流量-温度复合控制系统的设计

巡山小妖精
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2020年07月30日 13:11
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哭墙-60大寿祝寿词



课程设计任务书

学生姓名: 专业班级:
指导教师: 工作单位:
题目: 流量-温度复合控制系统的设计

初始条件
冶金等生产行业依 靠高温烟气作为热源的余热锅炉使用普遍,这种小型锅炉的主
要作用是对烟气进行降温,同时产生蒸汽供 其他生产工序使用。这个对象的特点是:
由于烟气流量和温度由前一个工序决定,导致锅炉热源不稳定。 针对小型余热锅炉的
特点,设计一个前馈-反馈控制系统,使出口蒸汽温度维持在360±2℃。


要求完成的主要任务:


1、了解小型余热锅炉生产工艺
2、绘制温度前馈-反馈控制系统方案图
3、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数
4、撰写系统调节原理及调节过程说明书


时间安排
月 日 选题、理解课题任务、要求
月 日 方案设计
月 日——11月8日参数计算撰写说明书
月 日 答辩



指导教师签名: 年 月 日

系主任(或责任教师)签名:年月日









摘要
本设计要求设计一个流量— 温度复合控制系统。因为前馈—反馈复合控制有利于对主
要干扰进行前馈补偿和对其他干扰进行反馈调节 ,既可实现高精度控制,又可保证系统稳
定运行,所以本设计采用前馈—反馈复合控制,对温度进行反馈 控制,对流量进行前馈控
制。流量和温度调节器均选用DDZ-III型,采用一体化孔板流量计作为流 量变送器,温度
传感器选择热电偶Pt100,温度变送器选择SBWZ-2460,执行器采用气关式 调节阀。最后使
用MATLAB仿真软件进行仿真验证。由于采用前馈—反馈复合控制,同时由仿真结果 表
明,本设计很好的满足流量—温度复合控制系统要求。
关键词:流量—温度、前馈—反馈、MATLAB







目录
1 小型余热锅炉介绍....... .................................................. .1
2流量—温度复合控制系统方案设计........................... .................3
3元器件选型..................... ...........................................5
3.1温度检测装置......................................... ................5
3.2流量检测装置.................. .......................................7
3.3 调 节阀................................................ ...............8
3.4调节器....................... ........................................9
3.4.1 调节器选择................................... ..................9
3.4.2 控制规律选择.............. ....................................10
4 参数整定. .................................................. ..............11
5MATLAB仿真.................... ...........................................12
6总结............................................... ......................13
参考文献................. .................................................. 14
本科生课程设计成绩评定表............................... ....................15


武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计说明书
1小型余热锅炉介绍
余热锅炉英文名HRSG,即HeatRecoverySteamG enerator的简称,直译成中文为热回收
蒸汽发生器。余热锅炉是指利用各种工业过程中的废气、 废料或废液中的余热及其可燃物
质燃烧后产生的热量把水加热到一定工质的锅炉。
余热锅炉由 锅筒、活动烟罩、炉口段烟道、斜1段烟道、斜2段烟道、末1段烟道、末2
段烟道、加料管(下料溜) 槽、氧枪口、氮封装置及氮封塞、人孔、微差压取压装置、烟
道的支座和吊架等组成。其原理图如图1所 示。
图1 余热炉原理图
余热锅炉共分为六个循环回路,每个循环回路由下降管和上升管组 成,各段烟道给水
从锅筒通过下降管引入到各个烟道的下集箱后进入各受热面,水通过受热面后产生蒸汽 进
入进口集箱,再由上升管引入锅筒。各个烟道之间均用法兰连接。
燃烧设备出来的高温烟气 经烟道输送至余热锅炉入口,再流经过热器、蒸发器和省煤
器,最后经烟囱排入大气,排烟温度一般为 150~180℃,烟气温度从高温降到排烟温度
所释放出的热量用来使水变成蒸汽。锅炉给水首先进入 省煤器,水在省煤器内吸收热量升
温到略低于汽包压力下的饱和温度进入锅筒。进入锅筒的水与锅筒内的 饱和水混合后,沿
锅筒下方的下降管进入蒸发器吸收热量开始产汽,通常是只用一部分水变成汽,所以在 蒸
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发器内流动的是汽水混合物。汽水混合物离开蒸发器进入上部锅筒通过汽水分离设备分离,
水落 到锅筒内水空间进入下降管继续吸热产汽,而蒸汽从锅筒上部进入过热器,吸收热量
使饱和蒸汽变成过热 蒸汽。根据产汽过程的三个阶段对应三个受热面,即省煤器、蒸发器
和过热器,如果不需要过热蒸汽,只 需要饱和蒸汽,可以不装过热器。当有再热蒸汽时,
则可加设再热器。
近年来,随着各种能源 价格的大幅度上涨,人们对锅炉的选择开始着重考虑它的运行
成本,现实中,企业生产离不了蒸汽锅炉, 宾馆、酒店、小区、洗浴中心的采暖或洗浴离
不了热水锅炉,锅炉的燃料费用是非常大的一笔支出。为了 尽量避免出现“买得起锅炉,
用不起锅炉”的这一客观现象,精明的锅炉制造商对锅炉进行了一系列节能 改造,改造主
要内容就是锅炉的余热回收问题,现在用着这种余热锅炉的客户对其设备非常认可。 事实上,节能是一个国家能够可持续发展的关键因素之一,如果我们还坚持传统的能
源利用方式,不 能使资源有效的循环利用,就会使社会的整个资源环境加剧恶化,并且造
成能源的快速枯竭。据可靠资料 ,我国工业能源的消耗在总体成本中占有最多的份额,而
能源的有效使用率仅仅只有三成左右,成本支出 比欧洲发达国家高出很多,所以考虑到经
济效益,节能设备的推广是势在必行的一大举措。能源的短缺是 目前全世界都面临的一项
严重考验,在这样一个大背景下谋求发展,开发新新能源是一个方面,更重要的 是在节约
能源上下足功夫。余热锅炉的设计开发益加重要,本文采用前馈—反馈控制系统控制余热
锅炉,既可实现高精度控制,又可保证系统稳定运行,使锅炉的性能得到较大程度的提高,
更加安全, 效率更高。














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2流量—温度复合控制系统方案设计
流量-温度复合控制系统的被控对象是小型余热锅炉,被控参数是小型余热锅
炉出口蒸汽温度 ,控制变量是烟气流量,扰动是烟气流量。要求设计复合控制系统,使出
口蒸汽温度维持在 360±2℃。
由于设计要求出口蒸汽温度维持在360±2℃,故应采取反馈控制,以确保系统输出 稳
定。反馈控制的理论基础是不变性原理,利用负反馈直接将输出引入控制器前,构成闭环
控制 系统,能有效抑制各种干扰的影响,使被控参数稳定在设定值,满足设计要求。
冶金等生产行业依靠高温烟气作为热源的余热锅炉使用普遍 ,这种小型锅炉的主要作
用是对烟 气进行降温,同时产生蒸汽供其他生产工序使用。这个对象的特点是:由于烟气
流量和温度由前一个工序 决定,导致锅炉热源不稳定。
根据对象的这一特点,可对系统采取前馈控制。前馈控制是按照引起被控 参数变化的
扰动进行控制,又称扰动补偿。前馈控制的原理是:当系统出现扰动时,立即将其测量出来,通过前馈控制器,根据扰动量的大小改变控制变量,以抵消扰动对被控参数的影响。
在这种控制 系统中要直接测量干扰量的变化,当干扰量刚刚出现并能测量时,控制器就能
发出控制信号使控制变量作 相应的变化,使两者抵消于被控参数发生偏差之前。前馈控制
及时,对特定扰动引起的动、静态偏差控制 比较有效。因此,前馈控制能够减少或甚至消
除扰动的影响。
鉴于以上原因,为了满足设计要 求并获得满意的控制效果,合理、可行的控制方案是
把前馈控制和反馈控制结合起来,组成前馈—反馈复 合控制系统。这样,一方面利用前馈
控制及时有效的特点,减少主要干扰对被控参数的影响;另一方面, 利用反馈控制能抑制
各种干扰的优势,克服其他干扰的影响,使被控参数稳定在设定值上,保证控制系统 有较
高的控制质量。同时,前馈—反馈复合控制系统发挥了前馈控制和反馈控制各自的优势,
也 降低了对前馈控制器的要求,便于在工程上实现,既可实现高精度控制,又可保证系统
稳定运行。 流量—温度复合控制系统原理图如图2所示,通过TT(温度检测器)和QT(流量检测器)
分别检 测出口蒸汽的温度和进口烟气的流量,在通过TC(温度控制器)和QC(流量控
制器)控制调节阀的开度从而控制给水的流量。
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TC

排水
QC

QT

给水

TT

蒸汽出口
烟汽出口
烟汽入口
图2 流量—温度复合控制系统原理图


前馈—反馈复合控制系统结构框图如图3所示,流量控制为前馈,温度控制为反馈。
本系统中执行器选 用的是气关式调节阀,一旦系统故障,调节阀自动打开,以避免过热器
温度过高。调节阀为反作用。随着 温度升高,温度传感器输出信号增大,为正作用,
随着烟气流量上升,流量传感器输出信号增大,为正 作用,余热锅炉可以看做是负作用,
根据整个系统构成负反馈的原则,温度调节器应为负作用方式,同理 流量调节器也为负作
用。
流量调节器

温度设定
+

温度调节器

+

调节阀

温度检测
+
图3 前馈—反馈复合控制系统结构框图

流量检测
+
蒸汽温度
小型余热锅炉

“+”:正作用
“—”:负作用
扰动

假设在稳态情况下,阀门开度一定,给水流量稳定,烟气流量和温度不变,蒸汽
温度保持在相对稳定的状态,此时蒸汽温度稳定在设定值。如果出现外部干扰,烟气
流量或温度变化时,稳定工况被破坏,并最终反应到蒸汽温度的变化上来,传感
器检测到烟气 流量或温度变化,经过变送器变成标准电流信号,送入调节器。调节器根据
给定和反馈输入的偏差进行控 制,输出阀门控制信号,调节阀门的开度,从而改变
蒸汽的温度,使其维持在恒值。
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3 元器件选型
3.1 温度检测装置
温度检测装置包括温度传感器和温度变送器。
工业装置中常用的温度传感器主要是热电偶温度计和热电阻温度计。热电偶是工业上
最常用的温度检测元 件之一,热电偶工作原理是基于赛贝克效应,即两种不同成分的导体两
端连接成回路,如两连接端温度不 同,则在回路内产生热电流的物理现象。其优点是:
1、测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触, 不受中间介质的影响。②测量范围
广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量,某些特殊热 电偶最低可测到-269℃(如
金铁镍铬),最高可达+2800℃(如钨-铼)。
2、构造 简单,使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和
开头的限制,外有保护套管, 用起来非常方便。
热电阻是中低温区常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高,性能稳定。
其中铂电阻温度传感器精度高,稳定性好,应用温度范围广,是中低温区(-200℃~400℃)最常用的一种温度检测器,,它不仅广泛应用于工业测温,而且被制成标准的基准仪。
本系统要求 出口蒸汽温度控制在360±2℃,而热电偶主要用于中高范围的温度测量,
并且精度也不如热电阻高, 故本系统选择铂热电阻(Pt100)作为蒸汽温度传感器(。
三线制PT100要求引出的三根导线 截面积和长度均相同,测量铂电阻的电路一般是不
平衡电桥,铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻,将导线一 根接到电桥的电源端,其余两根分
别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上,当桥路平衡时,导线电 阻的变化对测量结
果没有任何影响,这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差,所以本系统采用三线制 接
法。
一体化温度变送器具有结构简单、节省引线、输出信号大、抗干扰能力强、线性好、< br>显示仪表简单、固体模块抗震防潮、有反接保护和限流保护、工作可靠等优点,可直接替
换普通装 配式热电偶、热电阻。其输出为统一的4~20mA信号,可与微机系统或其它常
规仪表匹配使用。综上 所述,本系统采用一体化温度变送器。
一体化温度变送器一般由测温探头(热电偶或热电阻传感器)和两线制固体电子单元
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组成。 采用固体模块形式将测温探头直接安装在接线盒内,从而形成一体化的变送器。一
体化温度变送器一般分 为热电阻和热电偶型两种类型。
SBWZ热电阻温度变送器是DDZ系列仪表中的现场安装式温度变送 单元。它采用二
线传送方式(两根导线作为电源输入,信号输出的公用传输线)。将热电偶、热电阻信号
变换成输入电信号或被测温度或成线性的4~20mA的输出信号,变送器可以安装于热电
偶、 热电阻的接线盒内与之形成一体化结构。它作为新一代测温仪表可广泛应用于冶金、
石油化工、电力、轻 工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。
SBWZ一体化温度变送器主要技术指标:
1、输入:热电阻Pt100、Cu50、Cu100
热电偶K、E、S、B、T、J、N
2、输出:在量程范围内输出4~20mA直流信号可与热电阻温度计的输出电阻信号成
线性, 可与热电阻温度计的输入温度信号成线性;可与热电偶输入的毫伏信号成线性,也
可与热电偶温度计的输 入温度信号成线性。
3、基本误差:±0.2% ( 小于±1.6%)
4、传送方式:二线制
5、变送器工作电源电压最低12V,最高35V,额定工作电压24V。
6、负载:极限负二载电阻按下式计算
R
L(max)
=50×(V
mm
−12)
(1)

即24V时负载电阻可在0~600Ω范围内选用,额定负载250Ω。
7、环境温度影响≤0.05%℃
8、正常工作环境:
a、环境温度 -25℃~+80℃
b、相对湿度5%~95%
c、机械振动f≤55Hz振幅<0.15mm2.3 调节阀
查询SBWZ系列温度变送器的型号, SBWZ-2460测温范围为0~600℃,适用于本系
统,故选择SBWZ-2460温度变送器作 为系统的检测环节。
综上所述,选择三线制接法的热电偶作为温度传感器,选择SBWZ-2460作 为温度变
送器。
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3.2 流量检测装置
差压式(也称节流式)流量计是基于流体流动的节流原理,利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。它是流量测量仪表中最成熟、最常用的仪表之一。通常
是由能将被 测流量转换成差压信号的节流装置和能将此信号转换成电信号的差压计两部
分组成。差压信号通过差压变 送器转换成相应的标准信号,以供显示、记录或控制用。
一体化孔板流量计可采用多种节流件,其主要特点及功能如下:
1、喷嘴节流件阻力损失小(在同样流量和相同β值情况为孔板的 60%左右);
2、喷嘴与孔板相比没有孔口钝化的问题,并且耐冲击不易变形;
3、喷嘴节流件的检定周期长(4年);
4、定值(孔径定值)节流件互换性好,降低了节流件造价;
由于采用了防冻式隔离器大大 缩短了引压管长度,故障率低,动态特性好;配置普通
差压变送器和普通流量显示设备的一体化节流式流 量计在流量或管道工况发生变化时,在
不更换节流件的情况下,采用《LG-94-01版节流装置设计 计算及管理软件》重新计算出流
出系数 C、可膨胀系数 ε、满度差压值(或满度流量值),重新修改 流量显示设备的设置
和调整差压变送器量程;配置智能型差压变送器的一体化节流式流量计,可实现宽量 程检
测,流量测量范围度可达 10:1或更宽;新型智能流量仪表,它集标准孔板与多参量差压
变送器与一体,在结构工艺上设计了压力与温度检测装置,并在电路设计中采用了超大规
模集成电路, 运用最新数学运算模型,使得流量计具备了气体、液体、蒸汽及天然气的质
量流量测量功能,可广泛地适 用于石油、化工、冶金、造纸、纺织、医药、电力、供热、
供水等领域的过程控制和测量。
主要性能及技术指标:
1、仪表精度:0.5级,1.0级;
2、介质:气体、液体、蒸汽;
3、量程变化范围:1:10,1:15;
4、环境温度:-40℃~+60℃;
5、介质温度:-50℃~+450℃;
6、防护等级:IP65;
7、介质压力:2.5MPa/4.0MPa/6.9MPa;
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武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计说明书 < br>8、智能化设计,集高精度温度、压力、流量传感器和智能流量计算显示于一体,可检
测被测介质 的温度、压力和流量,并进行密度自动补偿运算。
9、仪表结构简单,实现了孔板与差压变送器的精巧组合,可适用于不同口径(从
DN15~ DN1200),不同测量介质(气体、液体、蒸汽),不同环境条件,从而使用户的备
品存量大大降低 。
10、公称口径系列:DN15~DN1200;
11、供电电源:,3.6V电池;
12、Hart通讯接口及协议,可通过模拟 4-20mA传输数字信号,以实现与计算机通讯。
本设计采用一体化孔板流量计作流量检测装置。
3.3 调节阀
在自动控制系统中 ,调节阀是常用的执行器。控制过程是否平稳取决于调节阀能否准
确动作,使过程控制体现为物料能量和 流量的精确变化。所以,要根据不同的需要选择不
同的调节阀。选择恰当的调节阀是管路设计的主要问题 ,也是保证调节系统安全和平稳运
行的关键。
根据工艺要求及安全生产的因素考虑,一旦发生 事故,系统失控时,供水调节阀应该
处于全开的位置,使过热器不致因给水中断而烧坏,避免事故,所以 调节阀采用气关式阀
门。
关于调节阀流量特性的确定,应满足在整个调节过程中,对象特性的 变化能通过调节
阀的特性变化得到补偿,使调节系统中广义对象的特性尽可能稳定,保证调节质量。系统
中控制对象的工作点比较稳定、调节阀两端的压差也比较稳定,阀门的开度基本上保持在
一个固 定的位置上,阀门的放大系数Kv变化不大,对象的放大系数Kv也变化不大,此种
情况下,不论是线性 特性还是对数特性都可以。本系统选择线性流量特性的调节阀。
3.4 调节器
3.4.1
调节器选择

本设计中调节器有两个,分别为流量调节器和温度调节器。为了设计方便,可以
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选择同样的调节器。
DDZ-III型电动单元组合仪表(简称III型仪表)广泛应用于 石油、化工、电站、轻工、
纺织、治金、机械、动力等工业的控制系统中,它是实现生产过程自动化,提 高产品质量,
增加效益和节约能源等的不可缺少的主要生产工具。
电III型仪表由变送、 调节、给定、显示、转换、计算、执行、辅助等八类仪表单元组
成。用户根据生产过程的情况、条件和要 求,用这些单元进行系统设计,构成从简单到复
杂的各种检测和自动控制系统,与电子计算机连用还可构 成计算机SPC或 DDC控制系统。
电III型系统仪表的主要特点:
采用国际标准信号:电III型,按照国际电工委员会(IEC)的规定,远传信号采
用4~20mA DC,控制室内联络信号采用1~5VDC和4~20mADC作为辅助信号,便于构成大
型复杂控制系 统又可与进口仪表兼容,是种扩展性非常广泛的设备。
电子线路以线性集成电路 —运算放大器构成,与分立元件相比,可靠性上了新台阶。
本质安全防爆结构:电III型,装备有齐纳式安全栅(Safety-barrier)。作为仪表系 统的
本质安全防爆结构,任何情况下都能防止起爆能量泄露到危险场所。因此现场仪表除有一
般 型,隔爆型外还有本质安全防爆型。其防爆等级是iaIICT6。
自动-手动双向自平衡无扰动切换 :电III型主要品种指示调节仪,将PID运算,测量、
给定值指示、手操控制和手动自动切换等功能 结合同一表内,操作简单、安全可靠;并有
自动手动双向自平衡无扰动切换。指示直观醒目。指示刻度长 为10mm双色指针直观醒目。
更有光柱指示品种,提高了显示精度的抗震性能。
采用二线制信号传送:为提高系统抗干扰能力减少安装维修费现场仪表一般均采用
二线制传输。但为了照顾传统使用习惯,简化系统配置还提供含防爆栅功能并有输入、
输出隔离的四线指温度变送器。
指示仪记录仪工程量指示刻度可现场更换:电III型指示 ,记录仪表可按合同装配相应
范围的温度、压力、流量、液位工程量刻度,并在现场可方便地调换。如下 图(注本系统
仪表配的温度刻度是非线性的,随测温元件的分号而不同。如用户使用带线性校正的温度< br>变送器,也可作特殊规格提供线性刻度)。
本设计选用DDZ- III型仪表作为流量和温度调节器。
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3.4.2
控制规律选择
在实际控制系统中,调节器采用的基本调节规律有比例、积 分和微分调节规律,简称
PID调节。通过P、I和D三个环节的不同组合,即可得到常用的各种调节规 律。PID调节
规律作为一种基本控制方式获得广泛的应用,主要是由于它具有原理简单、鲁棒性强、适
应性广等优点。
在这里,流量调节器采用比例调节即PD调节即可,温度调节采用比例积分微分
调节即PID调节。


















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4参数整定
调节器参数整定方法可以简单归结为理论计算法和工程整定法两大类。理论计算法 要
求知道被控过程的数学模型,由于难以获得被控过程精确的数学模型,因而理论计算法在
工程 上较少采用。工程整定法不需要对象特性的数学模型,可直接在现场进行参数整定,
方法简单、操作方便 、容易掌握,在工程实际中得到广泛应用。常用的工程整定方法有稳
定边界法、衰减曲线法、响应曲线法 和经验法。
本设计采用衰减曲线法。
表1衰减比为4:1时,衰减曲线法整定参数计算表

控制规律
整定参数
P(%)
P
S

1.2P
S

0.8P
S

T
I


0.5T
S

0.3T
S

T
D



0.1T
S

P
PI
PID

首先取T
I
=∞,T
D
=0,比例度P置于较大数值,将系统投入自动运行状态。
等系统运行稳定后,对设定值做阶跃扰动, 然后观察其过渡过程。若过渡过程振荡衰
减太快,则减小比例度。反之亦然。如此反复,直到衰减比为4 :1,并记录对应的比例度P
S
,从
过度过程曲线上测出此时的振荡周期T
S








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5 MATLAB仿真

MATLAB中结构框图如图4所示:
图4 结构框图



经过不断的仿真调试,得到各个调节器的控制参数如下:
(1) 温度调节器为PID调节器, 其中P=10,I=0.5,D=15;
(2) 流量调节器为PD调节器,其中P=1,D=90;
(3) 调节阀采用P调节器,其中P=1。
仿真结果如图5所示。

图5 仿真结果图
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6 总结 本次课程设计要求设计一个小型余热锅炉流量—温度复合控制系统,将出口蒸汽温度
控制360±2 ℃。经过了一段时间的努力,终于完成了这个课程设计,并且很好的满足课题
要求。在完成课程设计的过 程中,虽然遇到了一些困难,也发费了不少时间,但是从中学
到了大量的的知识,这些知识都是在课堂上 无法学到的。
经过这次课程设计,我对余热锅炉有了较深入的了解,比如其结构构成、工作原理、生产工艺等。通过设计前馈—反馈复合控制系统,之前只是通过课本对其有个初步的了解,
而这次运 用于实践,对其有更好的了解掌握,在系统设计中,如何选择控制方法,如何选
择元器件等。对PID控 制规律有了更深的认识,以及对参数整定方法的掌握。同时熟悉并
掌握了MATLAB仿真软件。 通过课程设计,不仅是对所学知识的掌握和理解,最重要的是锻炼能力,如动手能力、
发现并解决问 题的能力等。而我同过这次课程设计也正好提高了这些能力。总之,通过这
次课程设计,我得到了一笔受 用无穷的财富














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武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计说明书
参考文献

[1]王再英,刘准霞,陈毅静,过程控制系统及仪表,机械工业出版社,2009
[2]黄德先,王景春,金以慧,过程控制系统,清华大学出版社,2011
[3]武建忠,工业锅炉的自动化控制过程与实现,内蒙古电力科学研究院,2003
[4]黄生帆,热工控制系统,中国电力出版社,2003
[5]孙优贤,褚健,工业过程控制技术,化学工业出版社,2006
[6]胡寿松,自动控制原理











































.科学出版社,2007
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