过程控制系统课程设计题目

过程控制系统课程设计题目

要求：

（一）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 （二）每人一个题目，自己完成课程设计报告，报告的格式如图论文格式

一． 液氨的水温控制系统设计

液氨蒸发器主、副对象的传递函数分别为：

G01(s)11， G02(s)e0.1s

(20s1)(30s1)0.2s1主、副扰动通道的传递函数分别为：

Gf1(s)1， Gf2(s)1 0.2s1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：

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

（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。

二．炉温控制系统设计

设计任务：某加热炉的数学模型为G(s)7e150s，试设计大时延控制系统，具体要求

320s1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； 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。

三．锅炉夹套与被加热介质的温度控制

1.设计任务（可2人选此题）

了解、熟悉锅炉夹套与内胆温度控制系统的工艺流程和生产过程的静态、动态特性，根据生产过程对控制系统所提出的安全性、经济性和稳定性要求，结合所学知识实现温度

的控制。 2.设计要求

（1） 从组成、工作原理上对工业型传感器、执行机构有一定的了解和认识。 （2） 分析控制系统各环节动态特性，建立被控对象的数学模型，选定被控规律、正定调

节器参数。

（3） 在Matlab上进行仿真，调节控制器参数，获得最佳控制效果。

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

四．水箱液位控制系统设计

1.设计任务（可2人选此题）

设计供水水箱的液位控制系统，系统使用PID调节器，设计控制系统的控制方式，确定控制器参数，实现当系统在上下水流量发生变化时能快速恢复到设定值的功能。

2.设计要求

(1)设计水箱液位控制的系统方案。 (2)设计控制系统的控制方式和PID参数。

(3)实现系统的建模和仿真。

(4)分析不同控制规律和不同参数下系统的特点。

五、升降膜式蒸发器的前馈-反馈控制系统

升降膜式蒸发器的控制通道特性为W0(s)Wf(s)1.67*8.22e8s，扰动通道特性为

(4.05s1)(s1)2e10s。试设计前馈-反馈控制系统，具体要求如下： 10s1（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；

六．隧道窑路温度控制系统设计

1．设计任务：

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：

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

83s10 e，G02(s)(s2)(2s1)6s1G01(s)试分别采用单回路控制和串级控制设计温度控制系统。

2.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。

七．化学反应釜控制系统设计

化学反应釜串级控制系统，主、副对象的传递函数分别为：

G01(s)72s52se， G02(s)e 8s13s1主、副测量变送环节的传递函数分别为：

Gm1(s)11， Gm2(s) 2s1s1主、副扰动通道的传递函数分别为：

Gf1(s)2.51.5， Gf2(s) 4s15s1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）；

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

八．冷凝水温控制的前馈－反馈控制设计

1.设计任务：冷凝器的控制通道特性为W0(s)Wf(s)0.946se，扰动通道特性为55s11.058se。试设计前馈-反馈控制系统，具体要求如下： 41s1（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；

九．啤酒发酵过程的控制

1.设计任务（可2人选此题）

设计一啤酒发酵控制系统，主要实现对发酵温度的控制，同时监测麦芽汁浓度变化

2.设计要求

（1）了解熟悉啤酒工业生产过程，查找啤酒发酵过程典型的温度控制曲线，建立数学模

型。

（2）控制罐温在特定阶段时标准的工业生产曲线相符合。 （3）控制罐内气体的有效排放，使罐内压力符合不同阶段的需要。

十．流量的滞后控制

1.设计任务（2个人可选）

了解、熟悉盘管流量的滞后控制系统的工艺流程和生产过程的静态、动态特性，根据生产过程对控制系统所提出的安全性、经济性和稳定性要求，结合所学知识实现温度的控

制。 1. 设计要求

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

（4） 从组成、工作原理上对工业型传感器、执行机构有一定的了解和认识。 （5） 分析控制系统各环节动态特性，建立被控对象的数学模型，选定被控规律、正定调

节器参数。

（6） 在Matlab上进行仿真，调节控制器参数，获得最佳控制效果。

十一.流量比值控制系统 1. 设计任务

已知在生产中有个氧化工序，将氨气氧化为一氧化氮。氨气和氧气最大进行量分别为12000方/小时和5000方/小时，调节阀前后压差分别为10Mpa和5Mpa，监控并分析其流量比值控制系统中的实时数据。为提高氧化率，则要求达到的氨气氧气比例为2:1.

2. 设计要求

（1） 建立起已确定比值控制系统方案的控制流程图和系统框图。

（2） 根据已知、各种资料和计算获得主动控制量控制系统和从动控制量控制系统的广义

传递函数，选择非延时系统，建立仿真模型。

（3） 采用理论分析法，结合仿真实验对K参数进行整定，绘出仿真结果曲线。

十二.前馈反馈控制系统的设计与整定

1. 设计任务

对三容水箱液位、压力控制系统进行设计。参数要求：液位控制精度位±5％，压力控

制精度为±3％。 2.设计要求

（1）测试对象获得数学模型，进行仿真。

（2）设计前馈反馈控制系统，选择所有系统部件，并说明选择依据。

（3）画出控制系统硬件结构图和系统框图。 （4）对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。

十三. 锅炉汽包液位控制系统设计

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

1.设计任务：

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u＝5。试根据实验数据

设计一个超调量

25%的无差控制系统。

2.设计要求：

（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。

十四. 干燥系统

干燥器的实际数学模型为Gp(s)21.520se30s，辨识出的数学模型为Gp(s)e，试30s130s1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。

十五

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

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 0 270.0 14 258.4 28 255.2 2 270.0 16 257.8 30 255.1 4 267.0 18 257.0 32 255.0 6 2.7 20 256.5 34 255.0 8 262.7 22 256.0 36 255.0 10 261.0 24 255.7 38 255.0 12 259.5 26 255.4 40 255.0 /oC t/min /oC t/min /oC 试根据实验数据设计一个超调量p25%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。

十六

锅炉进水流量的矩形脉冲响应实验结果为：

t/ min Y t/ min Y 0 0 200 1 10 0 220 0.8 20 0.2 240 0.7 40 0.6 260 0.7 60 1.2 280 0.6 80 1.6 300 0.6 100 1.8 320 0.4 120 2.0 340 0.2 140 1.9 360 0.2 160 1.7 380 0.15 180 1.6 400 0.15 其中，矩形脉冲幅值为阶跃响应稳态值的10%，脉冲宽度t20min。 试根据实验数据设计一个超调量p25%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；

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

（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。

十七（可2人选此题）

某液位对象，在阶跃扰动量u20%时，其阶跃响应的实验数据如下：

t/s h/m t/s h/m 0 0 180 10 0 250 20 0.2 300 40 0.8 400 60 2.0 500 80 3.6 600 100 5.4 700 140 8.8 800 20 11.8 14.4 16.5 18.4 19.2 19.6 19.8 试根据实验数据设计一个超调量p25%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。

十八

某液位系统，在阶跃扰动量u20%时，其阶跃响应的实验数据如下：

t/s h/m 0 0 10 0 20 0.5 40 2 60 5 80 9 100 13.5 140 22 180 29.5 250 36 300 39 350 39.5 试根据实验数据设计一个超调量p25%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）；

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

（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。

十九

精馏塔塔内压力的单位阶跃响应曲线实验数据如下：

t/s Y t/s Y t/s Y 0 0 150 0.379 300 15 0.02 165 0.43 315 30 45 60 75 90 105 120 135 0.045 0.065 0.090 0.135 0.175 0.233 0.285 0.330 180 195 210 225 240 255 270 285 0.485 0.0 0.595 0.650 0.710 0.780 0.830 0.855 330 345 360 375 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p25%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。

二十

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 Y 0 0 10 0.8 20 2.8 30 4.5 40 5.4 50 5.9 60 6.1 70 6.2 80 6.3 90 6.3 100 6.3 试根据实验数据设计一个超调量p25%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；

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

（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。

二十一

加热器出口温度在阶跃扰动I1.5mADC作用下，其输出响应数据如下： t/s y t/s y 0 4.0 9 5.85 1 4.0 10 5.9 2 4.2 11 6.0 3 4.5 4 4.8  5 5.1 6 5.4 7 5.7 8 5.8 6.0 试根据实验数据设计一个超调量p25%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。

二十二

某温度过程在阶跃扰动q1t/h作用下，其温度变化的数据如下：

t/s /oC 0 0 10 20 30 40 50 1.8 60 70 80 90 100 150 200 2.0 2.0 0.16 0.65 11.5 1.6 1.9 1.95 1.98 1.99 2.0 试根据实验数据设计一个超调量p25%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；

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

（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。

二十三

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： G01(s)72s1 e，G02(s)(10s1)(20s1)8s1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。

二十四

7e150s，试设计大时延控制系统，具体要求如下：

320s1某加热炉的数学模型为G(s)（3） 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；

（4） 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； （5） 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

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

定。

二十五

工业锅炉主、副对象的传递函数分别为：

G01(s)11， G02(s)

(3s1)(30s1)(s1)2(10s1)主、副扰动通道的传递函数分别为：

Gf1(s)5， Gf2(s)1 s2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）；

说明不同控制方案对系统的影响。

二十六

0.946s1.058se，扰动通道特性为Wf(s)e。试设计前55s141s1蒸发器的控制通道特性为W0(s)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；

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

二十七（可2人选此题）

煤气炉的供气阀门开度变化u20%、持续t1min后结束，若炉温度控制系统的正常工作点为450℃，记录炉内温度变化数据如下表，试根据实验数据设计一个超调量

p30%的无差温度控制系统。

具体设计要求如下:

t(min) 0 0 11 1 2 3 15 14 4 21 15 5 6 7 12 18 8 9 10 ℃ t(min) 2.55 7.50 12 13 18..40 14.50 16 17 0.80 9.60 7.40 5.80 19 20 21 (℃) 4.50 3.70 3.00 2.30 1.70 1.20

0.50 0.40 0.20 0.10 （1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；

（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（给出带控制点的控制流程图，控制系

统原理图等，选择控制规律）；

（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表（DDZ-Ⅲ），绘制原理接线图；

（4） 对设计系统进行仿真设计，首先按对象特性法求出整定参数，然后按4:1衰减曲

线法整定运行参数。

二十八（可2人选此题）

1. 对一个燃油加热炉做如下实验，在温度控制稳定时，开环状态下将执行器的输入信号增加Ir3.2mA，持续t2min后结束，若炉温度控制系统的正常工作点为200℃，记录炉内温度变化数据如下表，试根据实验数据设计一个超调量p25%的无差温度控制系统。 t(min) 0 0 22 2 0 24 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ℃ t(min) 1.25 3.75 7.50 10.50 9.20 7.25 6.00 4.80 3.70 16 28 30 32 34 36 38 40 42 ℃ 2.90 2.25 1.85 1.50 1.15 0.85 0.60 0.40 0.30 0.20 0.10 学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

具体设计要求如下:

（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；

（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（给出带控制点的控制流程

图，控制系统原理图等，选择控制规律）；

（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表（DDZ-Ⅲ），绘制原理接线图； 对设计系统进行仿真设计，首先按对象特性法求出整定参数，然后按4:1衰减

曲线法整定运行参数。

二十九（可2人选此题）

在加热炉控制系统中，在被加热介质温度控制稳定到180℃时，在开环状态下将执行器的输入燃料流量增加大约20%，即燃料流量增加Q2T/h，持续

t5min后结束，记录出口介质温度变化数据如下表，试根据实验数据设计

一个超调量p25%的无差温度控制系统。

t(min) ℃ 0 1 3 1.7 30 4 3.7 40 5 9.0 50 5.1 8 19.0 60 2.8 10 15 16.5 0 0.46 20 25 26.4 36.0 37.5 70 1.1 80 0.5 90 0.2 t(min) (℃) 33.5 27.2 21.0 10.4 具体设计要求如下:

（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；

（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（给出带控制点的控制流程

图、控制系统原理图等，选择控制规律）；

（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表（DDZ-Ⅲ），绘制原理接线图； （4） 对设计系统进行仿真设计，首先按对象特性法求出整定参数，然后按

4:1衰减曲线法整定运行参数。

三十（可2人选此题）

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

在加热炉控制系统中，在被加热介质温度控制稳定到240℃时，在开环状态下将执行器的输入燃料流量增加大约30%，即燃料流量增加Q3T/h，持续

t5min后结束，记录出口介质温度变化数据如下表，试根据实验数据设计

一个超调量p25%的无差温度控制系统。

t(min) ℃ 0 1 3 1.7 30 4 3.7 40 5 9.0 50 5.1 8 19.0 60 2.8 10 15 16.5 0 0.46 20 25 26.4 36.0 37.5 70 1.1 80 0.5 90 0.2 t(min) (℃) 33.5 27.2 21.0 10.4 具体设计要求如下:

（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；

（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（给出带控制点的控制流程

图，控制系统原理图等，选择控制规律）；

（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表（DDZ-Ⅲ），绘制原理接线图； （4） 对设计系统进行仿真设计，首先按对象特性法求出整定参数，然后按

4:1衰减曲线法整定运行参数。

注释：1、对于二班人少，只能一人一题目

2、自动化卓工班有四十人，因此，最后五个题目必须有俩人题目相同

3、所有人均要完成matlab仿真，以及设计报告及其答辩，答辩时自己可以用电子文

档来进行讲解

4、如果不能按时完成，实验课成绩的50%是零，则综合成绩不及格

5、另外，该成绩会占理论课总评成绩，请各位同学引起重视

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

6、至于，如何分配题目，请听从各班分配题目的同学指挥，分配好后请将分配情况作成

表格发给我。

学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹