过程控制系统综合设计报告
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
三、实验原理分析
3.1系统建模综述
3.1.1系统建模的概念
工业过程的数学模型分为动态数学模型和静态数学模型。动态数学模型是输出变量与输入变量之间随着时间而变化的动态关系的数学描述。从控制的角度看，输入变量就是操纵变量和扰动变量，输出变量就是被控变量。静态数学模型是输入变量与输出变量之间不随时间变化情况下的数学关系。工业过程的静态数学模型用于工艺设计和最优化等，同时也是考虑控制方案的基础。
工业过程的动态数学模型则用于各类自动控制系统的设计和分析，用于工艺设计和操作条件的分析和确定。在工业过程控制中，建立被控对象的数学模型的目的主要有：
(a)进行工业过程优化操作；
(b)控制系统方案的设计和仿真研究；
(c)控制系统的调试和控制器参数的整定；
(d)作为模型预测控制等先进控制方法的数学模型；
(e)工业过程的故障检测与诊断。
对工业过程数学模型的要求随其用途不同而不同，总的说是简单且准确可靠。但这并不意味着越准确越好，应根据实际应用情况突出适当的要求。如在线运用的数学模型还有实时性的要求，它与准确性要求往往是矛盾的。
要想建立一个好的数学模型，需掌握三类主要的信息源：
(a)要确定明确的输入量与输出量
(b)要有先验知识
(c)试验数据
3.1.2系统建模的常用方法
一个控制系统设计得是否成功与被控对象数学模型建立的准确与否很有关系。建立被控对象的数学模型一般可采用多种方法，大致可以分为机理法和测试法两类：
(a)机理法建模
用机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平
衡方程如：物质平衡方程，能量平衡方程，动量平衡方程以及反映流体流动、传质、化学反应等基本规律的运动方程，特性参数方程和某些设备的特性方程等，从中获得所需的数学模型。
随着计算机的发展，用机理法建模的研究有了迅速的发展，可以说，只要机理清楚，就可以利用计算机建立几乎任何复杂的系统。但考虑到模型的适用性和实时性的要求，合理的近似假定是必不可少的。模型应尽量简单，同时保证达到合理的精度。用机理法建模时，有时也会出现模型中某些参数难以确定的情况或用机理法建模太麻烦，这时可以用测试的方法来建模。
(b)测试法建模
测试法一般只适用于建立输入输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。它的主要特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。然而，这并不意味着可以对内部机理毫无所知。
用测试法建模一般比用机理法建模要简单和省力，尤其是对于那些复杂的工业过程更为明显。如果机理法和测试法两者都能达到同样的目的，一般采用测试法建模。常用的实验方法是，人为的在被控对象上加一个阶跃信号后，测定被控对象的响应曲线，然后根据响应曲线求出被控对象的传递函数。常见的一种阶跃响应曲线为图7的S 形单调曲线。数据处理的方法很多，以下为较常用的两种。
图1 S 形一阶响应曲线
（1）作图法 设阶跃输入幅值为u ?，则K 可按下式求取
()(0)
y y K u
∞-=
? (1)
T 、τ可用作图确定，即在拐点P 处作切线，它与时间轴交于A 点，与曲线
的稳态值渐进线交于B 点。
这种作图法拟合程度较差，首先，它是用一条向右平移的抛物线来拟合S 形曲线。这在OA 区间的拟合误差最大。其次在作图中，切线的画法也有较大的随意性，而这关系T 、τ的取值。但作图法十分简单，而且实践证明它可以成功地应用于PID 调节器的参数整定，故应用也较广泛。
（2）两点法 用作图法求取参数不够准确，这里用两点法，即利用阶跃响应曲线y(t)上的两点数据去计算T 和τ。而K 的值仍由式（2-1）来计算。取两点21,t t ，其中τ>>12t t ，计算
*()
()()
y t y t y =
∞ (2) 1*1()1e x p ()t y t T τ
-=-- （3）
2*2()1e x p ()t y t T
τ
-=-- （4）
由式（2）和式（3）可解得
21
**
12ln[1()]ln[1()]
t t T y t y t -=
--- （5）
**2112**
12ln[1()]ln[1()]
ln[1()]ln[1()]t y t t y t y t y t τ---=--- (6) 通常为克服两点法中所取两点就是所测曲线中两点由测试带来的误差，可将测试点先平滑拟合画出响应曲线，再从平滑拟合后作图的响应曲线上取出所需两点，这样就可以减小测量误差。 3.2比值控制系统的组成原理
比值控制系统大体按其比值系数是否固定，可以分成定比值控制系统和变比值控制系统。
A 、定比值控制系统
定比值控制系统可以分成：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统三类。
开环比值控制系统以生产中的主要物料或不可控物料为主流量，通过改变可控物料流量的办法实现它们的比值关系。其方框图如下所示：
Q2
图 2 典型的开环比值控制系统框图
Q无反馈校正，因此其对自身流量无抗干扰能力。因由于该系统的副流量
2
此，只有当副流量较平稳且流量比值要求不高的场合才可使用。
单闭环比值控制系统为了克服开环比值控制系统的弱点，在副流量对象引入了一个闭合回路，其典型的框图如下所示：
Q2
图 3 典型的单闭环比值控制系统框图
这类比值控制系统的优点是两种物料流量的比值较为精确，实施也比较方便，Q的变化无法控制。
但是其对主流量
1
双闭环比值控制系统既能实现两流量的比值恒定，又能使进入系统的总负荷平稳，其对主流量也进行了反馈控制，它的典型组成框图如下所示：
Q1
Q2
图 4 典型的双闭环比值控制系统框图
这类比值控制系统的优点是在主流量受干扰作用开始到重新稳定在设定值这段时间内发挥作用，比较安全，但系统成本提高。
上述三类比值控制系统的一个共同特点是它们都以保持两物料流量比值一定为目的，比值计算器的参数经计算设置好后不再变动。
B、变比值控制系统
定比值控制的各种方案只考虑如何实现流量间的比值关系，而实际生产中，随着工况的变化，为保证产品质量需调节流量的比例关系，因此产生了变比值控制系统。
变比值控制系统是按某一工艺指标自动修正流量比值，其框图如下所示：
图 5 典型的变比值控制系统框图
这样系统可以根据工艺指标g自动调节流量比值。
3.3串级控制系统的组成及原理
两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称为“串级”控制器。两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串级控制系统。本实验系统的双容水箱串级控制系统如下图所示：
图6 本实验系统的双容水箱串级控制系统框图
串级控制器术语说明：
主变量：y1称主变量。使它保持平稳使控制的主要目的。
副变量：y2称副变量。它是被控制过程中引出的中间变量。
副对象：上水箱。
主对象：下水箱。
主控制器：PID控制器1，它接受的是主变量的偏差e1，其输出是去改变副控制器的设定值。
副控制器：PID控制器2，它接受的是副变量的偏差e2，其输出去控制阀门。
副回路：处于串级控制系统内部的，由PID控制器2和上水箱组成的回路。
主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入，以副变量y2为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。
串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。串级控制系统的主要优点有：
1、副回路的干扰抑制作用
发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正。
2、主回路响应速度的改善
副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的相应速度。
3、鲁棒性的增强
串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性。 4、副回路控制的作用
副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制。 由此可见，串级控制是改善调节过程极为有效的方法，因此得到了广泛的应用。
3.4前馈反馈控制原理
前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按信号产生合适的作用去改变操纵变量，使受控变量维持在设定值上。典型的前馈控制系统如下图所示：
图 7 典型的前馈控制系统框图
前馈控制是根据被控变量不变性原理设计的，有动态不变性、静态不变性和绝对不变性等原理。它要对被控过程有充分了解，以得到前馈控制器的数学模型，对线性系统理论上实现扰动量对被控变量“完全补偿”或“绝对不变”的算式，一般可表达为：
()()()
s G s G p f FC -
=s G
（7）
式中： ()s G FC ——前馈控制器的传递函数
()s f G ——干扰通道的传递函数
()s p G ——对象通道的传递函数
从理论上看，前馈调节能依据干扰值的大小，在被调参数偏离给定值之前进行控制，使被调量始终保持在给定值上。而实际上要按（3-1）式实现完全补偿，在很多情况下只有理论意义，实际上做不到；同时，在工业对象中，存在许多扰
动因素，我们只能选择一两个主要的扰动进行补偿，而其余的扰动仍会使被调量发生偏差。
前馈－反馈控制系统将前馈与反馈结合起来，选择对象中主要的一些干扰作为前馈信号，对其它引起被调参数变化的各种干扰则采用反馈调节系统来克服，从而充分利用了这两种调节作用的优点，使调节质量进一步提高。
图 8 本实验系统的前馈－反馈控制系统框图
如上图所示，以双容水箱为被控对象的前馈－反馈控制系统可以近似看成线性系统，因此（3－1）式同样适用于前馈－反馈控制系统。下面根据这个“完全补偿”算式，给出前馈控制器的一般设计步骤：
1、获得双容水箱的数学模型
即计算()s p G。通过飞升曲线法获得双容水箱的动特性曲线，并分析获得其数学模型，具体可参见实验二
2、获得干扰通道的数学模型
即计算()s f G。通过飞升曲线法获得干扰通道的动特性曲线，并分析获得其数学模型。
3、计算前馈控制器的数学模型
根据（3-1）式有
()
() ()s G
s G
p
f
FC
-= s
G
(8)至此，我们完成前馈控制器的设计。
DDC控制
图9 前馈反馈控制接线图
3.5解耦控制原理
在某些情况下，关联可能变得非常严重，以致即使采用最好的回路配对也不会有满意的控制效果，此时就必须借助解耦控制。解耦的本质在于设置一个计算网络，用它去抵消本来就存在于过程中的关联，以便进行独立的单回路控制。典型的解耦控制系统如下图所示：
y2
y1
图10 典型的解耦控制系统框图
图中F 为解耦算式，这是解耦控制系统的核心，通过寻求较佳的解耦算式达到抵消对象间关联作用的效果。
四、实验步骤设计
4.1流量比值控制实验
1.实验前准备工作 A.设备的连接和检查
B.电气连接
C.启动实验装置
2.进入实验
运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面；
选择实验模式为“实验装置”；
单击实验菜单，进入流量比值控制实验界面，如下图所示：
图11 比值控制管路图
由上图可见，管路2流量控制器所在的控制回路为主回路，管路1流量控制器所在的控制回路为副回路。
3.投运及整定前的准备工作
将管路2和管路1控制器设置成手动，其设置方式与液位PID控制器相同。
4.整定流量主回路控制器的参数
即整定管路2的控制器参数:
A.设置控制器的PID参数
根据管路2流量的动特性，按单回路PID控制的方法整定参数，并将参数输入控制器中。
B.控制器投入运行
将控制器设置成自动，其设置方式与液位PID控制器相同。
5.设置比值参数
A.选定主回路和副回路的期望流量比值。
B.计算比值系数R。
按实验原理论述的方法进行计算。
C.输入比值控制器参数
单击实验界面中“比值控制器”标签，弹出比值控制器窗体，如下图所示：
图12
单击“参数设置”按钮，弹出比值控制器参数设置界面：
图13
通过键盘，将计算的比值系数R输入控制器界面，一般无需修改其它参数。
6.整定副回路控制器参数
即整定管路1的控制器参数：
根据管路1流量的动特性，按单回路PID控制的方法整定参数，并将参数输
入控制器中。
7.组成比值控制系统
将副回路控制器——管路1控制器设置成“远端模式”，这样比值控制器的输出值作为副回路控制器的设定值。
8.查看控制效果
通过“实时趋势”和“历史趋势”窗体查看趋势曲线，根据趋势曲线，对控制效果进行评估，当达到或接近期望效果时，跳到第9步。
9.根据控制效果，调整PID控制器参数
当控制效果不佳时，重新将副回路控制器设置成手动，跳转到第5步，继续实验。
4.2双容水箱液位串级PID控制实验
1.实验前准备工作
A.设备的连接和检查
B.电气连接
C.启动实验装置
2.进入实验
运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面；
选择实验模式为“实验装置”；
单击实验菜单，进入双容水箱液位串级控制实验界面，如下图所示：
图14 串级控制管路图
3.选择控制回路
A.选择对象
在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路，如下图所示：
从两个回路中任选一个。
B.组成控制回路
当选择“串级回路1”作为控制回路时，须打开进水阀K31，关闭其它进水阀；
当选择“串级回路2”作为控制回路时，须打开进水阀K41，关闭其它进水阀。
这样便构成了一个控制回路。
在串级控制系统中，上水箱为串级系统的副回路——对应的PID控制器为串级的后级，下水箱为串级系统的主回路——对应的PID控制器为串级的前级。
4.选择控制器工作点
A.将副回路的PID控制器设成手动
单击实验界面中的副回路PID控制器标签打开副回路PID控制器界面，然后单击副回路PID控制器的“手动”按钮。
B.设定工作点
单击副回路PID控制器界面中MV柱体旁的增/减键，设置MV（U1）的值。
5.调节串级的后级
A.设置PID参数
根据对象特性，设置参数并将参数输入到控制器中。
B.将控制器设成自动状态
保持模式为本地模式,单击副回路PID控制器界面中副回路PID控制“自动”按钮。
6.调节串级的前级
前提：等液位稳定后。
A.将控制器设成手动状态
单击主回路PID控制器界面的“手动”按钮。
B.设置控制的输出值
单击MV柱体旁的增/减键，设置MV（Z1）的值，使其与副回路PID控制器的设定值相等。
C.设置控制器PID参数
根据对象特性并将参数输入到控制器中。
D.将控制器设成自动状态
单击主回路PID控制器的“自动”按钮。
7.串接两个PID控制器
将串级后级的PID控制器设置成“远端模式”。此时，串级前级的输出值便作为串级后级的设定值。
8.串级PID控制器的控制效果
通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体可以查看趋势曲线，根据趋势曲线，从超调量、过渡时间和衰减比等方面对控制效果进行评估,当达到或接近期望效果时，跳到第9步。
9.根据控制效果，调整PID控制器参数
当控制效果不佳时，重新将控制器设置成手动，根据调节规律跳转到第5步，继续实验。
4.3前馈反馈控制实验
1.实验前准备工作
A.设备的连接和检查
B.电气连接
C.启动实验装置
2.进入实验
运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面；
选择实验模式为“实验装置”；
单击实验菜单，进入前馈反馈控制实验界面，如下图所示：
图15 前馈反馈控制管路图
3.选择控制回路
A.选择对象
在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路，如下图所示：
图16
从两个回路中任选一个。
B.组成控制回路
当选择“前馈控制回路1”时，打开阀门K31，同时为引入干扰，打开阀门K32;
当选择“前馈控制回路2”时，打开阀门K41，同时为引入干扰，打开阀门K42。
4.初始化控制系统
A.将PID控制器设置成手动
先单击实验界面相应控制回路的PID控制器标签，弹出PID控制器界面，然后单击PID控制器界面的“手动”按钮。
B.使前馈控制器的输出无效
单击实验界面相应控制回路的PID 控制器标签弹出PID 控制器界面后，单击PID 控制器界面的“参数设置”按钮，弹出PID 控制器参数设置界面，如下图所示：
图17
单击界面中的“前馈引入标志”检查框，打勾表示选中，空白表示未选中，这里不选中。
C.设置管路2的输出为零
单击实验界面上的“设置U2”按钮，在弹出的设置界面中，通过键盘将U2阀度设为零。
5.设置PID 控制器参数
根据对象特性，设置PID 控制器参数,并通过键盘输入到控制器参数设置界面中。
6.设置前馈控制器参数 A.计算前馈控制器的数学模型
按实验原理部分描述的方法进行计算,期望表达式为:
()TaoS
FC T -++= 11s T K s G 21FC
(9)
模型参数为：FC K 、1T 、2T 和ao T 。 B.输入控制器的模型参数
单击实验界面中相应控制回路的前馈控制器标签，弹出前馈控制器界面，如
下图所示：
图18
通过键盘，输入模型参数
7.PID控制器投入运行
将PID控制器设置成自动，单击PID控制器的“自动”按钮。
8.根据控制效果，调整PID控制器参数。
9.引入和撤除干扰
此时前馈控制器不起作用。
在此实验中，用管路2的流量作干扰流量，因此用流量Q2作干扰流量。单击实验界面的“设置U2”按钮，在弹出的输出设置窗体中，通过键盘设置一个输出量，等待控制器控制液位平稳。当被控对象液位平稳时，再将U2设置成零，重新等待液位平稳。
10.查看反馈控制的效果
通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体，测绘趋势曲线，并进行评估。
11.引入前馈控制作用
单击PID控制器界面的“参数设置”按钮，在弹出的参数设置界面中，单击选中“前馈引入标志”检查框。
12.引入和撤除干扰
重复第9步的操作。
13.查看前馈－反馈控制的效果
通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体，测绘趋势曲线，并进行评估。4.4四水箱解耦控制实验
1.实验前准备工作 A.设备的连接和检查 B.电气连接 C.启动实验装置
2.进入实验
运行四水箱实验系统DDC 实验软件，进入首页界面； 选择实验模式为“实验装置”；
单击实验菜单，进入双容水箱Smith 预估控制实验界面，如下图所示：
图19 解耦控制管路图 3.构造耦合系统
A.将两个PID 控制器设置成手动
单击实验界面上的PID 控制器标签，在弹出的PID 控制器界面中，单击“手动”按钮。
B.构造耦合系统
本实验系统有两路相同的管路，分别由总阀门“1U ”和“2U ”控制。 被控制对象：左边双容水箱（水箱1和水箱3）和右边双容水箱（水箱2和水箱4）；
输出变量：分别为：1H 和2H ；
风力摆控制系统设计报告
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........................
过程控制系统课程设计报告报告实验报告
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。
自动控制系统课程设计报告说明书
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
过程控制工程课程设计
过程控制工程 课程设计任务书 设计名称：扬子烯烃厂丁二烯装置控制模拟设计设计时间：2006.2.20~2006.3.10 姓名：毛磊 班级：自动化0201 学号：05号 南京工业大学自动化学院 2006年3月
1.课程设计内容： 学习《过程控制工程》课程和下厂毕业实习2周后，在对扬子烯烃厂丁二烯装置的实际过程控制策略、实习环节的控制系统以及相应的组态软件有一定的认识和了解的基础上，针对扬子烯烃厂丁二烯装置，设计一个复杂控制系统（至少包含一个复杂回路和3-5个简单回路），并利用组态软件进行动态仿真设计，调节系统控制参数，使控制系统达到要求的控制效果。 1)独立完成设计任务，每个人根据下厂具体实习装置，确定自己的课程设 计题目，每1-3人/组； 2)选用一种组态软件（例如：采用力控组态软件）绘制系统工艺流程图； 3)绘制控制系统原有的控制回路； 4)利用下厂收集的实际数据和工艺要求，选择被控对象模型，利用组态软 件，对控制系统进行组态； 5)改进原有的控制回路，增加1-2个复杂回路，并进行组态； 6)调节控制参数，使性能指标达到要求； 7)写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计 思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出 说明，并对所完成的设计做出评价，对自己整个设计工作中经验教训， 总结收获。 2. 进度安排（时间3周） 1)第1周选用一种组态软件绘制系统工艺流程图；绘制控制系统原有的 控制回路； 2)第2周利用下厂收集的实际数据和工艺要求，选择被控对象模型，利 用组态软件，对控制系统进行组态； 3)第3周(1-3) 改进原有的控制回路，增加1-2个复杂回路，并进行组态； 调节控制参数，使性能指标达到要求； 4)第3周(4) 书写课程设计说明书 5)第3周(5) 演示、答辩
自动温控系统项目设计报告
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
自动控制原理课程设计报告
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
温度自动控制系统的设计毕业设计论文
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
反应釜温度过程控制课程设计
过程控制系统课程课题：反应釜温度控制系统 系另I」：电气与控制工程学院 专业：自动化_____________ 姓名： ________ 彭俊峰_____________ 学号：__________________ 指导教师： _______ 李晓辉_____________ 河南城建学院 2016年6月15日
反应器是任何化学品生产过程中的关键设备，决定了化工产品的品质、品种和生产能力。釜式反应器是一种最为常见的反应器，广泛的应用于化工生产的各个领域。釜式反应器有一些非常重要的过程参数，如：进料流量（进料流量比）、液体反应物液位、反应压力、反应温度等等。对于这些参数的控制至关重要，其不但决定着产品的质量和生产的效率，也很大程度上决定了生产过程的安全性。 由于非线性和温度滞后因素很多，使得常规方法对釜式反应器的控制效果不是很理想。本文以带搅拌釜式反应器的温度作为工业生产被控对象，结合PID 控制方式，选用FX2N-PLC 调节模块，同时为了提高系统安全性，设计了报警和紧急停车系统，最终设计了一套反应釜氏的温度过程控制系统。
1系统工艺过程及被控对象特性选取 被控对象的工艺过程 本设计以工业常见的带搅拌釜式反应器（CSTR）为过程系统被控对象。 反应器为标准3盆头釜，反应釜直径1000mm,釜底到上端盖法兰高度1376mm, 反应器总容积，耐压。为安全起见，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过。反应器压力报警上限组态值为。反应器的工艺流程如图1-1所示。 S8Q A a珑厲娜口 图1-1釜式反应器工艺流程图 该装置主要参数如表1-1所示。各个阀门的设备参数如表1-2所示，其中，D g为阀门公称直径、K v为国际标准流通能力。 表1-1主要测控参数表
过程控制系统论文关于过程控制的论文
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
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
自动控制课程设计报告终结版
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
过程控制课程设计报告
北华航天工业学院 课程设计报告（论文） 设计课题：前馈反馈控制系统的 设计与整定 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 设计时间：2013年12月06日
北华航天工业学院电子工程系 过程控制课程设计任务书 指导教师：教研室主任： 2013年12月06日 注：本表下发学生一份，指导教师一份，栏目不够时请另附页。 课程设计任务书装订于设计计算说明书（或论文）封面之后，目录页之前。
内容摘要 液位控制是工业中常见的过程控制，例如在饮料食品加工、化工生产、锅炉汽泡液位等多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制，它对生产的影响不容忽视。对于液位控制系统的方法，目前有常规的PID控制，但是PID 控制采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果。而且，对于一些控制精度要求较高的场合，例如核电厂的蒸汽生成器中的液位控制，某些化工原料厂的化学溶液液位等问题，不允许在有扰动的情况下出现太大的超调量和过程的调节时间。 目前为了达到精度较高要求的先进控制策略的发展有：预测控制、自适应控制、智能控制、模糊控制等。具体采用的方法如将模糊控制和传统的PID控制两者结合，用模糊控制理论来整定PID控制器的比例，积分，微分系统；以负荷为前馈扰动量构成一个串级加前馈的三冲量闭环控制系统等。目前各种锅炉汽包水位控制绝大多数采用三冲量水位控制策略。 本文针对液位控制系统中较为基础的单容水箱作为控制对象，单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。而对于控制系统的选择为前馈——反馈系统。一般的控制系统都属于反馈控制, 这种控制作用总是落后于扰动作用。对于时滞较大、扰动幅度大而频繁的过程控制往往不能满足生产要求。引入前馈控制可以获得显著的控制效果。前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制, 所以控制是及时的。如果补偿作用完善可以使被控变量不产生偏差。 索引关键词：前馈—反馈控制PID 自动控制液位控制
过程控制系统方案设计
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
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
自动控制原理课程设计-倒立摆系统控制器设计
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
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 ()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）
智能家居控制系统课程设计报告
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
风力摆控制系统设计报告
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
自动控制原理课程设计报告
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。
过程控制系统课程设计
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。