过程控制课程设计
目录
第一章 单容自衡水箱液位特性测试
第一节 设计目的 第二节 设计原理 第三节 实验步骤
第四节 Simulink下的系统仿真 第五节 设计要求 第六节 设计总结
第二章 单回路控制系统设计
第一节 设计目的 第二节 设计原理 第三节 设计内容步骤 第四节 设计报告要求
第五节 Simulink下的系统仿真 第六节 思考题 第七节 设计总结
第三章 串级控制系统实验
第一节 设计目的 第二节 设计原理 第三节 设计内容步骤
第四节 Simulink下的系统仿真 第五节 设计要求 第六节 思考题 第七节 设计总结 第四章 总结
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第一章 单容自衡水箱液位特性测试
第一节 设计目的
理解控制系统设计的基本原理，掌握控制系统设计方法。
第二节 设计原理
被控对象的动态特性是指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律。由于控制系统的设计方案是依据被控对象的动态特性进行的，特别是调节器参数的整定也是依据对象的动态特性进行的。分析被控对象的动态特性，可知被控对象控制的难易程度与调节过程的快慢。
1、水箱建模
如右图，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被
控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1 之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有
Q1?Q2?Cdh （1） dt出口流量与液位的关系有
Q2?k2、稳态模型
H （2）
在稳态时，Q1=Q2；当Q1发生变化时，液位h随之变化，阀V2处的静压也随之变化，Q2也必然发生变化。因此，单容液位水箱的稳态模型为
Q1?kH
即 H?Q12
K23、动态模型
流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。简化起见，经线性化
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处理，则可近似认为?Q1与?h成正比，与阀V2的阻力R2成反比，即
?Q2??h?h 或 R2? （3） R2?Q2式中，R2为阀V2的阻力，称为液阻。
将式（3）代入式（2）可得
d?hR2C??h?R2?Q1 （4）
dt在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得动态模型：
G0(s)?R2H(s)K （5） ??Q1(s)R2Cs?1Ts?1式中，T=R2C为水箱的时间常数，K=R2为过程的放大倍数。
假令输入流量Q1(s)=R0/s，R0为常量，则输出液位的高度为：
H(s)?KR0KR0KR0?? (6)
s(Ts?1)ss?1/T1?tT即 h(t)?KR0(1?e) （7）
当t??时，h(?)?KR0 因而有 K? 当t=T时，则有
h(T)?KR0(1?e?1)?0.632KR0?0.632h(?) （9）
式（7）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数。由式（9）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。
h(?)输出稳态值? （8） R0阶跃输入第三节 实验步骤
本实验选择下水箱作为被测对象（也可选择上水箱或中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭。
1、连接实验设备的线路。
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2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验一的监控界面。
4．在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置为一个合适的值，此操作需通过调节仪表实现。
5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。
6．待下水箱液位平衡后，通过电磁阀突增（或突减）智能仪表输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值。
第四节 Simulink下的系统仿真
根据系统的要求，搭建Simulink模型；
使用临界比例度法进行整定参数；
1、断开积分环节，根据对象特性选取一个较大的比例度P，并在工况稳定的情况下，将控制系统投入自动状态；
2、等系统平稳运行后，加入阶跃扰动，减小比例度P，直至出现等幅振荡（即临界振荡）为止，记录下此时比例度和系统等幅震荡的周期； 仿真图如下：
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第五节 设计要求
1、根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。 通过实验测得比例K=0.9，T=370s。 传递函数 G（s）=0.9/(370s+1).
第六节 设计总结
根据实际测量得到的数据，从而写出传递函数可以看出，单容水箱符合一阶惯性环节的特但是你这是在忽略其自身的迟滞环节的基础上的，在Simulink仿真时可以通过加上一个迟滞环节，使得系统的输出更加符合实际。
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