过程控制系统综合设计报告
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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()1exp()t y t T
τ-=--
（3） 2*2()1exp()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：
