北京科技大学
控制系统设计与实现
实践报告
班级：
专业：智能科学与技术
设计人（学号）：
组员（学号）
指导教师：阎群
完成日期：2017 年7 月13 日
教师评语
目录
1 实践任务书 (1)
1.1 实践目的 (1)
1.2 实践内容及要求 (1)
1.3 报告要求 (2)
1.4 进度安排 (2)
1.6 分组情况 (3)
2 设计要求 (4)
3 系统介绍 (4)
3.1 系统简介 (4)
3.2 对象系统介绍 (4)
3.3 系统主体结构介绍 (5)
4 实验建模研究 (6)
4.1 实验建模理论基础 (6)
4.2 单容水箱液位控制实验建模 (7)
4.3双容水箱液位控制实验建模 (7)
4.4 试验建模结果分析 (8)
5 Matlab仿真研究 (9)
5.1 模型计算 (9)
5.2 PID控制仿真研究 (10)
6单闭环水箱PID控制 (10)
6.1液位控制 (14)
6.1.1实验步骤 (14)
6.1.2结果分析 (19)
6.2流量控制 (20)
6.2.1实验步骤 (20)
6.2.2结果分析 (20)
6.3压力控制 (21)
6.3.1实验步骤 (21)
6.3.2结果分析 (21)
7 流量液位串级控制 (22)
7.1实验步骤 (22)
7.2结果分析 (23)
8实践总结 (25)
8.1 目标，过程，结果等分析 (25)
8.2对实践的收获，要求和建议 (25)
1 实践任务书
1.1 实践目的
单容水箱液位模型测试：
1）熟悉本套系统，明确应该如何进行本次实验
2）熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线
3）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法确定其参数4）了解单容水箱液位单闭环控制系统构成
水平（垂直）双容水箱液位模型测试
1）掌握水平与垂直双容水箱液位模型的调试方法
2）熟悉双容水箱的数学模型及相应曲线
单容水箱液位PID控制
1）通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2）研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。
3）研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。
4）定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。
单容水箱压力PID控制
1）通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2）分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
3）定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
单容水箱压力PID控制
1、熟悉本套系统，明确应该如何进行本次实验
2、熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线
3、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法确定其参数。
4、熟悉利用MATLAB建立系统数学模型的方法。
5、学会利用MATLAB/Simulink对系统建模的方法。
6、熟悉并学会稳定边界法。
7、熟悉并学会PID参数的自整定法。
8、较为深刻理解液位PID单回路控制的原理，并掌握PID相关参数的设定方法。
1.2 实践内容及要求
分析单容水箱液位单闭环控制系统构成，设计、调试单容水箱液位PID控制。
单容水箱液位模型测试；水平（垂直）双容水箱液位模型测试。
单容水箱流量PID控制实验；单容水箱压力PID控制实验。
设计调试双容水箱液位、压力单闭环控制系统
流量-液位串级控制系统
自行设计并调试闭环液位控制系统程序。
1.3 报告要求
1）参照《自动控制系统设计与实现报告模板》撰写
2）详细写明设计思路，流程图，测试结果及分析论证
3）认真撰写心得体会及建议（其中包括对于课程改进）
4）标注主要参考文献
1.4 进度安排
6月26日-7月2日
学习A1000小型过程控制系统实验指导书；
学习西门子可编程控制器S7-200/S7-300；学习组态王6.53.
7月3日明确设计任务，熟悉简单控制系统的硬件设计。
结合A1000小型过程控制系统实验指导书及具体实验设备，进一步
熟悉系统构成，系统中各部件功能，绘制完整的系统配电图。
7月4日单容水箱液位模型测试；水平（垂直）双容水箱液位模型测试。
7月5日分析单容水箱液位单闭环控制系统构成，设计、调试单容水箱液位PID控制。
7月6日继续研究单闭环控制系统构成，研究系统设计、调试方法。
单容水箱流量PID控制实验；单容水箱压力PID控制实验。
7月7日了解垂直、水平双容水箱系统构成，
设计调试双容水箱液位、压力单闭环控制系统
7月10日流量-液位串级控制系统；参考设备现有上、下位机程序，
自行设计并调试闭环液位控制系统程序。
7月11日同第六次课内容
7月13日提交报告，现场PPT讲解，答辩考核；
1.5 考核办法
平时成绩30%+报告成绩40%+答辩成绩30%
平时成绩：考勤、时间过程与能力评定
答辩成绩：调试方法、运行结果的PPT展示及现场回答问题报告成绩：每位同学提交一份时间报告
1.6 分组情况
2 设计要求
1） 满足工艺要求——满足生产过程提出的要求和性能指标 2） 可靠性高——用系统平均无故障和平均维修时间衡量 3） 操作性能好——使用方便和维护容易 4） 实时性强——对内、外部时间及时作出响应 5） 通用性好——硬软件课移植
6）
经济效益高——系统性价比高，投入产出比低
3 系统介绍（水箱结构特点/工艺/设备环境/软件 上位机 下位机控制器）
3.1 系统简介
A1000 小型过程控制实验系统其实就是一个水箱控制系统，通过对手阀的调 节可以形成单容、双容、三容水箱控制系统，并能进行相关的实验。本系统使用 了西门子的 S7-200PLC 实现控制功能，同时使用组态王软件编写相应程序对该 系统进行实时监控。因此本系统非常适合学习组态软件、控制系统调节以及控制 器编程，也非常适合于进行算法研究。 3.2 对象系统介绍
本系统的控制系统和对象是一体的，连通手阀采用金属球阀（长 80mm ）
图 2 A1000 小型多参数过程控制系统流程图
该系统提供了两路动力支流，既可以满足两个同学同时进行压力、流量和液位实
JV12
流量
FT1
JV13 溢出管
JV14 JV23 溢出管 JV24 JV22
V1
V2
V3
液位
LT1
JV15
JV25 液
流量
FT2
P-46
位 LT3
压力
P1
液位
LT2
压力
JV16
JV31
JV26 P2
JV11
溢出管
JV21
P1
P2
V4
验，还可以一路用于提供水流，一路用于提供干扰。JV13 和J V23 提供泄漏干扰。
3.3 系统主体结构介绍
A1000 小型过程控制实验系统结构由以下各部分组成：
1）储水箱主体，提供了整个系统的支撑。
2）三容水箱左边水箱有一个入水口和四个出水口。右边上出水用于溢流，如果水过多则从中水箱溢流。右边中出水口用于和中水箱形成垂直多容系统。右边下出水口用于和中水箱形成水平两容和水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。
中间水箱有五个入水口，两个出入水口，两个出水口。前面的入水口是两个水路的入水。左右最上面的入水口用于左右两个水箱溢流。左边中出水用于和左边水箱形成垂直多容系统。左边下出水口用于和左水箱形成水平两容，以及水平三容。右边下出水口用于和右水箱形成水平两容，以及水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。中间有根管道，如果水过多则从此管道溢流。
右边水箱有一个入水口，四个出水口。左边上出水用于溢流，如果水过多则从中水箱溢流。左边下出水口用于和中水箱形成水平两容，以及水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。
3）测控点
压力测点 2 个，用于测量泵出口的压力（0～100Kpa；4～20mA）。
流量测点 2 个，用于测量注水流量（0～0.6m3/h）。
液位测点 3 个，用于测量各实验水柱的水位（0～5 Kpa；4～20mA）。
4）循环泵
潜水直流离心泵 2 台，提供水系统的循环动力。通过调速器控制水泵的出口流量，作为控制系统的执行器。
4 实验建模研究4.1 实验建模理论基础
4.2 单容液水箱位控制实验建模
由上图可知，当控制量由20%增大到25%时，系统液位由原来稳定在54%的高度变成了稳定在89%的高度。
由阶跃响应法可知：
7%
20%25%
54%89)(0=--=?∞?=
u y K 063.2%T y =被控变量完成全部变化的所需要的时间， 则，s T 600=
所以，该系统的传递函数为1
607
)(+=
s s G 。
4.3双容水箱液位控制实验建模
理论基础：经过详细的理论推导可知，单容水箱的动态数学模型是一阶惯性
环节加纯延迟的系统，其传递函数为()1
s c K
G s e T s τ-=
+，式中，K 为对象放大系数，c T 为对象时间常数，τ为对象纯滞后。
由于纯延迟相对系统时间比较少，可以不考虑纯延迟，从而将其传递函数简化为()1
c K
G s T s =
+。 为确定本次实验的单容水箱的动态数学模型，就需要确定该模型中的系统时间参数c T 和增益K ，这就涉及到过程辨识和参数估计的问题。
在由俞金寿、孙自强主编的过程控制系统一书中详细介绍了两种过程辨识与参数估计的方法，即阶跃响应法和脉冲响应法。本实验采用阶跃响应法来确定模型中的相关参数。下面对阶跃响应法进行简单介绍：
传递函数求法非常简单，只要有遥控阀和被控变量记录仪表就可以进行。先使工况保持平稳一段时间，然后使阀门作阶跃式的变化（通常在10%以内），同时把被控变量的变化过程记录下来，得到广义对象的阶跃响应曲线。
图2 由阶跃响应曲线确定0K 、τ和0T 的图解法
若对象的传递函数为00()1
s
K G s e T s τ-=+，则可在响应曲线拐点处做切线，如图2，各
个参数的求法如下：
1、0()
y K u
?∞=
? 式中：()y ?∞为给阶跃前后，系统最终稳定到的值的差值
u ?为所给阶跃的大小
2、τ=时间轴原点至通过拐点切线与时间轴交点的时间间隔
3、0=63.2%-T y τ被控变量完成全部变化量的所需时间
当控制量由20%增大到25%时，系统液位由原来稳定在54%的高度变成了稳定在89%的高度。
由阶跃响应法可知：
7%
20%25%
54%89)(0=--=?∞?=
u y K 063.2%T y =被控变量完成全部变化的所需要的时间， 则，s T 600=
所以，该系统的传递函数为1
607
)(+=
s s G 。
4.4 试验建模结果分析
1）结果基本正确，多次实验可能结果不同，但是大致是一致的，还有一点就是没有考虑系统的纯滞后效果，得到最终的传递函数并不是实际系统的真实表现。
2）第二次实验结果
5 Matlab 仿真研究 5.1 模型计算
已知液位对象，在阶跃扰动Δu(t)=20%时，其阶跃响应的实验数据如下图所示：
若将液位对象近似为一阶惯性加纯延迟，利用作图法确定其增益K ，时间常数T ，和纯延迟时间τ。
(1) 首先根据输出稳态值和阶跃输入变化幅值可得增益K=54/20=2.7。 (2) 利用一下MATLAB 命令，可得如下图所示单位阶跃响应曲线。 >>t=[0,15,45,75,105,145,175,205,235,265,295]-tw; >>h=[0,1,35,41,45,48,51,52,53,54,54];
>>plot(t,h)
(3) 按照S 型响应曲线的参数求法，由上图大致可得系统的时间常数
T 和延迟时间τ分别为τ=15s,T=70-τ=55s 。则系统近似为一阶惯性加纯延迟的数学模型为
s
e s s G 151
557.2)(-+=
已知液位对象，在阶跃扰动Δu(t)=20%时，其阶跃响应的实验数据如下图所示：
若将液位对象近似为一阶惯性加纯迟延，利用作图法确定其增益K ，时间常数Τ和纯迟延时间τ。
首先根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值可得增益K=54/20=2.7。 根据系统近似为一阶惯性加纯迟延的计算法，编写的MATLAB 程序sy3_2_2.m 如下
%sy3_2_2.m tw=10;
t=[0,15,45,75,105,145,175,205,235,265,295]-tw; h=[0,1,35,41,45,48,51,52,53,54,54];
h=h/h(length(h));
h1=0.39;t1=interp1(h,t,h1)+tw;h2=0.63; t2=interp1(h,t,h2)+tw; T=2*(t2-t1),tao=2*t1-t2
执行程序ex3_2_2.m 可得如下结果T=51.3467 τ=13.9321 则系统近似为一阶惯性加纯迟延的数学模型为
s e s s G 9.131
3.517
.2)(-+=
5.2 PID 控制仿真研究
PID 控制器的simulink 仿真图：
P控制器调节规律
P = 1 时，响应曲线：P = 2 时，响应曲线：
由图可以看出，随着P的增大，响应变快，余差减小，但是震荡变的厉害了，超调量也变大了。
PI控制器调节规律
控制器传递函数：
P = 3 , I = 0.001时，响应曲线P = 3 , I = 0.01时，响应曲线：发散不稳定。
P = 3 , I = 0.06时，响应曲线：
随着I的增大，系统余差初见减小，过渡时间变长，超调量变大。
PID控制器调节规律
控制器传递函数：
P = 3 , I = 0.03 , D = 5时，响应曲线：
P = 3 , I = 0.03 , D = 10时，响应曲线：
微分的加入，使得响应变快，震荡变小，但是，微分的加入很容易使系统不稳定，要慎用。
利用simulink中的PID自整定
双击PID控制器，点击Tune...即可实现PID参数的自整定。得到与手动整定的图像对比如右图：
再点击Apply,即可获取PID整定的参数:
P = 1.43718340161503 ,I = 0.0279552796902367
D = 0
6单闭环水箱PID控制
6.1液位控制
6.1.1实验步骤
1、编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。
2、在现场系统上，打开手阀JV22，调节JV26开度(如果你希望控制量范围50-70%，则要开很大，否则开少一些)，其余阀门关闭。
3、在控制系统上，将IO面板的水箱液位输出连接到AI0，IO面板的电动调速器U102控制端连到AO1。
注意：具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。
4、打开设备电源。
5、启动计算机组态软件，进入实验项目界面。启动调节器，设置各项参数。启动右边水泵P102和调速器。
6、系统稳定后可将调节器的手动控制切换到自动控制
左图为S=30% P=2.5时的图像
7、设置比例参数。观察计算机显示屏上的曲线，以下图均为S=30%的时刻
待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。 我们选定了 P=7.5 时刻为不变量，加入I 进行测试：
8、待系统稳定后，对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现，也可以通过支路1增加干扰，或者临时改变一下出口闸板的高度)。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。（同上图）
I=0.75时 余差=2； I=7.5时 余差为0.8 I=10000时，余差=2 9、减小P 重复步骤6，观察过渡过程曲线。 我们选取了 I=1.25
时
P=1.5
P=1
10、增大P 重复步骤6，观察过渡过程曲线。
I=0.75
I=7.5
I=10000
11、选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值(如设定值由50％变为60％)，同样可以得到一条过渡过程曲线。
12、在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置I参数不是特别大的数。固定比例P值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp
13、固定I于某一中间值，然后改变P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值Ti下的超调量σp。
大学生电子设计竞赛 风力摆控制系统 学院: 计算机学院 项目：风力摆控制系统 负责人：王贤朝 指导老师：张保定 时间： 2017年5月20日
摘要 本系统采用K60开发板作为控制中心，与万向节、摆杆、直流风机（无刷 电机+扇叶）、激光头、反馈装置一起构成摆杆运动状态与风机速度分配的双闭 环调速系统。单片机输出可变的PWM波给电机调速器，控制4个方向上风机的风速，从而产生大小不同的力。利用加速度计模块MPU6050，准确测出摆杆移动的位置与中心点位置之间的关系，采样后反馈给单片机，使风机及时矫正，防止脱离运动轨迹。使用指南针模块判别方向，控制系统向指定方向偏移。控制方式采用PID算法，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。从而使该系统具有良好的性能，能很好地实现自由摆运动、快速制动静止、画圆、指定方向偏移，具有很好地稳定性。 关键词：K60、空心杯电机、MPU6050、PID、无线蓝牙 目录 一、系统方案.............................................. 1.1 系统基本方案...................................... 1.1.1 控制方案设计................................ 1.1.2 机械结构方案设计............................ 1.2 各部分方案选择与论证 (1) 1.2.1电机选择 (1) 1.2.2 电机驱动的选择.............................. 1.2.3 摆杆与横杆的连接选择........................
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。
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 课程设计说明书（论文） 课程名称：自动控制理论课程设计 设计题目：直线一级倒立摆控制器设计 院系：电气学院电气工程系 班级： 设计者： 学号： 指导教师： 设计时间：2016.6.6-2016.6.19 手机： 工业大学教务处
*注：此任务书由课程设计指导教师填写。
直线一级倒立摆控制器设计 摘要：采用牛顿—欧拉方法建立了直线一级倒立摆系统的数学模型。采用MATLAB 分析了系统开环时倒立摆的不稳定性，运用根轨迹法设计了控制器，增加了系统的零极点以保证系统稳定。采用固高科技所提供的控制器程序在MATLAB中进行仿真分析，将电脑与倒立摆连接进行实时控制。在MATLAB中分析了系统的动态响应与稳态指标，检验了自动控制理论的正确性和实用性。 0.引言 摆是进行控制理论研究的典型实验平台，可以分为倒立摆和顺摆。许多抽象的控制理论概念如系统稳定性、可控性和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统实验直观的表现出来，通过倒立摆系统实验来验证我们所学的控制理论和算法，非常的直观、简便，在轻松的实验中对所学课程加深了理解。由于倒立摆系统本身所具有的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研究人员一直将它视为典型的研究对象，不断从中发掘出新的控制策略和控制方法。 本次课程设计中以一阶倒立摆为被控对象，了解了用古典控制理论设计控制器(如PID控制器)的设计方法和用现代控制理论设计控制器(极点配置)的设计方法，掌握MATLAB仿真软件的使用方法及控制系统的调试方法。 1.系统建模 一级倒立摆系统结构示意图和系统框图如下。其基本的工作过程是光电码盘1采集伺服小车的速度、位移信号并反馈给伺服和运动控制卡，光电码盘2采集摆杆的角度、角速度信号并反馈给运动控制卡，计算机从运动控制卡中读取实时数据，确定控制决策(小车运动方向、移动速度、加速度等)，并由运动控制卡来实现该控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，通过皮带带动小车运动从而保持摆杆平衡。 图1 一级倒立摆结构示意图
自动温控系统 本三级项目要求根据给定芯片设计一个自动温度采集、显示、报警、控制降温设备的应用系统。我们以8086微处理器为控制器，将直流电源模拟的温度信号送至A/D转换器，转换成数字量，8088CPU将其获取并转换成温度在数码管上显示，同时系统在温度超过限定值的情况下有报警和启动降温系统的功能。 关键词：温度数码管显示A/D转换 前言：温度测控系统是一个闭环反馈控制系统，它是用温度传感器将检测到的实际温度A/D 转换，送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差进行修正，从而实现对温度的控制[2]。温度测控系统在现实生产、生活中有着广泛的应用，如仓库存储、家禽养殖以及许多工业生产，都需要对环境温度进行监视和控制。 有一种采用模糊控制来设计温控系统，模糊控制技术是基于模糊集合理论发展起来的一门前沿高新技术，具有精度高，响应快，过度过程超调量小适应性强，控制规律简单等特点，应用日益广泛。 目前大多数温度控制系统都具有温度时延、控制精度不够、智能程度低等缺点，而单片机温控系统可以很好的运用于实际的生活和生产中，同时投入也不大，成本低，具有很好的实际运用价值，所以对于温度控制系统的研究单片机温控系统是个很好的典范，也是主要的发展方向，同时加入一些先进的控制整定技术可以使其控制的精度大大提高，对未来的发展有很大的意义。 在本次三级项目中我们预期的目标如下：温度控制系统能够在高温下启动声光报警的功能，并对于不同范围的高温启动不同转速的直流电机。但是在实现过程中，我们仅仅做了最基本的功能，报警与降温，对降温系统直流电机的转速也没有体现。 项目组分工： 正文 1、总体设计 1.1总体设计方案 总体要求：三级项目要求利用实验箱中的ADC0809、DAC0832、8253、8255等芯
成绩： 自动控制原理 课程设计报告 学生姓名：黄国盛 班级：工化144 学号：201421714406 指导老师：刘芹 设计时间：2016.11.28-2016.12.2
目录 1.设计任务与要求 (1) 2.设计方法及步骤 (1) 2.1系统的开环增益 (1) 2.2校正前的系统 (1) 2.2.1校正前系统的Bode图和阶跃响应曲线 (1) 2.2.2MATLAB程序 (2) 3.3校正方案选择和设计 (3) 3.3.1校正方案选择及结构图 (3) 3.3.2校正装置参数计算 (3) 3.3.3MATLAB程序 (4) 3.4校正后的系统 (4) 3.4.1校正后系统的Bode图和阶跃响应曲线 (4) 3.4.2MATLAB程序 (6) 3.5系统模拟电路图 (6) 3.5.1未校正系统模拟电路图 (6) 3.5.2校正后系统模拟电路图 (7) 3.5.3校正前、后系统阶跃响应曲线 (8) 4.课程设计小结和心得 (9) 5.参考文献 (10)
1.设计任务与要求 题目2：已知单位负反馈系统被控制对象的开环传递函数 ()() 00.51K G s s s =+用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计。 任务：用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计，使系统满足如下动态及静态性能 指标： （1）在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差0.05ss e rad <； （2）系统校正后，相位裕量45γ> 。 （3）截止频率6/c rad s ω>。 2.设计方法及步骤 2.1系统的开环增益 由稳态误差要求得：20≥K ，取20=K ；得s G 1s 5.0201)s(0.5s 20)s (20+=+=2.2校正前的系统 2.2.1校正前系统的Bode 图和阶跃响应曲线 图2.2.1-1校正前系统的Bode 图
北方民族大学学士学位论文论文题目:温度自动控制系统的设计 北方民族大学教务处制
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日
过程控制系统论文关于过程控制的论文 高炉TRT过程控制系统的研究与应用 摘要：TRT为高炉煤气余压能量回收透平发电装置的简称，它是把高炉出口煤气中所蕴含的压力能和热能，通过透平膨胀机作功，驱动发电机发电的一种能量回收装置。从而达到节能、降噪、环保的目的，具有很好的经济效益和社会效益，是目前现代国际、国内钢铁企业公的节能环保装置。TRT机组运行的关键是：在任何时刻，都不能影响高炉的炉顶压力。 关键词：PLC；可靠性；PID；自动控制 1 概述 TRT为高炉煤气余压能量回收透平发电装置的简称，它是把高炉出口煤气中所蕴含的压力能和热能，通过透平膨胀机作功，驱动发电机发电的一种能量回收装置。从而达到节能、降噪、环保的目的，具有很好的经济效益和社会效益，是目前现代国际、国内钢铁企业公认的节能环保装置。 2 高炉TRT过程控制系统工艺简介 目前，作为我国高炉节能、降噪、环保的能量回收装置TRT，不可避免在运行过程中出现紧急停机现象。特别是目前高炉普遍的塌料现象，如果对于系统的过程控制方案采取不当，将会导致高炉炉顶压力迅间增大，以至“憋压”。当压力超上限，就迫使TRT紧急跳车，使机组及时的退出静叶对高炉顶压的自动调节。当快切阀门关闭以后，调节高炉顶压的控制权就交给两个液压伺服控制的旁通阀（快开阀）。在国内TRT的发展历史上，由于所选择的控制系统方案不当而导致了多次事故的发生，一般情况下很容易将透平止推瓦损坏，更为严重的是由于炉顶压力的迅间增大，给高炉造成了极大的危险和危害，以至被迫停炉，影响了生产。 3 关键技术 通过参照TRT工艺的要求，对机组紧急停机时的高炉顶压调节采取了前馈-反馈（FFC-FBC）控制方案。该控制方案综合了前馈控制与反馈控制的优点，将反馈控制不易克服的干扰（高炉煤气流量）进行前馈控制，快速打开旁通阀，使高炉煤气形成畅通。但是由于前馈控制属于开环控制，尽管可以消除这一不安全因素，但不能完全保证顶压稳定，如果顶压波动较大，势必影响高炉生产，因此就对该过程采取了前馈-反馈控制（也称为复合控制）。机组发电运行阶段，高炉顶压的控制权交给了透平静叶，具有一定的干扰。如果不选择合适的控制方案，则也将影响高炉炉顶压力。为了提高系统的抗干扰能力，我们对这一过程采取了串级控制通过静叶来调节高炉顶压，目前，在国内很多公司TRT控制设备通常在TRT自动投入的时候，通常采取顶压功率复合控制，他们把功率PID调节器输出与顶压PID调节器输出的最小值作为顶压功率复合调节的输出。这种控制方案的实施在抗干扰能力方面稍逊于串级控制思想方案的调节。因为一般在设备运行过程中，高炉煤气发生量随时变化，除此之外，煤气的温度及透平入口的压力也时刻在发生变化，这将会造成静叶的开度时刻的改变，这就是调节过程中产生的干扰因素。为此要克服对高炉顶压调节的干扰，采取串级控制回路调节是山东莱钢银前1000m3高炉TRT系统控制的一大亮点。这种调节方案的实施稳定的调节高炉的炉顶压力，设备运行稳定，也给操作人员带来了便利。从高炉TRT串级调节系统方框途中可以看出，该系统有两个环路，一个内环（副环）和一个外环（主环）。PID调节器是主调节器，伺服控制器是副调节器。主被控变量为高炉炉顶压力，透平静叶的开度为副变量。主控制器的输出是副控制器的给定，而副控制器的输出直接送到电液伺服阀。在该串级控制系统中，主环是一个定值控制系统，而副回路是一个随动系统。对于本系统采取串级控制思路有如下好处：首先，从TRT系统的串级调节方框图上可以看出，由于副回路的存在，改善了对象（高炉炉
过程控制系统综合设计报告 班级： 姓名： 学号： 学期：
一、实验目的与要求 1．掌握DDC控制特点； 2．熟悉CS4100实验装置，掌握液位控制系统和温度控制系统构成； 3．熟悉智能仪表参数调整方法及各参数含义； 4．掌握由CS4100实验装置设计流量比值控制、液位串接控制、液位前馈反馈控制及四水箱解耦控制等设计方法； 5．掌握实验测定法建模，并以纯滞后水箱温度控制系统作为工程案例，掌握纯滞后水箱温度控制系统的建模，并用DDC控制方案完成控制算法的设计及系统调试。 以水箱流量比值控制、水箱液位串接控制、水箱液位前馈反馈控制及四水箱解耦控制为被被控对象，完成系统管路设计、电气线路设计、控制方案确定、系统调试、调试结果分析等过程的训练。以纯滞后水箱作为被控对象，以第二个水箱长滞后温度作为被控量，完成从实验测定法模型建立、管路设计、线路设计、控制方案确定、系统调试、结果分析等过程的训练。 具体要求为： 1）检索资料，熟悉传感器、执行器机械结构及工作原理。 2）熟悉CS4100过控实验装置的机械结构，进行管路设计及硬件接线； 3）掌握纯滞后水箱温度控制系统数学模型的建立方法，并建立数学模型； 4）掌握智能仪表参数调节方法； 5）进行控制方案设计，结合具体数学模型，计算系统所能达到性能指标，并通过仿真掌握控制参数的整定方法； 6）掌握系统联调的步骤方法，调试参数的记录方法，动态曲线的测定记录方法。记录实验数据，采用数值处理方法和相关软件对实验数据进行处理并加以分析，记录实验曲线，与理论分析结果对比，得出有意义的结论。 7）撰写实验设计报告、实验报告，具体要求见：（五）实践报告的内容与要求。 二、实验仪器设备与器件 1.CS4100过程控制实验装置 2.PC机（组态软件） 3.P909智能仪表若干
自动控制原理课程设计 专业： 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 兰州交通大学自动化与电气工程学院2013 年01月11日
目录 控制系统超前校正 (2) 1.问题描述 (2) 1.1设计目的 (2) 1.2设计内容 (2) 1.3超前校正及其特性 (2) 1.4系统参数设计步骤 (4) 2.校正系统设计 (5) 2.1 控制系统的任务要求 (5) 2.2校正前系统分析 (5) 2.3 校正系统的设计与分析 (7) 2.4 校正前后系统比较 (10) 2.5 软件仿真 (11) 2.6 硬件实验模拟电路 (13) 2.7 部分分析题解答 (14)
3. 课程设计总结 (15) 参考文献 (16) 控制系统超前校正 1．问题描述 1.1设计目的 （1） 了解串联超前校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响； （2） 掌握用频率特性法分析自动控制系统动态特性的方法； （3） 掌握串联超前校正装置的设计方法和参数调试技术； （4） 掌握设计给定系统超前校正环节的方法，并用仿真技术验证校正环节理论设计的正确性。 （5） 掌握设计给定系统超前校正环节的方法，并模拟实验验证校正环节理论设计的正确性。 1.2设计内容 已知单位反馈控制系统的开环传递函数为： ()() ()11o K G s s as bs = ++ 设计超前校正装置，使校正后系统满足： 11,,%%v c K cs ds e ωσ--=≥≤ 1.3超前校正及其特性 超前校正就是在前向通道中串联传递函数为: ()11 ()()1 c C s aTs G s R s a Ts += =?+ （1-1） 通常 a 为分度系数,T 叫时间常数,由式(1-1)可知,采用无源超前网络进行串联校正 时,整个系统的开环增益要下降 a 倍,因此需要提高放大器增益交易补偿. 如果对无源超
过程控制仪表与系统 题目：工业含硫废气控制系统方案设计 学院：信息科学与工程学院 专业班级：测控技术与仪器1503班 学号： 7 学生姓名：王哲 教师：李飞
工业含硫废气控制系统方案设计 摘要：许多化工厂在厂区内燃料燃烧和生产工艺过程中都会产生各种含有污染的有害气体，其中含硫的气体对环境造成的污染尤为严重。因此对含硫废气正确合理的处理至关重要。在我国工业含硫废气一般多采用焚烧工艺，经焚烧炉焚烧，使污染性气体转换成安全物质。经方案论证后，本设计采用双闭环串级控制系统，控制目标温度在600-800℃设定尾气焚烧炉炉温波动范围不超过±30℃。该控制系统中运用PID算法，传感器将检测到的模拟信号送到变送器，变送器输出4～20mA的电流信号。将变送器输出的标准信号送入控制器中，控制器通过分析比较所测参数与预设参数之后输出控制信号，执行器根据传送过来的信号进行变化，最终达到对系统温度的控制。 关键词：双闭环串级控制系统；炉温控制；流量控制；变送器 1 引言 含硫废气与加氢反应器出口过程器被加热至270-320℃左右与外补富氢气混合后进入加氢反应器在加氢催化剂的作用下转化为H2S。加氢反应为放热反应，离开反应器的尾气-换热器换冷却后进入冷凝塔。 废气在冷凝塔中利用循环机冷水来降温。70℃冷凝水自冷凝塔底部流出，经济冷泵加压后经急冷水冷却器用循环水冷却至40℃，循环至冷却塔顶。部分急冷水经急冷水过滤器过滤后返回急冷水泵入口。尾气中的水蒸气被冷凝，产生的酸性水由急冷水泵送至酸性水处理处。为防止酸性水对设备的腐蚀，需向急冷水中注入氨根据ph值大小决定注入氨的量。 冷凝后的尾气离开冷凝塔进入回收塔，用30%的甲基二乙醇胺溶液吸收废气中的硫化氢，同时吸收部分二氧化碳。吸收塔底富液用富液泵送至溶剂再生部分统一处理。从塔顶出来的净化气经尾气分液罐分液后进入焚烧炉燃烧，有燃料气流量控制炉膛温度；废气中残留的硫化氢几乎全转化成二氧化硫，最后再对二氧化硫进行处理。 焚烧炉要控制温度在600-800℃，保证尾气可以充分燃烧，对环境和人的健康都没有危害。 温度控制系统可采用的方法有双闭环串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统、前馈-反馈控制系统、分程控制系统等。
风力摆控制系统设计报 告 文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）
大学生电子设计竞赛 风力摆控制系统 学院: 计算机学院 项目：风力摆控制系统 负责人：王贤朝 指导老师：张保定 时间： 2017年5月20日
摘要 本系统采用K60开发板作为控制中心，与万向节、摆杆、直流风机（无刷电机+扇叶）、激光头、反馈装置一起构成摆杆运动状态与风机速度分配的双闭环调速系统。单片机输出可变的PWM波给电机调速器，控制4个方向上风机的风速，从而产生大小不同的力。利用加速度计模块MPU6050，准确测出摆杆移动的位置与中心点位置之间的关系，采样后反馈给单片机，使风机及时矫正，防止脱离运动轨迹。使用指南针模块判别方向，控制系统向指定方向偏移。控制方式采用PID算法，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。从而使该系统具有良好的性能，能很好地实现自由摆运动、快速制动静止、画圆、指定方向偏移，具有很好地稳定性。 关键词：K60、空心杯电机、MPU6050、PID、无线蓝牙 目录
风力摆控制系统（B题） 【本科组】 一、系统方案 系统基本方案 控制方案设计 为了实现题目要求我们采用K60单片机做为主控芯片，用加速度计陀螺仪模块MPU6050来计算角度和风机状态，用直流风机带动摆杆运动。当MPU6050检测到摆杆的角度时，可根据三角函数公式计算出摆杆现在距离中心的具体位置（方向、距离），单片机会控制PWM波的输出大小来控制风机的风速与方向，使摆杆达到在特定位置静止或按照一定的轨迹运动。当摆杆处于自然下垂状态时，给四个风机同时上电且风向都向外，此时摆杆仍处于受力平衡——静止状态。此时降低X轴上一个风机的转速，摆杆将会带动激光头在X轴上画一条直线，当达到一定的倾斜角度时，单片机可根据角度计算出此时距离中心的距离是否>=25cm，若达到要求后，此风机减速，X轴反方向上电机逐渐加速，恢复到初始速度，反方向做相同的运动。在此过程中，单片机做出A/D采样，Y轴方向方向风机随时做出矫正，防止发生轨迹偏移。 机械结构方案设计 由于摆杆长度（60cm~70cm）较长，且要求激光头在地面画出15cm~35cm的圆，所以要求横杆的距离要足够长。横杆长度较长加之摆杆重量较大，所以要求底座要有足够的重量来支撑整个系统。如果结构不稳或者重量不够，摆杆运动过程中将会产生倾倒或者抖动等现象，影响测试结果。于是，底座采用了“工”型结构，保证了整个系统的稳定性。摆杆材料方面，我们选用轻便的硬
1 引言 支点在下，重心在上，恒不稳定的系统或装置的叫倒立摆。倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。 1.1 问题的提出 倒立摆系统按摆杆数量的不同，可分为一级，二级，三级倒立摆等，多级摆的摆杆之间属于自有连接（即无电动机或其他驱动设备）。对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。 倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。 1.2 倒立摆的控制方法 倒立摆系统的输入来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，通过控制算法得到控制量，再经数模转换驱动直流电机实现倒立摆的实时控制。直流电机通过皮带带动小车在固定的轨道上运动，摆杆的一端安装在小车上，能以此点为轴心使摆杆能在垂直的平面上自由地摆动。作用力u平行于铁轨的方向作用于小车，使杆绕小车上的轴在竖直平面内旋转，小车沿着水平铁轨运动。当没有作用力时，摆杆处于垂直的稳定的平衡位置（竖直向下）。为了使杆子摆动或者达到竖直向上的稳定，
需要给小车一个控制力，使其在轨道上被往前或朝后拉动。 本次设计中我们采用其中的牛顿－欧拉方法建立直线型一级倒立摆系统的数学模型，然后通过开环响应分析对该模型进行分析，并利用学习的古典控制理论和Matlab /Simulink仿真软件对系统进行控制器的设计，主要采用根轨迹法，频域法以及PID（比例-积分-微分）控制器进行模拟控制矫正。 2 直线倒立摆数学模型的建立 直线一级倒立摆由直线运动模块和一级摆体组件组成，是最常见的倒立摆之一，直线倒立摆是在直线运动模块上装有摆体组件，直线运动模块有一个自由度，小车可以沿导轨水平运动，在小车上装载不同的摆体组件。 系统建模可以分为两种：机理建模和实验建模。实验建模就是通过在研究对象上加上一系列的研究者事先确定的输入信号，激励研究对象并通过传感器检测其可观测的输出，应用数学手段建立起系统的输入－输出关系。这里面包括输入信号的设计选取，输出信号的精确检测，数学算法的研究等等内容。 鉴于小车倒立摆系统是不稳定系统，实验建模存在一定的困难。因此，本文通过机理建模方法建立小车倒立摆的实际数学模型，可根据微分方程求解传递函数。 2.1 微分方程的推导（牛顿力学方法） 微分方程的推导在忽略了空气阻力和各种摩擦之后，可将直线一级倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统，如图1所示。做以下假设： M小车质量m摆杆质量 b小车摩擦系数I 摆杆惯量
XXXXXXXXXXXXXX 嵌入式系统原理及应用实践 —智能家居控制系统（无操作系统）学生姓名XXX 学号XXXXXXXXXX 所在学院XXXXXXXXXXX 专业名称XXXXXXXXXXX 班级XXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXX 指导教师 成绩 XXXXXXXXXXXXX 二○XX年XX月
综合实训任务书 目录 前言 (1)
1 硬件设计 (1) ADC转换 (3) SSI控制数码管显示 (3) 按键和LED模块 (5) PWM驱动蜂鸣器 (6) 2 软件设计 (7) ADC模块 (7) ADC模块原理描述 (7) ADC模块程序设计流程图 (8) SSI 模块 (8) SSI模块原理描述 (9) SSI模块程序设计流程图 (10) 定时器模块 (10) 定时器模块原理描述 (10) 定时器模块流程图 (11) DS18B20模块 (11) DS18B20模块原理描述 (11) DS18B20模块程序设计流程图 (12) 按键模块 (13) 按键模块原理描述 (13) 按键模块程序设计流程图 (13) PWM模块 (13) PWM模块原理描述 (14) PWM模块程序设计流程图 (14) 主函数模块 (14) 主函数模块原理描述 (14) 主函数模块程序设计流程图 (15) 3．验证结果 (15) 操作步骤和结果描述 (15) 总结 (16)
智能家居控制系统设计 前言 当前，随着科学技术的发展，计算机、嵌入式系统和网络通信技术逐步深入到各个领域，使得住宅和家用电器设备网络化和智能化，智能家居已经开始出现在人们的生活中。智能家居控制系统(smarthome control systems,简称SCS)。它以住宅为平台，家居电器及家电设备为主要控制对象，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施进行高效集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的控制管理系统，提升家居智能、安全、便利、舒适，并实现环保节能的综合智能家居网络控制系统平台。智能家居控制系统是智能家居核心，是智能家居控制功能实现的基础。 通过家居智能化技术，实现家庭中各种与信息技术相关的通讯设备、家用电器和家庭安防装置网络化，通过嵌入式家庭网关连接到一个家庭智能化系统上进行集中或异地的监控和家庭事务管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。家居智能化所提供的是一个家居智能化系统的高度安全性、生活舒适性和通讯快捷性的信息化与自动化居住空间，从而满足21世纪新秀社会中人们追求的便利和快节奏的工作方式，以及与外部世界保持安全开放的舒适生活环境。本文以智能家居广阔的市场需求为基础，选取智能家居控制系统为研究对象。 1 硬件设计 本系统是典型的嵌入式技术应用于测控系统，以嵌入式为开发平台，系统以32位单片机LM3S8962为主控制器对各传感器数据进行采集，经过分析后去控制各执行设备。 硬件电路部分为：微控制器最小系统电路、数据采集电路（光敏电路、温度传感器、霍尔传感器）、输出控制电路（继电器、蜂鸣器、发光二极管）和八位LED数码管显示组成。LM3S8962布局如图1-1所示，LM3S8962核心板外围电路如图1-2所示。 图 LM3S8962布局图
2015 全国大学生电子设计竞赛 风力摆控制系统（B题） 【本科组】 2015年8月15日
摘要：本设计是基于STM32F103VE单片机为核心的简易风力摆控制系统，该系统由电源供电模块，直流风机及驱动模块、角度检测模块、信息处理模块、继电器及驱动模块、蜂鸣指示模块和液晶显示模块构成。STM32F103VE通过改变PWM占空比来实现对直流风机速度及方向的控制，该风力摆控制系统能够实现题目要求，简单做直线运动、复杂做圆周运动。 关键字：风力摆角度传感器单片机自动控制系统 一．方案论证： 1.系统结构 1）机械结构如图1所示。 一长约67cm的吸管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂4只直流风机，中间安装陀螺仪，构成一风力摆。风力摆下安装一向下的激光笔，静止时，激光笔下端距离地面18cm。 图 1 2）测控电路结构 测控电路结构如图2所示。 编码器按键
图2 2.方案比较与选择 其实整体电路架构上图已经给定，主要是几个关键部分————直流风机选型及架构、直流风机驱动电路、传感器、主控芯片选择，我们分析如下： 1）直流风机的选型 方案一：采样大电流成品直流风机，虽然风力够大，但驱动多个风机所需电流过大，单个电源难以满足要求，而且比较重，多个电机使得惯性过大难以控制。鉴于以上两点，弃用。 方案二：采用小型高速电机加螺旋桨自制直流风机，风力大，体积小，质量轻，而且性价比高。 风力摆控制系统风机质量轻，减小惯性，容易起摆；风力大，风速控制范围大，摆动角度大；体积小，减少外部的干扰；鉴于以上几点，本设计采用方案二。 STM32微处理器 角度传感器 直流风机 电机驱动电路 风机供电 OLED 液晶显示 蜂鸣器
自控课程设计课程设计(论文) 设计（论文）题目单位反馈系统中传递函数的研究 学院名称Z Z Z Z学院 专业名称Z Z Z Z Z 学生姓名Z Z Z 学生学号Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z 任课教师Z Z Z Z Z 设计（论文）成绩
单位反馈系统中传递函数的研究 一、设计题目 设单位反馈系统被控对象的传递函数为 ) 2)(1()(0 0++= s s s K s G （ksm7） 1、画出未校正系统的根轨迹图，分析系统是否稳定。 2、对系统进行串联校正，要求校正后的系统满足指标： （1）在单位斜坡信号输入下，系统的速度误差系数=10。 （2）相角稳定裕度γ>45o , 幅值稳定裕度H>12。 （3）系统对阶跃响应的超调量Mp <25%,系统的调节时间Ts<15s 3、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。 4、给出校正装置的传递函数。计算校正后系统的截止频率Wc 和穿频率Wx 。 5、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。 6、在SIMULINK 中建立系统的仿真模型，在前向通道中分别接入饱和非线性环节和回环非线性环节，观察分析非线性环节对系统性能的影响。 7、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。 二、设计方法 1、未校正系统的根轨迹图分析 根轨迹简称根迹，它是开环系统某一参数从0变为无穷时，闭环系统特征方程式的根在s 平面上变化的轨迹。 1）、确定根轨迹起点和终点。 根轨迹起于开环极点，终于开环零点；本题中无零点，极点为：0、-1、-2 。故起于0、-1、-2，终于无穷处。 2）、确定分支数。 根轨迹分支数与开环有限零点数m 和有限极点数n 中大者相等，连续并且对称于实轴；本题中分支数为3条。
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。
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）
自动控制原理课程设计 专业：自动化 设计题目：控制系统的综合设计 班级：自动化0943 学生姓名：XXX 学号：XX 指导教师：XX 分院院长：XXX 教研室主任：XX 电气工程学院
目录 目录 第一章课程设计内容与要求分析 (1) 1.1设计内容 (1) 1.2 设计要求 (1) 1.3 Matlab软件 (2) 1.3.1基本功能 (2) 1.3.2应用 (3) 第二章控制系统程序设计 (4) 2.1 校正装置计算方法 (4) 2.2 课程设计要求计算 (4) 第三章利用Matlab仿真软件进行辅助分析 (6) 3.1校正系统的传递函数 (6) 3.2用Matlab仿真 (6) 3.3利用Matlab/Simulink求系统单位阶跃响应 (10) 3.2.1原系统单位阶跃响应 (10) 3.2.2校正后系统单位阶跃响应 (11) 3.2.3校正前、后系统单位阶跃响应比较 (12) 3.4硬件设计 (13) 3.4.1在计算机上运行出硬件仿真波形图 (14) 课程设计心得体会 (16) 参考文献 (18)
第一章 课程设计内容与要求分析 1.1设计内容 针对二阶系统 )1()(+= s s K s W ， 利用有源串联超前校正网络（如图所示）进行系统校正。当开关S 接通时为超前校正装置，其传递函数 11 )(++-=Ts Ts K s W c c α， 其中 1 3 2R R R K c += ， 1 ) (13243 2>++ =αR R R R R ，C R T 4=， “-”号表示反向输入端。若Kc=1，且开关S 断开，该装置相当于一个放大系数为1的放大器（对原系统没有校正作用）。 1.2 设计要求 1）引入该校正装置后，单位斜坡输入信号作用时稳态误差1.0)(≤∞e ，开环截止频率ωc’≥4.4弧度/秒，相位裕量γ’≥45°； 2）根据性能指标要求，确定串联超前校正装置传递函数； 3）利用对数坐标纸手工绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线； c R 2 3
过程控制系统设计 仿真实验报告 实验名称：单回路控制系统PID控制器仿真实验 姓名：罗一弘 学号：20091593 班级：2009034
一、实验目的 1. 熟悉简单控制系统响应曲线法和临界比例度法整定PID 参数过程。 2. 掌握采用Matlab 仿真工具进行PID 参数整定的方法和过程。 3. 掌握PID 控制器中不同参数对控制系统性能的影响。 二、实验步骤 （一）、响应曲线法求PI 和PID 控制器的参数 1、PI 控制参数 1681)(3000+= +=--s e s T e k s G s s τ P 0= %5.12%1001 =?k P=1.1 00 P T τ=4.4% T i =3.30τ=9.9s 2、PID 控制参数 P=0.85 00 P T τ=3.4% T i =20τ=6s T d =0.50τ=1.5s 图1-系统simulink 模型 （二）、稳定边界法求PI 和PID 控制器的参数 1、PI 控制参数 首先取T i =∞,T d =0,根据广义对象特性选择一个较大的P 值，待系统运行平稳后，逐渐减小P ，直至系统出现等幅震荡（图2）。
图2-系统等幅震荡曲线 由结果记录下P m=2.062,T m=10.406s。 P=2.2P m=4.54% T i=0.85T m=8.85s 2、PID控制参数 P=1.7P m=3.51%T i=0.50T m=5.2s T d=0.125 T m=1.3s （三）、实际微分算法实现PID控制 采用经验法进行参数整定，并使用实际微分算法（图3） 图3-采用实际微分算法的系统模型 1、先置T i=∞,T d=0，不断调节K p，使过渡过程达到4:1至10:1的衰减比。 2、将获得的K p缩小10%-20%，T i由大至小逐步增加，直至获得衰减比为4:1至10:1的过程。 3、将K p增大10%-20%，T i适当缩短后，逐步调节T d的值，直至获得满意的过渡过程。
计算机控制系统实践课程设计报告 设计题目：《基于AT89C52RC的温度控制系统》 指导老师： 报告人： 学号： 报告日期：
摘要 本报告中所述温度控制系统，是基于AT89C52RC 控制器的闭环温度控制系统。控制系统通过数字温度传感器DS18B20采集水温传递给控制器。经过控制器对数据的分析与处理，实现对继电器的控制，从而实现对加热器的启动与停止。通过对温度控制系统的设计，我们掌握了对一个简单闭环系统的设计。并实际动手完成了这一过程，使得自己对知识的学习从理论过渡到了实际应用之中。 一、系统设计方案： 控制器 温度传感器 驱 动电路 加热指示灯 电源/复位 继电器线圈 L N 220AC DS18B20 加热器 水池 图1 系统方案结构图 1.1传感器DS18B20： DS18B20数字温度计提供9-12位摄氏温度测量而且有一个由高低电平触发的可编程的不因断电而改变的报警功能。DS18B20由一个单线接收或发送信息，因此处理器和DS18B20之间只由一根数据线连接。它的测量范围是-55℃~125℃，并且在-10℃~85℃之间，精度为±5℃。除此之外，DS18B20可以从单数据线上汲取能量，除去了对外部电源的需求。 DS18B20常用的封装有SOIC 、T0-9以及不锈钢密封封装。因本系统需测量水温，故选择不锈钢密封封装的DS18B20。
图2 DS18B20外围电路图 1.2 驱动芯片ULN2003 因51单片机灌/拉电流比较小（大约在20mA左右），本项目所选用继电器为SRD-05VDC-SL-C其线圈的电流大约是72mA。所以在单片机管脚与继电器线圈之间需加入一个驱动芯片。为此，本项目选用集成芯片ULN2003作为继电器的驱动芯片。 ULN2003是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路。它是由7对NPN达林顿管组成的，它的高电压输出特性和阴极箝位二极管可以转换感应负载。单个达林顿对的集电极电流是500mA。达林顿管并联可以承受更大的电流。此电路主要应用于继电器驱动器，字锤驱动器，灯驱动器，显示驱动器（LED 气体放电），线路驱动器和逻辑缓冲器。 ULN2003的每对达林顿管都有一个2.7k?串联电阻，可以直接和TTL或5V CMOS装置 图3 达林顿管的内部电路 在温度控制系统中ULN2003用来驱动继电器的线圈，其外围电路如图4：