过程控制课程设计

武汉理工大学华夏学院课程设计报告书

题目：过程控制课程设计

系名：

专业班级：

姓名：

学号：

指导教师：

2012 年7 月 5 日

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级：

指导教师： 工作单位： 信息工程系 题目：工业被控过程建模与控制器参数的工程整定 一．初始条件：

1. 给出单容储液槽液位机理建模的过程。

2. 给出工程建模的方法。

3. 给出广义被控对象的单位阶跃响应输出数据。

4. 给出经典的工程整定方法。

5. 给出使用MATLAB 软件建模、绘制与拟合曲线、仿真运行和整定调试的方法。

二．要求完成的主要任务：

（一）．设计任务

本设计要求完成如下两个大的设计任务，分别是：

1.对某一工程对象进行机理建模，应用MATLAB 软件对给定的工程数据进行工程测试建模。具体要求为：

⑴ 参考相关资料，参照《过程控制系统课程设计指导书》给出的单容储液槽液位数学模型的建立方法，应用机理法对某一工业生产过程建立数学模型。要求模型传递函数为：()1

s

K G s e Ts τ-=+，写出建模的详细过程，并绘制出示意

图。

⑵ 按照下表给出的广义被控生产过程的单位阶跃输入下的输出数据，要求应用MATLAB 软件绘制出其响应曲线。

t(s) 0 10 20 40 60 80 100 140 y 0

0.2

0.8

2

3.6

5.4

8.8

t(s) 180 250 300 400 500 600 y

11.8

14.4

16.6

18.4

19.2

19.6

⑶写出应用切线法建立数学模型的具体步骤。要求用计算机绘制其切线图形，并在图上做出详细标注。

⑷写出广义对象传递函数。用计算机在同一图形界面下绘制出阶跃响应曲线和拟合后的曲线。

2. 对所建立的被控对象（广义）数学模型，应用MATLAB软件，建立闭环控制系统模型，并进行工程整定的仿真。最终给出仿真结果和结论。具体要求为：

⑴以得到的对象数学模型为广义被控对象，在MATLAB中建立闭环控制系统仿真模型。至少用一种方法进行工程整定。要求给出整定过程中的模型及中间得到的图形数据。

⑵写出具体的整定步骤和得到的整定参数。

⑶根据整定参数，进行仿真验证。给出整定后的闭环控制系统仿真模型和阶跃响应曲线。

⑷对研究过程所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析，得出结论。

（二）．说明书撰写要求

1. 纸张格式：要求统一用A4纸打印，页面设置上空

2.5cm，下空2.0cm，左空2.5cm，右空2.0cm）：

2. 正文层次：正文内容层次序号为：1、1.1、1.1.1……，其中

⑴．正文标题；一级标题1.（黑体小2号加粗），二级标题1.1（黑体小三号），三极标题1.1.1（黑体小四号）。

⑵．正文内容格式：宋体五号，1.25倍行距。

3. 正文内容

一般包括：

⑴．选题背景：说明本课题应解决的主要问题及应达到的技术要求；简述本设计的指导思想。（设计目的中已有阐述）

⑵．方案论证：说明设计原理并进行方案选择，阐明为什么要选择这个设计方案以及所采用方案的特点。

⑶．设计内容：对设计工作的详细表述。要求层次分明、表达确切。

⑷．结果分析：对研究过程总所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析，得出结论和推论。

⑸．结论或总结：对整个研究工作进行归纳和综合。

⑹．参考文献：不少于5个，并应按文献号、作者、文献题名、出版地：出

版社和出版年等顺序书写。如：[1] 戴军，袁惠新.膜技术在含油废水处理中的应用.膜科学与技术，2002.

4. 图纸（或其它）要求

⑴．图纸要求：图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，要求使用计算机绘图。

⑵．曲线图表要求：

①．所有曲线、图表、线路图、流程图、程序框图、示意图等不准徒手画，必须按国家规定标准或工程要求绘制（采用计算机辅助绘图）。

②．课程设计说明书（报告）中图表、公式一律采用采用阿拉伯数字连续编号。图序及图名置于图的下方；表序及表名置于表的上方；说明书（报告）中的公式编号，用括号括起来写在右边行末，其间不加虚线。

三．时间安排：

时间设计内容

6月25-26日查阅资料，用机理法为某一工业被控过程建立数学

模型

6月27日查阅MATLAB资料，绘制出阶跃响应曲线6月28日用切线法建立被控过程数学模型

6月29-30日根据所得数学模型，用MATLAB建立闭环系统仿真

模型

7月1-3日进行闭环系统的工程整定，得出整定结果

7月4日完成设计报告

7月5-6日答辩

指导老师签字：年月日

1 选题背景和设计任务

1.1 选题背景

过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用。锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故。在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。

可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。

由于工业生产过程复杂多样，因此，在设计工业生产过程控制系统时，首先必须花大量的时间和精力去了解该工业生产过程的基本原理、操作过程和过程特性，这是设计和实现一个工业生产过程的首要条件。

要实现过程自动控制，还需要对整个工业生产过程的物料流、能源流和生产过程中的有关状态进行准确的测量和计量。根据测量得到的数据和信息，用生产过程工艺和控制理论知识来管理和控制该生产过程。

MBATLA软件是一款进行高效工程计算、数据分析与可视化编程、系统仿真、科学和工程绘图等功能强大的优秀软件。能够用于系统建模和仿真，方便用于系统参数整定。

1.2 设计任务

工业生产过程的扰动作用使得生产过程操作不稳定，从而影响工厂生产过程的经济效益。过程控制的任务就是使生产过程达到安全、平稳、优质、高效。作为自动化最根本的目标应是使生产过程安全并平稳的运行。

本课程设计是工业被控过程建模与控制器参数的工程整定，主要是针对单容储液槽的水位平衡进行机理建模。本设计要求完成如下两个大的设计任务，分别是：

1）对某一工程对象进行机理建模，应用MATLAB软件对给定的工程数据进行工程测试建模。

2）对所建立的被控对象（广义）数学模型，应用MATLAB软件，建立闭环控制系统模型，并进行工程整定的仿真。最终给出仿真结果和结论。

2 设计方案

2.1 建模的一般方法

建立被控过程数学模型的方法一般有：机理建模、试验建模、混合建模。

机理建模是根据对象或是生产过程的内部机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程以及某些设备方程、化学反应定律等，从而得到对象的数学模型。这类模型通常称为机理模型。这种方法建立的模型的最大优点是具有非常明显的物理意义，模型具有很大的适应性，便于模型参数的调整。