过程控制系统课程设计题目和要求自动化.doc

本次课程设计采用MATLAB仿真完成。设计题目分为二个部分。
答疑时间：15周周四（12月13日）下午2：00-4：30；地点：工学二号馆501；
有问题可以发邮件或者打电话。
课程设计报告：按照设计题目的要求完成报告；
答辩时间：自动化0901：16周周五上午8：30-12：00，地点：工学二号馆513；
自动化0902：16周周五下午1：30-5：00，地点：工学二号馆513；
答辩要求：（1）长学号（如40）末位数相同的若干位同学一起答辩；
（2）要求演示仿真程序；
（3）答辩时交课程设计报告。

第一部分：
要求：按照长学号（如40）的末位数选做下列题目。
采用MATLAB仿真；所有仿真，都需要做出以下结果：
（1） 超调量
（2） 峰值时间
（3） 过渡过程时间
（4） 余差
（5） 第一个波峰值
（6） 第二个波峰值
（7） 衰减比
（8） 衰减率
（9） 振荡频率
（10） 全部P、I、D的参数
（11） PID的模型
（12） 设计思路

0、 精馏塔塔内温度的阶跃响应曲线数据如下表所示，控制量阶跃变化。试根据实验数据设计一个超调量的无差控制系统。
时间/min
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
被控量
200.1
201.1
204.0
227.0
251.0
280.0
302.5
时间/min
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4

被控量
318.0
329.5
336.0
339.0
340.5
341.0

具体要求如下：
（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；
（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；
（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
（4） 对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。

1、锅炉汽包液位的阶跃响应曲线数据如下表所示，控制量阶跃变化。试根据实验数据设计一个超调量的无差控制系统。
时间/min
0
5
10
15
20
25
被控量
0.650
0.651
0.652
0.668
0.735
0.817
时间/min
30
35
40
45
50
55
被控量
0.881
0.979
1.075
1.151
1.213
1.239
时间/min
60
65
70
75
80
85
被控量
1.262
1.311
1.329
1.338
1.350
1.351
具体要求如下：
（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；
（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；
（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
（4） 对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。

2、加热炉出口温度控制系统，测取温度对象的过程为：当系统稳定时，在温度调节阀上做3%变化，输出温度记录如下：
t/min
0
2
4
6
8
10
12

270.0
270.0
267.0
264.7
262.7
261.0
259.5
t/min
14
16
18
20
22
24
26

258.4
257.8
257.0
256.5
256.0
255.7
255.4
t/min
28
30
32
34
36
38
40

255.2
255.1
255.0
255.0
255.0
255.0
255.0
试根据实验数据设计一个超调量的无差控制系统。具体要求如下：
（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；
（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；
（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
（4） 对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。

3、锅炉进水流量的矩形脉冲响应实验结果为：
t/ min
0
10
20
40
60
80
100
120
140
160
180
y
0
0
0.2
0.6
1.2
1.6
1.8
2.0
1.9
1.7
1.6
t/ min
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
y
1
0.8
0.7
0.7
0.6
0.6
0.4
0.2
0.2
0.15
0.15
其中，矩形脉冲幅值为阶跃响应稳态值的10%，脉冲宽度。
试根据实验数据设计一个超调量的无差控制系统。具体要求如下：
（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；
（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；
（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
（4） 对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。
4、某液位对象，在阶跃扰动量时，其阶跃响应的实验数据如下：
t/s
0
10
20
40
60
80
100
140
h/m
0
0
0.2
0.8
2.0
3.6
5.4
8.8
t/s
180
250
300
400
500
600
700
800
h/m
11.8
14.4
16.5
18.4
19.2
19.6
19.8
20
试根据实验数据设计一个超调量的无差控制系统。具体要求如下：
（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；
（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；
（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
（4） 对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。

5、某液位系统，在阶跃扰动量时，其阶跃响应的实验数据如下：
t/s
0
10
20
40
60
80
100
140
180
250
300
350
h/m
0
0
0.5
2
5
9
13.5
22
29.5
36
39
39.5
试根据实验数据设计一个超调量的无差控制系统。具体要求如下：
（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；
（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；
（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
（4） 对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。

6、精馏塔塔内压力的单位阶跃响应曲线实验数据如下：
t/s
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
y
0
0.02
0.045
0.065
0.090
0.135
0.175
0.233
0.285
0.330
t/s
150
165
180
195
210
225
240
255
270
285
y
0.379
0.43
0.485
0.540
0.595
0.650
0.710
0.780
0.830
0.855
t/s
300
315
330
345
360
375

y
0.951
0.980
0.998
0.999
1.000
1.000

试根据实验数据设计一个超调量的无差控制系统。具体要求如下：
（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；
（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；
（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
（4） 对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。

7、某液位系统，在控制阀开度增加10%后，液位的响应数据如下：
t/s
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
y
0
0.8
2.8
4.5
5.4
5.9
6.1
6.2
6.3
6.3
6.3
试根据实验数据设计一个超调量的无差控制系统。具体要求如下：
（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；
（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；
（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
（4） 对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。

8、加热器出口温度在阶跃扰动DC作用下，其输出响应数据如下：
t/s
0
1
2
3
4
5
6
7
8
y
4.0
4.0
4.2
4.5
4.8
5.1
5.4
5.7
5.8
t/s
9
10
11

y
5.85
5.9
6.0

6.0

试根据实验数据设计一个超调量的无差控制系统。具体要求如下：
（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；
（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；
（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
（4） 对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。

9、某温度过程在阶跃扰动作用下，其温度变化的数据如下：
t/s
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
150
200

0
0.16
0.65
11.5
1.6
1.8
1.9
1.95
1.98
1.99
2.0
2.0
2.0
试根据实验数据设计一个超调量的无差控制系统。具体要求如下：
（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；
（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；
（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
（4） 对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。

第二部分：
要求：按照长学号（如40）的末位数选做下列题目。
采用MATLAB仿真；所有仿真，都需要做出以下结果：
（1） 超调量
（2） 峰值时间
（3） 过渡过程时间
（4） 余差
（5） 第一个波峰值
（6） 第二个波峰值
（7） 衰减比
（8） 衰减率
（9） 振荡频率
（10） 全部P、I、D的参数
（11） PID的模型
（12） 设计思路

0、某隧道窑炉系统，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度作为主变量，主、副对象的传递函数分别为：
，
试分别采用单回路控制和串级控制设计温度控制系统，具体要求如下：
（1） 分别进行控制方案设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系统原理图；
（2） 进行仿真实验，分别给出系统的跟踪性能和抗干扰性能（包括一次扰动和二次扰动）；
（3） 说明不同控制方案对系统的影响。

1、升降膜式蒸发器的控制通道特性为，扰动通道特性为。试设计前馈-反馈控制系统，具体要求如下：
（1） 仿真分析不同形式前馈控制器对系统性能的影响；
（2） 仿真分析不同结构形式的前馈-反馈控制系统对系统性能的影响；
（3） 选择一种较为理想的控制方案进行设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系统原理图；
（4） 进行仿真实验，给出系统的跟踪性能和抗干扰性能；

2、某加热炉的数学模型为，试设计大时延控制系统，具体要求如下：
（1） 仿真分析以下控制方案对系统性能的影响：PID、微分先行、中间微分、Smith预估、增益自适应预估；给出相应的闭环控制系统原理图；
（2） 在不同控制方式下进行仿真实验，比较系统的跟踪性能和抗干扰性能；
（3） 选择一种较为理想的控制方案进行设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定。

3、干燥器的实际数学模型为，辨识出的数学模型为，试设计大时延控制系统，具体要求如下：
（1） 仿真分析以下控制方案对系统性能的影响：PID、微分先行、中间微分、Smith预估、增益自适应预估；给出相应的闭环控制系统原理图；
（2） 在不同控制方式下进行仿真实验，比较系统的跟踪性能和抗干扰性能；
（3） 选择一种较为理想的控制方案进行设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定。

4、化学反应釜串级控制系统，主、副对象的传递函数分别为：
，
主、副测量变送环节的传递函数分别为：
，
主、副扰动通道的传递函数分别为：
，
试分别采用串级控制设计温度控制系统，具体要求如下：
（1） 进行控制方案设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系统原理图；
（2） 进行仿真实验，分别给出系统的跟踪性能和抗干扰性能（包括一次扰动和二次扰动）；

5、管式加热炉系统，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度作为主变量，主、副对象的传递函数分别为：
，
试分别采用单回路控制和串级控制设计温度控制系统，具体要求如下：
（1） 分别进行控制方案设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系统原理图；
（2） 进行仿真实验，分别给出系统的跟踪性能和抗干扰性能（包括一次扰动和二次扰动）；
（3） 说明不同控制方案对系统的影响。

6、液氨蒸发器主、副对象的传递函数分别为：
，
主、副扰动通道的传递函数分别为：
，
试分别采用单回路控制和串级控制设计温度控制系统，具体要求如下：
（1） 分别进行控制方案设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系统原理图；
（2） 进行仿真实验，分别给出系统的跟踪性能和抗干扰性能（包括一次扰动和二次扰动）；
（3） 说明不同控制方案对系统的影响。

7、冷凝器的控制通道特性为，扰动通道特性为。试设计前馈-反馈控制系统，具体要求如下：
（1） 仿真分析不同形式前馈控制器对系统性能的影响；
（2） 仿真分析不同结构形式的前馈-反馈控制系统对系统性能的影响；
（3） 选择一种较为理想的控制方案进行设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系统原理图；
（4） 进行仿真实验，给出系统的跟踪性能和抗干扰性能；

8、工业锅炉主、副对象的传递函数分别为：
，
主、副扰动通道的传递函数分别为：
，
试分别采用单回路控制和串级控制设计温度控制系统，具体要求如下：
（1） 分别进行控制方案设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系统原理图；
（2） 进行仿真实验，分别给出系统的跟踪性能和抗干扰性能（包括一次扰动和二次扰动）；
（3） 说明不同控制方案对系统的影响。

9、蒸发器的控制通道特性为，扰动通道特性为。试设计前馈-反馈控制系统，具体要求如下：
（1） 仿真分析不同形式前馈控制器对系统性能的影响；
（2） 仿真分析不同结构形式的前馈-反馈控制系统对系统性能的影响；
（3） 选择一种较为理想的控制方案进行设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系统原理图；
（4） 进行仿真实验，给出系统的跟踪性能和抗干扰性能；