被控过程输入与输出之
间20的20/4/动3 态数学关系——传递函数。
注意：同一行内不同列元素用空格或逗 号分隔开，不同行之间用分号分隔。又 如可直接在命令窗口中输入一个行向量 A=[1,2,3,4,5]。
2020/4/3
10
MATLAB二维绘图简介
使用plot命令绘制图形
plot(x, y)
其中x,y可为向量或矩阵 ,当x,y同为n维向 量时，使用该命令，将绘制出以向量x的 元素为横坐标，y向量对应元素为纵坐标 的图形。
最后对参数进行微调，直到动态过程满意为止。
2020/4/3
15
控制器参数工程整定方法
方法三：衰减曲线法：在闭环系统中， 先把控制器设置为纯比例作用，然后把 比例带由大逐渐减小(对应的比例系数Kc 由小逐渐变大) ，加阶跃扰动观察输出响 应的衰减过程，直至出现4:1衰减过程为 止。
2020/4/3
➢算法开发； ➢系统建模和仿真； ➢数据分析和可视化； ➢科学和工程绘图；
2020/4/3
8
MATLAB变量
定义变量并给变量赋值命令
可直接在命令窗口中输入：变量名=[元素值]。 例如定义变量A为矩阵
1 2 3 4
A
5
6
7
8
9 10 11 12
2020/4/3
9
MATLAB变量
可直接在命令窗口中输入 A=[1,2,3,4;5,6,7,8;9,10,11,12]。
（给定）→目录→正文→ 参考文献（不少于5个）→ 评分表（给定）
2020/4/3
30
过程控制系统课程设计
设计课题一（必做）： 《工业被控过程建模与控制器的工程
整定》 设计选题二（选做）： 工业过程控制系统计算机监控界面的
设计
2020/4/3
1
必做选题设计内容
三大部分：
➢工业被控过程的机理建模 ➢工业被控过程的试验建模 ➢控制系统的工程整定
2020/4/3
2
工业被控对象
典型控制系统框图（单闭环）
3n，3n+1，3n+2。
2020/4/3
28
设计报告内容及格式要求
详细要求见设计任务书。 注意： 1. 封面和评分表使用统一给定的格式。 2. 将任务书装订到设计报告的最前面（封
面之后）。 3. 将成绩评定表装订到设计报告的最后面
（最后一页）。
2020/4/3
29
课程设计报告装订顺序
从前到后依次为： 封面（给定）→任务书
X0
令控制器的输出为幅度为x0,的阶跃信号，则对象经测量变送器后的输出Y（t）。
2020/4/3
20
响应曲线法
由该图可确定τ、T和 Kc。
2020/4/3
21
响应曲线法
K0
y() x0
y(0)
通过下式将比例系数转化为比例度：
1 100%
K0
2020/4/3
22
响应曲线法
利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为 4:1时控制器的相关参数。
2020/4/3
26
设置各模块参数 、保存模型 、 运行仿真
上述仿真模型各个模块可从Continuous、 Math Operations、Sinks、Sources 子库中找到。
2020/4/3
27
被控对象的单位阶跃响应数据
被控对象的单位阶跃响应数据见任务书。 注意：数据分为3个版本，分别对应学号：