1、本课程设计是自动化专业学生的必修课，时间为1周。课程设计的性质、目的和任务过程控制系统课程设计是自动化专业必修实践性教学环节。过程控制系统课程是一门实践性很强的专业课，在完成了课堂教学和基础实验等内容后进行本课程设计，是过程控制系统课程的一个重要教学环节，是对过程控制系统课程的综合训练。本课程设计旨在使学生在了解生产过程的静态和动态特性基础上，根据流程工艺要求，综合应用自动控制理论、现代控制技术，分析、设计、整定过程控制系统，通过课程设计，要求学生不仅能达到了解过程控制系统，而且具有初步解决、分析和设计过程控制系统的能力，为今后从事实际的工业过程控制系统设计和维护打下一定的基础。课程设计的要求
2、和原始数据过程控制系统课程设计主要包括某一个过程的控制系统设计和文献综述两个部分。设计内容设计要求1针对某一个过程控制系统，设计合理的控制方案。设计的主要内容包括：（1） 查阅资料，对被控对象动态特性进行分析，了解生产工艺，确定控制系统的被调量和调节量；（2） 确定自动化水平，包括确定自动控制范围、控制质量指标、报警设限及手自动切换水平；（3） 根据对被控对象进行的分析，确定系统自动控制结构，完成控制系统原理图； （4） 提出仪表选型原则，包括测量、变送、调节及执行仪表的选型；（5） 根据确定控制设备和测量取样点和调节机构，简要设计控制系统工艺流程图，编制图例位号；（6） 对所设计的控制方案进
3、行仿真实验，并进行调节器参数整定；（7） 编写设计系统说明：被控对象的生产工艺描述，提出控制系统的基本任务和要求；选择控制系统控制结构，画控制原理图；进行仪表选型；选择测点和调节机构画控制系统工艺流程图；根据控制原理图，进行控制系统仿真实验，控制器参数工程整定；设计小结。（8） 控制系统可以选择如下系统之一或自选其他工业过程控制系统：a） 两个或两个以上级联水箱液位控制系统；b） 锅炉汽包液位三冲量控制系统；c） 锅炉给水控制系统；d） 锅炉过热蒸汽温度控制系统；e） 锅炉炉膛压力控制系统；f） 高炉的温度控制系统；g） 冶金工业炉燃料燃烧比值控制系统；h） 冶金工业沸腾焙烧炉串级控制系统；i
4、） 制药工业生产过程流体输送工艺控制；j） 制药配液罐温度控制；k） 生物制氢控制系统；l） 加压精馏塔压力控制系统；m） 减压精馏塔压力控制系统；n） 精馏塔物料流量控制系统；o） 污水处理自动化系统。2了解过程控制系统中的先进方案、技术等方面的发展情况。查阅资料，了解关于工业过程生产（包括化工、冶金、制造、制药、石油等行业）中新技术、新设备、新方法等发展情况。其中关键词可以选择如下之一或其他方面：（字数3000字以上）自适应控制、预测控制、变结构控制、协调控制、网络控制、神经网络控制、模糊控制、前馈控制、调节阀、自动控制技术发展史、OPC技术、组态软件、工业4.0、智能制造、变频控制、工业
5、机器人、柔性控制、生物传感器、光电传感器、CCD、激光检测技术、工业大数据、联锁保护等。主要参考资料1 课程的教材及课件.2 孙洪程, 翁唯勤编过程控制工程设计化工出版社, 20013 俞金寿, 向衍庆, 邱宣振编化工自控工程设计华东化工学院出社4 秦起佑编工业自动化仪表手册机械工业出版社, 19955 李駪, 姜秀英. 自动化控制工程设计. 电子工业出版社, 1999.学生提交归档文件课程设计的报告要求课程设计报告要求完成以上两个内容。报告应包括封皮、设计任务和要求、设计说明、设计总结、设计的收获、体会等。课程设计报告使用A4纸双面打印（除封皮以为）。注：1.课程设计完成后，学生提交的归档文
6、件应按照：封面任务书说明书图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订） 2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。第一章 模糊控制器的应用及展望摘 要本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行的分析和设计。控制系统采用串级控制以提高系统的控制性能，在系统中采用了主控-串级控制的切换装置，使系统可以适用于不同的工作环境。通过使用该系统，可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。锅炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作
7、为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，形成一点观其文的过热蒸汽，在汇集到蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备控制，供给负荷设备用，于此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风送往烟囱，排入大气。关键字：过热蒸汽控制,串级控制系统,自动控制,主控-串级切换引言 模糊控制综合了专
8、家的操作经验，具有不依赖被控对象的精确数学模型、设计简单、便于应用、抗干扰能力强、响应速度快、易于控制和掌握、对系统参数的变化有较强的鲁棒性等特点，在经典控制理论和现代控制理论难以应用的场合发挥了很大的作用。近年来，模糊集理论及应用研究不断深入，取得了一系列成功的应用和理论成果，在自动控制、信号处理、模式识别、通信等领域得到了广泛的应用。目前，模糊控制已成为智能控制的一个主要分支。为了更深入地开展模糊控制技术的研究和应用，本文对模糊控制近期研究的一些热点问题进行简要的归纳介绍。正文 在自动控制中，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型（
9、如微分方程等）的基础上，但是在实际工业生产中，很多系统的影响因素很多，十分复杂。建立精确的数学模型特别困难，甚至是不可能的。这种情况下，模糊控制的诞生就显得意义重大，模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制。模糊控制实际上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。现代控制系统中的的控制能方便地解决工业领域常见的非线性、时变、在滞后、强耦合、变结构、结束条件苛刻等复杂问题。可编程控制器以其高可靠性、编程方便、耐恶劣环境、功能强大等特性很好地解决了工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题，这两者的结合，可在实际工程
10、中广泛应用。该文研究了通用模糊控制器在PLC上实现的几种算法实现模糊控制。1.1模糊控制具有的突出特点：（1）模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。（2）基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊
11、连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。（3）模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。（4）模糊控制的主要缺陷：（1）精度不太高；（2）自适应能力有限；（3）易产生振荡现象。2.2模糊控制方法的研究现状2.2.1 Fuzzy-PID复合控制Fuzzy-PID复合控制指的是模糊技术与常规的PID控制算法相结合的一种控制方法。2.2.2参数自整定模糊控制 参数自整定模糊控制根据控制系统的性能
12、来在线地整定比例因子K1、K2和K3，使它们保持合适的数值，从而使系统的性能达到令人满意的水平。这种控制方法较之常规的固定比例因子的模糊控制方法，对环境变化有较强的自适应能力，在随机环境中能对控制器进行自动校正，使得在被控对象特性变化或扰动情况下，控制系统保持较好的性能。2.3模糊控制的进展 目前，模糊控制技术日趋成熟和完善。各种模糊产品充满西方国家的市场，如模糊洗衣机、模糊吸尘器和模糊摄像机等等，模糊技术几乎变得无所不能，各国都争先开发模糊新技术和新产品。多年来一直未解决的稳定性分析问题正在逐步解决。模糊芯片也已研制成功且功能不断加强，成本不断下降。直接采用模糊芯片开发产品己成为趋势。模糊开
13、发软件包也充满市场。模糊控制技术除了在硬件、软件上继续发展外，将在自适应模糊控制、混合模糊控制以及神经模糊控制上取得较大发展。随着其它学科新理论、新技术的建立和发展，模糊理论的应用更加广泛。2.3.1 模糊控制与神经网络的融合 近年来，模糊控制和神经网络不仅在各自的学科里取得了引入注目的进展，而且在这两个学科的边缘开辟了众多研究新领域。两者的相互渗透和有机结合必将引起电子产业和信息科学的新革命。2.3.2模糊控制与遗传算法的融合 由于模糊逻辑控制所要确定的参数很多，专家的经验只能起一个指导作用，很难根据它准确地定出各项参数，因而实际上还要反复试凑，寻找一个最优过程。通过改进遗传算法，按所给优化
14、性能指标，对被控对象进行寻优学习从而有效地确定模糊逻辑控制器的结构和参数。2.4模糊控制在实际中的应用 中央空调系统的设计是以室内空气参数为基本依据，通过对整个空调系统新风、回风的温度、湿度、送风风机运行状态、初效过滤段的压差等现场信号的采集，根据所设计的控制策略控制送风风机的变频调速、加湿器的加湿、冷、热水阀门的开度大小来达到设定的空气状态，且根据室内、外空气的状态（温度、湿度）确定系统的运行工况，在保证生产工艺的要求的前提下，使空调系统运行合理、安全、可靠、能耗低等，使控制效果达到最优。一般系统中的被控参数可设定为两个：室内温度和湿度。常规恒温恒湿中央空调系统是一个多输入、多输出的控制系统
15、。因为回风温、湿度与室内温、湿度的变化情况有一致性，所以常把系统回风温、湿度作为被控参数，控制回路采用多个回路的PID控制。但由于空调系统传递滞后较大，且是一个干扰大、高度非线性、随机干扰因素多的系统，参数整定困难，一组整定好的参数只能在较小的范围内有较好的控制效果，当参数变化超过一定范围时，系统控制效果变差，致使普通PID控制难以满足要求。我们文章针对以上情况，结合航天科工集团某研究所光学加工楼新风系统自动控制项目，我们运用模糊控制技术，采用一种基于模糊控制规则的控制方法设计出恒温恒湿中央空调控制系统，具有超调小、调节迅速和上升时间短的特点，且具有很好的鲁棒性。（1） 制冷空调系统模型制冷空
16、调的实际控制对象大多可用高阶的微分方程来描述。为了分析简便，我们常用低阶模型来近似描述控制对象的动态特性，只要能满足一定的控制精度。在自动控制系统中一阶惯性环节定义的微分方程是一阶的，且输出响应需要一定的时间才能达到稳态值。因此中央空调系统中表冷器、电动水阀都可以近似的用一阶惯性环节来表示，而房间作为系统的控制对象，根据能量守恒定律，可建立控制对象房间的微分方程，它是一个二阶系统，但在工业控制中我们往往用纯迟延的一阶模型来代替，仿真结果表明，用带纯迟延的一阶模型来近似描述控制对象完全可以满足实际应用的要求。温度检测和变送环节也有一定的时间滞后，但和控制对象房间的时间常数相比，可以忽略不计，因此
17、温度检测和变送环节可以近似用一阶比例环节来代替。 （2） 模糊温度控制器的设计模糊控制（fuzzy control）是一种对系统控制的宏观方法，加入了控制规则，规则通常采用“IF-THEN”方式来表达实际控制中的专家知识和规则，其最大的特征是将专家的控制经验、知识表达成语言控制规则，用规则去控制目标系统，特别适用于那些数学模型未知的、复杂的、非线性系统进行控制。设计模糊控制器的第一步是确定语言变量、语言值和隶属度函数。本文涉及的模糊控制器有两个输入信号和一个输出信号，分别为：1） 输入语言变量之一，记为e，是温度设定值和回风温度的偏差，e=s-y。2） 输入语言变量之二，记为de/dt是偏差的
18、变化率。3） 输出语言变量，记为u,是电动水阀的控制电压，单位为V,对应电动水阀的开度。输入语言变量e的取值：负大，负中，负小，零，正小，正中， 正大，表示符号 NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB。语言值隶属度函数选择三角形，如图2（a）所示。 图2 a输入语言变量de/dt的取值：负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，表示符号NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB。语言值隶属度函数选择三角如图2（b）所示。 图2 b输出变量u的取值：关闭，微开，小开，半开，小半开，大半开，全开，表示符号CB，CM，CS，M，OS，OM，OB。语言值隶属度函数选择梯形，如图2（c）所示。 图2 c每
19、个语言变量所取的语言值，所对应的语言值隶属函数都是交叉重叠的。初始设定时，可采用均匀等分的方式布置，然后再根据系统仿真或实际的控制结果进行合理的调整。设计模糊控制器的第二步是引入模糊推断、逻辑实现和控制决策推断。而推断逻辑是由一组IF-THEN的控制规则组成的。这一组控制规则的形成来源于实际经验的总结。从经验出发，用语言形式表达表达推理控制决策过程如下：IF温度设定值和回风温度偏差过大AND偏差有变大的趋势THEN电动水阀全开;IF温度设定值和回风温度偏差过小AND偏差有变小的趋势THEN电动水阀全闭;类似于上述的一系列控制规则集中在控制规则表中。在应用模糊控制器实际进行实时控制时，一定的偏差
20、e和偏差变化率de/dt,对应的就有某一些IF-THEN控制规则生效，而这些生效的控制规则产生一个综合推断结论，并通过解模糊过程转换为一个确定的输出值，从而给定电动水阀的控制电压，对应于电动水阀的开度。我们应用了模糊逻辑的min-max合成运算获得综合推断控制决策，并通过mom法，进行解模糊，产生确定的控制调节作用。（3） 系统仿真MATLAB中的模糊逻辑工具箱提供了大量的对输入、输出变量进行模糊化（隶属度函数）的函数（总共提供了11种隶属度函数），可以很方便的完成对变量的模糊化。在模糊控制箱中只需给定输入、输出变量的隶属度函数即可完成对变量的模糊化。3.1 输入、输出变量的模糊化图3所示的模
21、糊控制系统为双输入单输出系统，输入为偏差e和偏差的变化率,输出为u，我们可根据前边给定的输入、输出变量的隶属度函数，在模糊逻辑控制箱添加隶属度函数就可以完成模糊变量的模糊化过程。3.2 模糊控制规则MATLAB中的模糊逻辑工具箱提供了规则库，将模糊控制规则添加到规则库即可。模糊控制规则是设计一个模糊控制器的关键，该规则给定的好坏将直接影响到所设计的模糊控制器的性能好坏。3.3 反模糊化MATLAB中的模糊逻辑工具箱提供反模糊化方法（总共提供5种反模糊化方法，即centriod, bisector, mom, lom, som），我们选用其中的mom法，即可对所设计的模糊控制系统进行仿真。3.4
22、 仿真结果通过上述工作，完成对模糊控制器的设计，在模糊控制系统仿真框图中加入模糊控制器，通过调用相应的模糊推理矩阵，即可对所设计的模糊控制系统进行仿真。在仿真过程中可根据系统仿真或实际的控制结果调整输入、输出的隶属度函数，一直调整到理想的控制效果为止。上述模糊控制系统的阶跃响应曲线如图3所示。为了分析比较，对上述系统的控制效果与传统的PID控制效果放在一个坐标系里。从系统仿真曲线看，PID控制器的系统响应曲线有超调，过渡时间比较长，而模糊控制器的系统响应曲线比较平稳，没有超调。图3（4） 结论使用以上设计的模糊控制器，通过计算机实现实时控制。根据偏差和偏差变化值的大小，再利用模糊控制规则确定电
23、动水阀的输出，从而取得了良好的控制效果，能实时地对温度进行监控，具有以下特点：1）和普通PID控制器控制效果相比，采用模糊控制器后系统响应超调小，响应曲线平稳。2）系统具有良好的响应速度、稳定性和精确性，且具有较强的鲁棒性。3）由模糊控制规则确定的三个参数是动态变化的，更符合空调系统的控制特点。所以说模糊控制器可以克服普通PID控制器的局限性，在中央空调自动控制中具有广泛的应用价值。2.5模糊控制展望 模糊系统理论还有一些重要的理论课题还没有解决。其中两个重要的问题是：如何获得模糊规则及隶属函数，这在目前完全凭经验来进行；以及如何保证模糊系统的稳定性。大体说来，在模糊控制理论和应用方面应加强研
24、究的主要方向为： 适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系；控制器的鲁棒性分析，系统的可控性分析和可观性判定方法等。第二章冶金工业炉燃烧比值控制系统的设计工业炉是在工业生产中，利用燃料燃烧或电能转化的热量，将物料或工件加热的热工设备。广义地说，锅炉也是一种工业炉，但习惯上人们不把它包括在工业炉范围内。通过长时间的生产实践，人们已经认识到，只有利用热风作为介质和载体才能更大地提高热利用率和热工作效果。传统电热源和蒸汽热动力在输送过程中往往配置多台循环风机，使之最终还是间接形成热风进行烘干或供暖操作。这种过程显然存在大量浪费能源及造成附属设备过多、工艺过程复杂等诸多缺点。在配料
25、过程中对生产产品的各种原料的比值进行控制显得尤为重要，常用比值控制来解决此类问题。比值控制的目的就是为了实现使几种物料混合符合一定比例关系，使生产能安全正常进行。本次课程设计系统采用了比值控制中的串级比值控制，通过微机控制工业炉拱顶温度和煤气流量，使系统能够很好的保持拱顶温度和高炉送风温度，并通过废气中的含氧量调节燃空比的大小达到设计要求的7。本次课程设计利用了比值控制系统中串级比值控制原理，通过串级控制原理控制温度从而达到需要的温度，通过比值控制燃料与助燃空气的物料比例。在系统中本次设计还介绍了主系统结构，确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数，选择调节器的调节原理等内容。工业炉；
26、比值控制；串级ABSTRACTInternal combustion stove is a kind of traditional blast heater, which is carried out based on some technical reformation in the traditional internal combustion stove. Through long time practice, it has been recognized, only using air as medium and carrier can greatly improve the heat
27、 utilization rate and thermal effect. The traditional electric heat source and steam heat power in the process of conveying are often multiple circulating fan, The final or indirectly formed hot air drying or heating operation. This process is obviously with many disadvantages including a lot of was
28、te of energy and ancillary equipment ,more complicated process. In the process of production of product ingredients of various raw materials ratio control is particularly important, common ratio control to solve this kind of problem. Ratio control in order to make several material mixed with certain
29、 proportion, so that production can be safe and normal. The curriculum design system uses ratio control in cascade ratio control，through the computer control of hot blast stove dome temperature and gas flow, enables the system to maintain a good arch temperature and blast furnace air temperature. An
30、d through the exhaust gas oxygen in the regulation of air fuel ratio of the size to meet the design requirements of the 7%.This course is designed to use the cascade ratio control principle in ratio control system. Through the cascade control of the principle of temperature,and through the ratio control principle to fuel and combustion air material ratio. The curriculum design also introduced the main structure of the system, also determined the system required for the detection elemen
