《过程控制技术》课程设计-水管压力控制系统设计与仿真

1、设 计 任 务 书过程控制技术课程设计设 计 题 目： 水管压力控制系统设计与仿真 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级： 14电气 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系2017年7月 1日过程控制技术课程设计任务书全套设计加扣 30122505821、 设计题目水管压力控制系统设计与仿真2、 主要内容1、以THJ-3级过程控制实验对象系统的水管压力作为为研究对象，设计出合理的控制方案。利用MATLAB的曲线拟合的方法分别得出系统系统中的水管压力的传递函数。2、利用MATLAB的Simulink搭建水管压力PID控制系统，用单回路控制方案。3、整定控制器的PID参

2、数，并给出整定后的阶跃响应曲线并进行分析，得出结论。三、设计要求1、分析控制系统各个环节的动态特性，建立被控对象的数学模型。2、根据其数学模型，选择控制方案3、在Matlab上进行模型的搭建与仿真，整定调节器参数。4、根据整定的参数，得出控制效果曲线，并对结果进行比较分析，得出结论。四、设计步骤1、查找资料，了解和分析题目所要求具体工程项目控制的过程。2、设计实验方案，给出实验接线图。得出对象的数学模型。3、在Matlab上进行模型的搭建与仿真，分析仿真曲线，得出结论4、编写设计说明书。五、设计说明书要求1、完整的设计任务书。2、查找文献资料，阐述设计的目的和意义。3、被控对象简介，控制方案的

3、选择（被控参数选择、控制参数选择、测量变送器的选择，执行器的选择、控制器的选择、控制规律的选择等），给出实验线路。5、被控对象数学模型的建立。6、在Matlab上进行模型的搭建与仿真。7、结论。8、设计体会（可选）.9、参考文献. 2017年 7月 3日至 2017 年 7月 7日（1周）指导教师 设 计 说 明 书过程控制技术课程设计设 计 题 目： 水管压力控制系统设计与仿真 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级： 14电气 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系2017 年 7月7日目录目录41、设计任务分析51.1背景51.2设计内容及目的52、控制系统总体

4、方案设计62.1 双容液位控制系统对象简介62.2 控制系统的方案选择62.1.3被控参数及控制参数的选择62.1.3测量变送器的选择62.1.3执行器的选择62.1.3控制器的选择63、被控对象数学模型的建立73.1 被控对象数学模型的建立的方法简介73.2 *对象数学模型的建立74、在Matlab上进行模型的搭建与仿真84.1 在Matlab上进行模型的搭建84.2 控制器的参数整定84.2.1临界比例度整定方法84.2.2*整定方法84.3 整定后的阶跃响应曲线85、结论91、设计任务分析1.1背景伴随我国社会经济，城市的迅猛发展，其建设规模不断扩大，工业生产过程的不断改进，人口数量的增

5、多以及人民物质水平的提高，人们对城市供水的质量和稳定性的要求也越来越高，再加上我国淡水资源严重不足的状况，利用先进的控制技术，自动化控制技术设计出节能、性能好、适应性强的恒压供水系统成了必然趋势。按照国家建设部管网供水压力服务规范要求，城市供水服务压为0.14兆帕斯卡，这个压力只能保证供水到34楼，而四楼以上的供水属于二次供水的范畴，一般城市目前管网平均压力远远高于国家标准，但从安全角度考虑，公共供水管道水压不能满足用户使用要求时，必须增加二次供水设施。水管压力控制属于典型非线性、时变不确定性、易受干扰的系统，若想真正实现我们的监测与控制，这就需充分利用智能PID控制方法来提高水管压力的稳定性

6、。1.2设计内容及目的本次的课程设计的主题就是：水管压力控制系统设计与仿真（1）设计内容：1、以THJ-3级过程控制实验对象系统的水管压力作为为研究对象，设计出合理的控制方案。利用MATLAB的曲线拟合的方法分别得出系统系统中的水管压力的传递函数。2、利用MATLAB的Simulink搭建水管压力PID控制系统，用单回路控制方案。3、整定控制器的PID参数，并给出整定后的阶跃响应曲线并进行分析，得出结论。（2）设计目的：使水管压力控制在一定范围，防止高峰期用水，是水管爆裂。2、控制系统总体方案设计2.1 水管压力控制系统对象简介“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是由实验控制对象、

7、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。它是本企业根据工业自动化及其他相关专业教学特点，并吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次试验和反复论证而退出的一套全新的综合性实验装置。本实验装置结合了当今工业现场过程控制的实际，是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。本装置还可根据用户的需要设计构成AI智能仪表，DDC远程数据采集，DCS分布式控制，PLC可编程控制，FCS现场总线控制等

8、多种控制系统，它既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为教师、研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供一个物理模拟对象和实验平台。 实验对象总貌图本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。水管压力控制原理图2.2 控制系统的方案选择方案选择包括被控参数选择、控制参数选择、测量变送器的选择，执行器的选择、控制器的选择、控制规律的选择等2.1.3被控参数及控制参数的选择被控参

9、数为水管压力值；控制参数为管道中水的流量。2.1.3测量变送器的选择测量变送器为水管压力传感器来检测水管的压力。2.1.3执行器的选择当管道中没有水流过时，要保持管道的通畅，所以选择气关式2.1.3控制器的选择包含控制器及其控制规律，以及正反作用方式的选择控制器选择PID调节器，P为比例调节，I为积分调节，D为微分调节。控制规律为： Gc（s）=Kc+KI/s+Kd由于气关式，所以Kv为负，又因为水流量增大，水管压力增大，所以Ko为正，又因为Km为正，所以Kc为负，所以调节器为正作用调节器。3、被控对象数学模型的建立3.1 被控对象数学模型的建立的方法简介试验辨识法又称系统辨识与参数估计法。该

10、方法主要思路是：先给被控过程人为的施加一个输入作用，然后记录过程的输出变化量，得到一系列实验数据和曲线，最后再根据输入-输出实验数据确定其结构模型与模型的参数。这种运用过程的输入-输出实验数据确定其结构与参数的方法主要特点是：将被研究过程视为“黑箱”而完全由外部的输入-输出特性构建数学模型。3.2 水管压力对象数学模型建立4、在Matlab上进行模型的搭建与仿真4.1 在Matlab上进行模型的搭建4.2 控制器的参数整定4.2.1临界比例度整定方法（1）先将调节器的积分和微分部分去掉，比例度置为较大的值，使系统投入闭环运行。（2）系统稳定运行后，对设定值施加一个阶跃变化，减小比例度，直到出现

11、等幅振荡，记录此时的临界比例度和等幅振荡周期。当P=8.21时，出现等幅振荡，如图所示：由图可知，Ti=21.56（3）由经验公式计算出PID调节器的各个参数。调节器参数调节器名称 Ti（s）Td（s）PID1.6k0.5Ts0.125Ts由计算可得：Ti=Kp/0.5Ts=0.76 Td=Kp*0.125Ts=22.124.3 整定后的阶跃响应曲线5、结论这次课设是基于MATLAB中simulink的实验与仿真，试验中通过对PID调节器参数的整定实现对水管压力的控制，在实验在过程中，运用了临界比例度法，得到了需要的等幅振荡曲线和阶跃响应曲线，在求得等幅振荡曲线过程中，调试了多个数值，最终得到

12、了等幅振荡所需的Kp，从而由公式计算出所需的参数，从而求出了最终的阶跃响应曲线。6、 设计体会（可选）在这次过程控制的课设中，对MATLAB中simulink的使用有了一定的认识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获龋最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今

13、后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可! 课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。参考文献1薛定宇，陈阳泉著.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用M.清华大学出版社，20022郭阳宽，王正林著.过程控制工程及仿真.电子工业出版社，20093潘永湘，杨延西，赵跃著.过程控制与