过程控制系统课程单元设计

《过程控制系统应用技术》课课程单元教学设计（2014～2015学年第2学期）所属系部：机械电子系制定人：合作人：制定时间：2015.2河南化工职业学院1《过程控制系统应用技术》课程单元教学设计11.单元教学设计单元标题：自动控制系统概述单元教学学时2在整体设计中的位置第1次授课班级自动化1301上课时间周月日第节至周月日第节上课地点教学目标能力目标知识目标素质目标1、能够区分控制系统的不同组成部分，及不同的控制系统2、能够正确分析控制系统的性能1、了解过程控制系统的基本概念2、掌握控制系统过渡过程及品质指标1、培养学生发散思维能力及独立思考的能力。能力训练任务及案例（指教学的主要内容等）任务1.自动控制系统相关知识1.1过程控制系统的基本概念自动控制就是在没人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或者过程自动的按照预定的规律运行。实例讨论：（1）导弹能够准确命中目标，（2）人造卫星能够按照预定的轨道运行并返回地标；（3）宇宙飞船能够在月球和其他星球着陆探测后返回地球1.2过程控制系统的任务过程控制是自动控制学科的一门分支，是对过程控制系统的分析和设计。1.3过程控制系统的特点（1）被控对象的多样性（2）对象存在滞后（3）对象特性的非线性（4）控制系统比较复杂1.4自动控制理论的发展分为经典控制理论和现代控制理论2能力训练任务及案例任务2.自动控制系统的组成和分类2.1自动控制系统的组成分析图1-1，1-2，理解被控对象、检测元件和变送器、控制器、执行器、比较机构、被控变量y，设定值x,偏差e，操纵变量q，扰动f。2.2过程控制系统的分类（1）按照控制系统的基本机构不同，可分为：闭环控制系统、开环控制系统。（2）按设定值的不同情况，将自动控制系统分三类：定制控制系统、随动控制系统、程序控制系统。任务3.自动控制系统的过渡过程及品质指标3.1过渡控制系统的过渡过程在扰动的作用下，控制系统从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态的过程叫过渡过程。把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为静态或稳态，而把被控变量随时间而变化的不平衡状态称为动态或瞬态。在阶跃扰动作用下，过程控制系统的过渡过程将出现如图1-4的几种形式。（1）发散震荡过程（2）等幅震荡过程（3）衰减震荡过程（稳定迅速准确，是所希望的）（4）非振荡衰减过程（不是理想的不宜采用）（5）非振荡发散过程（生产中不希望的）3.2过程控制系统的品质指标对过程控制系统的基本技术性能要求包括稳态和瞬态两个方面，一般可归纳为以下三点：（1）稳定性（2）准确性（3）快速性分析讨论图1-5，学习最大偏差、衰减比、余差、振荡周期等几个参数的计算。教材及参考资料（1）过程控制系统应用技术（2）化工仪表及自动化（3）自动控制原理32.单元教学过程设计步骤教学内容及能力/知识目标教师活动学生活动时间（分钟）1复习上一个学习环节简单总结提问上一个学习环节的重点难点在教师的引导下回顾知识点，并回答教师的问题52授课教授教材内容听课703讨论提出问题分组进行讨论104总结对讲授的知识进行总结在教师引导下把所学的知识串联起来，加深理解5作业课后体会注：每个步骤占用的行数，可以按照实际需要增减。4《过程控制系统应用技术》课程单元教学设计21.单元教学设计单元标题：过程特性单元教学学时2在整体设计中的位置第2次授课班级自动化1301上课时间周月日第节至周月日第节上课地点教学目标能力目标知识目标素质目标1、能够正确分析控制系统的过程特性2、能够正确的分析对象的特性参数1、掌握控制系统的静态与动态的定义及特点性质2、掌握对象特性三大参数的定义及在控制系统的意义1、培养学生的独立思考及自学的能力。能力训练任务及案例（指教学的主要内容等）任务1.控制系统的静态与动态在定制控制系统中，将被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态（稳态），而把被控变量岁时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。定制控制系统的目的就是希望将被控变量保持在一个不变的值上，这只有当进入被控对象的物料量和流出对象的物料量相等时才有可能。平衡状态是暂时的、相对的、有条件的，不平衡状态才是普遍的、绝对的、无条件的。在生产过程中，干扰是客观存在的，不可避免的，了解系统的动态更为重要。研究自动控制控制系统的重点就是要研究系统的动态。任务2.过程特性的类型在研究过程特性时，应该预先指明对象的输入变量是什么，输出变量是什么，因为对于同样一个对象，输入变量或输出变量不相同时，它们间的关系也是不相同的。工业过程中常采用阶跃输入信号作用下过程的相应表示过程的动态特性。典型的工作过程动态特性分为以下四类。5能力训练任务及案例2.1自衡的非振荡过程在外部阶跃输入信号作用下，过程原有的平衡状态被破坏，并在外部信号作用下自动地非振荡地稳定到一个新的稳态，这类工业过程成为具有自衡的非振荡过程。（分析图2-2）2.2无自衡的非振荡过程这类过程没有自衡能力，它在阶跃输入信号的作用下的输出响应曲线无震荡地从一个稳态一直上升或下降，不能达到新的稳态。（分析图2-3）2.3有自衡的震荡过程这类过程有自衡能力，在阶跃信号的作用下，输出响应呈现衰减震荡特性，最终过程会趋于新的稳态。（分析图2-4）2.4具有反响特性的过程在阶跃信号的作用下，被控变量先上升后降低或者先降低后上升，即阶跃响应在初始情况与最终情况方向相反。（分析图2-5）任务3.过程特性的一般分析对象的特性可以通过其数学模型来描述，在实际工作中，常用下面三个物理量来表示对象的特性，也就是对象的特性参数。3.1放大系数KK在数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量的比值。它的意义可以理解为：如果有一定的输入变化量，通过对象就放大了K倍变化为输出变化量。K被称为对象的放大系数。3.2时间常数T在自动化领域中，往往用时间常数T来表示，时间常数越大，表示对象受到输入作用后，被控变量变化得越慢，到达新的稳态值所需的时间越长。3.3滞后时间t（1）时滞称为纯滞后，一般由于介质的输送需要一段时间而引起的。（分析图2-7）（2）容量之后，有些对象在受到阶跃输入作用开始变化缓慢，后来才逐渐加快，最后又变得直至逐渐接近稳态值，这种现象叫容量滞后或过渡滞后。（分析参考图分-8）教材及参考资料（1）过程控制系统应用技术（2）化工仪表及自动化（3）自动控制原理62.单元教学过程设计步骤教学内容及能力/知识目标教师活动学生活动时间（分钟）1234作业课后体会注：每个步骤占用的行数，可以按照实际需要增减。7《过程控制系统应用技术》课程单元教学设计31.单元教学设计单元标题：过程空太数学模型单元教学学时2在整体设计中的位置第3次授课班级自动化1301上课时间周月日第节至周月日第节上课地点教学目标能力目标知识目标素质目标1、能够建立简单系统的数学模型（传递函数）2、能够利用实验测取方法建立特殊系统的数学模型1、了解系统建模的两种方法2、了解几种控制系统数学模型的类别3、掌握传递函数的定义及构建方法。1、培养学生的独立思考及自学的能力。2、能够和所学过的高等数学知识联系一块，解决控制系统方面的问题。能力训练任务及案例（指教学的主要内容等）任务1.数学模型1.1数学模型的概念过程特性的数学描述称为过程的数学模型。数学模型不仅是分析和设计控制系统方案的需要，也是控制系统投运、控制器参数整定的需要。在操作优化、故障和诊断方案制定等方面也是极其重要的。静态数学模型是动态数学模型在达到平衡状态时的一个特例。1.2数学模型的主要形式数学模型主要有两种类型，一类是参量形式，就是要用曲线或数据表格来表示，一类是非参量形式，就是用数学方程式来表示。动态数学模型的形式主要有以下几种：（1）微分方程（2）传递函数（3）微分方程（4）差分方程及动态方程1.3数学模型建立的方法根据数学模型建立的途径不同，可分为机理建模、实测建模两种方法，也可以将两种方法结合起来。机理建模可以在设备投产之前，充分利用已知的过程知识，从本质上8能力训练任务及案例去了解对象的特性。任务2.传递函数传递函数是经典控制理论中广泛采用的一种数学模型。利用传递函数不比求解微分方程就可以分析系统的动态性能，以及系统参数或结构变化对动态性能的影响。（1）传递函数的定义：系统输出与输入拉氏变换的比值（2）传递的性质：五条（3）典型环节的传递函数从结构上及作用原理上来看，有各种不同的元件，但从动态性能或数学模型来看，却可分成为数不多的基本环节，也就是典型环节。（分析学习教材例题，回顾所学的高数知识）（1）比例环节系统的输出量与输入量成比例关系的环节（2）积分环节输出量是输入量对时间的积分（3）理想微分环节（4）惯性环节（5）一阶微分环节（6）二阶振荡环节（7）纯滞后环节任务3.过程动态模型的实验测取在实际工作中，常常用实测的方法来研究对象的特性，它能比较可靠的建立对象的数学模型，也可以对通过机理分析建立起来的数学模型加以验证或修改。在测试过程中需要主要一些事项为了获得动态特性，必须使被研究的过程处于被激励状态。根据加入的激励信号和结果的分析方法不同，测试动态特性的实验方法也不相同，常用的方法有时域法、频率法和统计相关法。测试信号通常选阶跃信号或矩形脉冲信号，由于被测对象的阶跃响应曲线比较直观的放映了其动态特性，实验也比较简单，而且从响应曲线直接求出其对应的传递函数，因此阶跃输入信号是时域测定法首选的输入测试信号。教材及参考资料（指教材或讲义、课件、参考资料、仪器、设备等）（1）过程控制系统应用技术（2）化工仪表及自动化（3）自动控制原理92.单元教学过程设计步骤教学内容及能力/知识目标教师活动学生活动时间（分钟）1234作业课后体会注：每个步骤占用的行数，可以按照实际需要那样增减。10《过程控制系统应用技术》课程单元教学设计41.单元教学设计单元标题：控制的控制规律1、双位控制2、比例控制单元教学学时2在整体设计中的位置第4次授课班级自动化1301上课时间周月日第节至周月日第节上课地点教学目标能力目标知识目标素质目标1、能够简述双位控制的应用实例2、能够对比例控制中的主要参数进行求解1、掌握双位控制和比例控制的定义及应用特点。1、培养学生的独立思考及自学的能力。能力训练任务及案例（指教学的主要内容等）控制器的作用是对测量变送仪表送来的测量值和其内部或外部设置的设定值进行比较得到偏差，然后按照一定的控制规律进行运算，产生符合系统要求的信号去驱动执行器工作，以达到调节被控变量的目的。基本控制规律只有四种：（1）双位控制规律（2）比例控制规律（3）积分控制规律（4）微分控制规律后三者控制规律通常称为常规PID控制，是绝大多数过程控制系统采用的形式。任务1.双位控制定义：双位控制是指控制器输入偏差连续变化时，其输出信号只产生两个值，相应的执行机构也只在两个位置工作。讨论分析学习图3-2，图3-2是一个贮槽的液位双位控制示意图。双位控制系统结构简单、成本低、易于实现，但控制质量较差，只能应用于允许被控变量在一个小范围内波动的场合，如空调、电冰箱、加热炉、恒温箱的温度控制，气动仪表气源气罐的压力控制。11能力训练任务及案例任务2.比例控制2.1比例控制规律定义：比例控制规律指控制器输出信号u随输入偏差信号e按一定比例关系变化的控制规律。用数学式表示为：u=Kpe式中，Kp叫做比例放大倍数，也称比例增益或比例系数，其值越大，输出信号越大，即控制作用越强。所以Kp是决定控制器比例控制作用强弱的参数。Kp＞1,控制器是一台信号放大的仪表，反之则是一台信号缩小的仪表。2.2比例度在过程控制仪表中，用来实现比例控制作用的参数并不是比例放大倍数，而是比例度。比例度和比例放大倍数成反比。在控制器上，比例度可以通过旋动旋钮或在相应栏填入数字来实现或者更改。比例度的范围一般从百分之几到百分之几百。2.3比例度对系统的影响分析图3-5和表3-1，讨论比例控制作用一下几个特点（1）比例度越小，系统的控制作用越强（2）纯粹的比例控制具有动作迅速、反应灵敏的特点。所以比例控制规律也是所有控制系统最基本、最普遍的控制规律。（3）比例控制作用过强会使