過(guò)程控制系統(tǒng)課程單元設(shè)計(jì)

1、過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)（2014 2015學(xué)年第2學(xué)期）所屬系部： 機(jī)械電子系 制定人： 合作人： 制定時(shí)間： 2015.2 河南化工職業(yè)學(xué)院過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)11.單元教學(xué)設(shè)計(jì)單元標(biāo)題： 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述單元教學(xué)學(xué)時(shí)2在整體設(shè)計(jì)中的位置第 1 次授課班級(jí)自動(dòng)化1301上課時(shí)間周  月  日第  節(jié)至周  月  日第  節(jié)上課地點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)能力目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)1、 能夠區(qū)分控制系統(tǒng)的不同組成部分，及不同的控制系統(tǒng)2、 能夠正確分析控制系統(tǒng)的性能1、了解過(guò)程控制系統(tǒng)的基本概念2、掌

2、握控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)1、培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維能力及獨(dú)立思考的能力。能力訓(xùn)練任務(wù)及案例（指教學(xué)的主要內(nèi)容等）任務(wù)1.自動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)1.1過(guò)程控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制就是在沒(méi)人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使被控對(duì)象或者過(guò)程自動(dòng)的按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。實(shí)例討論：（1） 導(dǎo)彈能夠準(zhǔn)確命中目標(biāo)，（2） 人造衛(wèi)星能夠按照預(yù)定的軌道運(yùn)行并返回地標(biāo)；（3） 宇宙飛船能夠在月球和其他星球著陸探測(cè)后返回地球1.2過(guò)程控制系統(tǒng)的任務(wù)過(guò)程控制是自動(dòng)控制學(xué)科的一門分支，是對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。1.3過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）被控對(duì)象的多樣性（2）對(duì)象存在滯后（3）對(duì)象特性的非線性（4）控制系統(tǒng)比較復(fù)雜1.

3、4自動(dòng)控制理論的發(fā)展分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論能力訓(xùn)練任務(wù)及案例任務(wù)2.自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類2.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成分析圖1-1，1-2，理解被控對(duì)象、檢測(cè)元件和變送器、控制器、執(zhí)行器、比較機(jī)構(gòu)、被控變量y，設(shè)定值x,偏差e，操縱變量q，擾動(dòng)f。2.2過(guò)程控制系統(tǒng)的分類（1）按照控制系統(tǒng)的基本機(jī)構(gòu)不同，可分為：閉環(huán)控制系統(tǒng)、開環(huán)控制系統(tǒng)。（2）按設(shè)定值的不同情況，將自動(dòng)控制系統(tǒng)分三類：定制控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。任務(wù)3.自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)3.1過(guò)渡控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程在擾動(dòng)的作用下，控制系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程叫過(guò)渡過(guò)程。把被控變量不隨時(shí)間

4、而變化的平衡狀態(tài)稱為靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)，而把被控變量隨時(shí)間而變化的不平衡狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)或瞬態(tài)。在階躍擾動(dòng)作用下，過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程將出現(xiàn)如圖1-4的幾種形式。（1） 發(fā)散震蕩過(guò)程（2） 等幅震蕩過(guò)程（3） 衰減震蕩過(guò)程（穩(wěn)定迅速準(zhǔn)確，是所希望的）（4） 非振蕩衰減過(guò)程（不是理想的不宜采用）（5） 非振蕩發(fā)散過(guò)程（生產(chǎn)中不希望的）3.2 過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的基本技術(shù)性能要求包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩個(gè)方面，一般可歸納為以下三點(diǎn)：（1） 穩(wěn)定性（2） 準(zhǔn)確性（3） 快速性分析討論圖1-5，學(xué)習(xí)最大偏差、衰減比、余差、振蕩周期等幾個(gè)參數(shù)的計(jì)算。教材及參考資料（1）過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)（2）化工儀表

5、及自動(dòng)化（3）自動(dòng)控制原理2.單元教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)步驟教學(xué)內(nèi)容及能力/知識(shí)目標(biāo)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)時(shí)間（分鐘）1復(fù)習(xí)上一個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單總結(jié)提問(wèn)上一個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)難點(diǎn)在教師的引導(dǎo)下回顧知識(shí)點(diǎn)，并回答教師的問(wèn)題52授課教授教材內(nèi)容聽課703討論提出問(wèn)題分組進(jìn)行討論104總結(jié)對(duì)講授的知識(shí)進(jìn)行總結(jié)在教師引導(dǎo)下把所學(xué)的知識(shí)串聯(lián)起來(lái)，加深理解5作業(yè)課后體會(huì)注：每個(gè)步驟占用的行數(shù)，可以按照實(shí)際需要增減。過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)21.單元教學(xué)設(shè)計(jì)單元標(biāo)題： 過(guò)程特性單元教學(xué)學(xué)時(shí)2在整體設(shè)計(jì)中的位置第2次授課班級(jí)自動(dòng)化1301上課時(shí)間周  月  日第  節(jié)至周

6、60; 月  日第  節(jié)上課地點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)能力目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)1、 能夠正確分析控制系統(tǒng)的過(guò)程特性2、 能夠正確的分析對(duì)象的特性參數(shù)1、 掌握控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的定義及特點(diǎn)性質(zhì)2、 掌握對(duì)象特性三大參數(shù)的定義及在控制系統(tǒng)的意義1、培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考及自學(xué)的能力。能力訓(xùn)練任務(wù)及案例（指教學(xué)的主要內(nèi)容等）任務(wù)1.控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)在定制控制系統(tǒng)中，將被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)），而把被控變量歲時(shí)間而變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。定制控制系統(tǒng)的目的就是希望將被控變量保持在一個(gè)不變的值上，這只有當(dāng)進(jìn)入被控對(duì)象的物料量和流出對(duì)象的物料量相等

7、時(shí)才有可能。平衡狀態(tài)是暫時(shí)的、相對(duì)的、有條件的，不平衡狀態(tài)才是普遍的、絕對(duì)的、無(wú)條件的。在生產(chǎn)過(guò)程中，干擾是客觀存在的，不可避免的，了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更為重要。研究自動(dòng)控制控制系統(tǒng)的重點(diǎn)就是要研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。任務(wù)2.過(guò)程特性的類型在研究過(guò)程特性時(shí)，應(yīng)該預(yù)先指明對(duì)象的輸入變量是什么，輸出變量是什么，因?yàn)閷?duì)于同樣一個(gè)對(duì)象，輸入變量或輸出變量不相同時(shí)，它們間的關(guān)系也是不相同的。工業(yè)過(guò)程中常采用階躍輸入信號(hào)作用下過(guò)程的相應(yīng)表示過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。典型的工作過(guò)程動(dòng)態(tài)特性分為以下四類。能力訓(xùn)練任務(wù)及案例 2.1自衡的非振蕩過(guò)程在外部階躍輸入信號(hào)作用下，過(guò)程原有的平衡狀態(tài)被破壞，并在外部信號(hào)作用下自動(dòng)地非振蕩地穩(wěn)定

8、到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)，這類工業(yè)過(guò)程成為具有自衡的非振蕩過(guò)程。（分析圖2-2）2.2無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程這類過(guò)程沒(méi)有自衡能力，它在階躍輸入信號(hào)的作用下的輸出響應(yīng)曲線無(wú)震蕩地從一個(gè)穩(wěn)態(tài)一直上升或下降，不能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。（分析圖2-3）2.3有自衡的震蕩過(guò)程這類過(guò)程有自衡能力，在階躍信號(hào)的作用下，輸出響應(yīng)呈現(xiàn)衰減震蕩特性，最終過(guò)程會(huì)趨于新的穩(wěn)態(tài)。（分析圖2-4）2.4具有反響特性的過(guò)程在階躍信號(hào)的作用下，被控變量先上升后降低或者先降低后上升，即階躍響應(yīng)在初始情況與最終情況方向相反。（分析圖2-5）任務(wù)3.過(guò)程特性的一般分析對(duì)象的特性可以通過(guò)其數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，在實(shí)際工作中，常用下面三個(gè)物理量來(lái)表示對(duì)象的特性，

9、也就是對(duì)象的特性參數(shù)。3.1放大系數(shù)KK在數(shù)值上等于對(duì)象重新穩(wěn)定后的輸出變化量與輸入變化量的比值。它的意義可以理解為：如果有一定的輸入變化量，通過(guò)對(duì)象就放大了K倍變化為輸出變化量。K被稱為對(duì)象的放大系數(shù)。3.2時(shí)間常數(shù)T在自動(dòng)化領(lǐng)域中，往往用時(shí)間常數(shù)T來(lái)表示，時(shí)間常數(shù)越大，表示對(duì)象受到輸入作用后，被控變量變化得越慢，到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間越長(zhǎng)。 3.3滯后時(shí)間t（1）時(shí)滯 稱為純滯后，一般由于介質(zhì)的輸送需要一段時(shí)間而引起的。（分析圖2-7）（2）容量之后，有些對(duì)象在受到階躍輸入作用開始變化緩慢，后來(lái)才逐漸加快，最后又變得直至逐漸接近穩(wěn)態(tài)值，這種現(xiàn)象叫容量滯后或過(guò)渡滯后。（分析參考圖分-8）教

10、材及參考資料（1）過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)（2）化工儀表及自動(dòng)化（3）自動(dòng)控制原理2.單元教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)步驟教學(xué)內(nèi)容及能力/知識(shí)目標(biāo)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)時(shí)間（分鐘）1234作業(yè)課后體會(huì)注：每個(gè)步驟占用的行數(shù)，可以按照實(shí)際需要增減。過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)31.單元教學(xué)設(shè)計(jì)單元標(biāo)題： 過(guò)程空太數(shù)學(xué)模型單元教學(xué)學(xué)時(shí)2在整體設(shè)計(jì)中的位置第3次授課班級(jí)自動(dòng)化1301上課時(shí)間周  月  日第  節(jié)至周  月  日第  節(jié)上課地點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)能力目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)1、 能夠建立簡(jiǎn)單系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)）2、 能夠利用實(shí)驗(yàn)測(cè)

11、取方法建立特殊系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1、 了解系統(tǒng)建模的兩種方法2、 了解幾種控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的類別3、 掌握傳遞函數(shù)的定義及構(gòu)建方法。1、 培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考及自學(xué)的能力。2、 能夠和所學(xué)過(guò)的高等數(shù)學(xué)知識(shí)聯(lián)系一塊，解決控制系統(tǒng)方面的問(wèn)題。能力訓(xùn)練任務(wù)及案例（指教學(xué)的主要內(nèi)容等）任務(wù)1.數(shù)學(xué)模型 1.1數(shù)學(xué)模型的概念過(guò)程特性的數(shù)學(xué)描述稱為過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型不僅是分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)方案的需要，也是控制系統(tǒng)投運(yùn)、控制器參數(shù)整定的需要。在操作優(yōu)化、故障和診斷方案制定等方面也是極其重要的。靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的一個(gè)特例。1.2數(shù)學(xué)模型的主要形式數(shù)學(xué)模型主要有兩種類型，一類是參量形式

12、，就是要用曲線或數(shù)據(jù)表格來(lái)表示，一類是非參量形式，就是用數(shù)學(xué)方程式來(lái)表示。動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的形式主要有以下幾種：（1） 微分方程（2） 傳遞函數(shù)（3） 微分方程（4） 差分方程及動(dòng)態(tài)方程 1.3數(shù)學(xué)模型建立的方法根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立的途徑不同，可分為機(jī)理建模、實(shí)測(cè)建模兩種方法，也可以將兩種方法結(jié)合起來(lái)。機(jī)理建?？梢栽谠O(shè)備投產(chǎn)之前，充分利用已知的過(guò)程知識(shí)，從本質(zhì)上能力訓(xùn)練任務(wù)及案例去了解對(duì)象的特性。任務(wù)2.傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)是經(jīng)典控制理論中廣泛采用的一種數(shù)學(xué)模型。利用傳遞函數(shù)不比求解微分方程就可以分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，以及系統(tǒng)參數(shù)或結(jié)構(gòu)變化對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響。（1） 傳遞函數(shù)的定義：系統(tǒng)輸出與輸入拉氏變換的比

13、值（2） 傳遞的性質(zhì)：五條（3） 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)從結(jié)構(gòu)上及作用原理上來(lái)看，有各種不同的元件，但從動(dòng)態(tài)性能或數(shù)學(xué)模型來(lái)看，卻可分成為數(shù)不多的基本環(huán)節(jié)，也就是典型環(huán)節(jié)。（分析學(xué)習(xí)教材例題，回顧所學(xué)的高數(shù)知識(shí)）（1） 比例環(huán)節(jié) 系統(tǒng)的輸出量與輸入量成比例關(guān)系的環(huán)節(jié)（2） 積分環(huán)節(jié) 輸出量是輸入量對(duì)時(shí)間的積分（3） 理想微分環(huán)節(jié)（4） 慣性環(huán)節(jié)（5） 一階微分環(huán)節(jié)（6） 二階振蕩環(huán)節(jié)（7） 純滯后環(huán)節(jié)任務(wù)3.過(guò)程動(dòng)態(tài)模型的實(shí)驗(yàn)測(cè)取在實(shí)際工作中，常常用實(shí)測(cè)的方法來(lái)研究對(duì)象的特性，它能比較可靠的建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，也可以對(duì)通過(guò)機(jī)理分析建立起來(lái)的數(shù)學(xué)模型加以驗(yàn)證或修改。在測(cè)試過(guò)程中需要主要一些事項(xiàng)為了獲

14、得動(dòng)態(tài)特性，必須使被研究的過(guò)程處于被激勵(lì)狀態(tài)。根據(jù)加入的激勵(lì)信號(hào)和結(jié)果的分析方法不同，測(cè)試動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)方法也不相同，常用的方法有時(shí)域法、頻率法和統(tǒng)計(jì)相關(guān)法。測(cè)試信號(hào)通常選階躍信號(hào)或矩形脈沖信號(hào)，由于被測(cè)對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線比較直觀的放映了其動(dòng)態(tài)特性，實(shí)驗(yàn)也比較簡(jiǎn)單，而且從響應(yīng)曲線直接求出其對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)，因此階躍輸入信號(hào)是時(shí)域測(cè)定法首選的輸入測(cè)試信號(hào)。教材及參考資料（指教材或講義、課件、參考資料、儀器、設(shè)備等）（1）過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)（2）化工儀表及自動(dòng)化（3）自動(dòng)控制原理2.單元教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)步驟教學(xué)內(nèi)容及能力/知識(shí)目標(biāo)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)時(shí)間（分鐘）1234作業(yè)課后體會(huì)注：每個(gè)步驟占用的行數(shù)，

15、可以按照實(shí)際需要那樣增減。過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)41.單元教學(xué)設(shè)計(jì)單元標(biāo)題：控制的控制規(guī)律1、雙位控制 2、比例控制單元教學(xué)學(xué)時(shí)2在整體設(shè)計(jì)中的位置第4次授課班級(jí)自動(dòng)化1301上課時(shí)間周  月  日第  節(jié)至周  月  日第  節(jié)上課地點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)能力目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)1、 能夠簡(jiǎn)述雙位控制的應(yīng)用實(shí)例2、 能夠?qū)Ρ壤刂浦械闹饕獏?shù)進(jìn)行求解1、掌握雙位控制和比例控制的定義及應(yīng)用特點(diǎn)。1、 培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考及自學(xué)的能力。能力訓(xùn)練任務(wù)及案例（指教學(xué)的主要內(nèi)容等）控制器的作用是對(duì)測(cè)量變送儀表送來(lái)的測(cè)量值和

16、其內(nèi)部或外部設(shè)置的設(shè)定值進(jìn)行比較得到偏差，然后按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生符合系統(tǒng)要求的信號(hào)去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器工作，以達(dá)到調(diào)節(jié)被控變量的目的?；究刂埔?guī)律只有四種：（1） 雙位控制規(guī)律（2） 比例控制規(guī)律（3） 積分控制規(guī)律（4） 微分控制規(guī)律 后三者控制規(guī)律通常稱為常規(guī)PID控制，是絕大多數(shù)過(guò)程控制系統(tǒng)采用的形式。任務(wù)1.雙位控制定義：雙位控制是指控制器輸入偏差連續(xù)變化時(shí)，其輸出信號(hào)只產(chǎn)生兩個(gè)值，相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也只在兩個(gè)位置工作。討論分析學(xué)習(xí)圖3-2，圖3-2是一個(gè)貯槽的液位雙位控制示意圖。雙位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)，但控制質(zhì)量較差，只能 應(yīng)用于允許被控變量在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)的場(chǎng)合

17、，如空調(diào)、電冰箱、加熱爐、恒溫箱的溫度控制，氣動(dòng)儀表氣源氣罐的壓力控制。能力訓(xùn)練任務(wù)及案例任務(wù)2.比例控制2.1 比例控制規(guī)律定義：比例控制規(guī)律指控制器輸出信號(hào)u隨輸入偏差信號(hào)e按一定比例關(guān)系變化的控制規(guī)律。用數(shù)學(xué)式表示為：u=Kpe式中，Kp 叫做比例放大倍數(shù)，也稱比例增益或比例系數(shù)，其值越大，輸出信號(hào)越大，即控制作用越強(qiáng)。所以Kp 是決定控制器比例控制作用強(qiáng)弱的參數(shù)。Kp 1,控制器是一臺(tái)信號(hào)放大的儀表，反之則是一臺(tái)信號(hào)縮小的儀表。2.2 比例度在過(guò)程控制儀表中，用來(lái)實(shí)現(xiàn)比例控制作用的參數(shù)并不是比例放大倍數(shù)，而是比例度。比例度和比例放大倍數(shù)成反比。在控制器上，比例度可以通過(guò)旋動(dòng)旋鈕或在相應(yīng)

18、欄填入數(shù)字來(lái)實(shí)現(xiàn)或者更改。比例度的范圍一般從百分之幾到百分之幾百。2.3 比例度對(duì)系統(tǒng)的影響分析圖3-5和表3-1，討論比例控制作用一下幾個(gè)特點(diǎn)（1） 比例度越小，系統(tǒng)的控制作用越強(qiáng)（2） 純粹的比例控制具有動(dòng)作迅速、反應(yīng)靈敏的特點(diǎn)。所以比例控制規(guī)律也是所有控制系統(tǒng)最基本、最普遍的控制規(guī)律。（3） 比例控制作用過(guò)強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)震蕩劇烈，穩(wěn)定性急劇下降甚至無(wú)法重新回復(fù)到原先的狀態(tài)，不可取。（4） 比例作用增強(qiáng)在一定范圍內(nèi)可以減小系統(tǒng)的余差，但是單純使用比例控制作用并不能完全消除余差。單純的比例控制適用于擾動(dòng)不大，滯后較小，負(fù)荷變化較小，工藝要求不高且允許有一定余差的場(chǎng)合。教材及參考資料（指教材或講義

19、、課件、參考資料、儀器、設(shè)備等）（1）過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)（2）化工儀表及自動(dòng)化（3）自動(dòng)控制原理2.單元教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)步驟教學(xué)內(nèi)容及能力/知識(shí)目標(biāo)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)時(shí)間（分鐘）1234作業(yè)課后體會(huì)注：每個(gè)步驟占用的行數(shù)，可以按照實(shí)際需要那樣增減過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)51.單元教學(xué)設(shè)計(jì)單元標(biāo)題： 控制規(guī)律1、比例積分控制 2、比例微分控制單元教學(xué)學(xué)時(shí)2在整體設(shè)計(jì)中的位置第 次授課班級(jí)自動(dòng)化1301上課時(shí)間周  月  日第  節(jié)至周  月  日第  節(jié)上課地點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)能力目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)1、能夠正切分析

20、比例積分、比例微分每個(gè)參數(shù)的實(shí)際對(duì)應(yīng)含義。1、掌握比例積分的定義及應(yīng)用特點(diǎn)2、掌握比例微分的定義及應(yīng)用特點(diǎn)1、培養(yǎng)學(xué)生把抽象理論與實(shí)際生產(chǎn)控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)，知行合一。能力訓(xùn)練任務(wù)及案例（指教學(xué)的主要內(nèi)容等）任務(wù)1.比例積分控制 1.1積分控制規(guī)律積分控制規(guī)律指控制器輸出信號(hào)u與輸入偏差信號(hào)e的積分成正比變化的控制規(guī)律。用數(shù)學(xué)表達(dá)式： 式中積分增益； 積分時(shí)間。積分控制器的輸出不僅與偏差的大小有關(guān)，還與偏差存在的時(shí)間有關(guān)，只要偏差存在，控制器輸出就會(huì)不斷累積，直至偏差為零它才會(huì)停止變化，意味著積分控制作用可以消除余差。1.2積分時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的影響和都能表示積分作用變化的快慢，二者成反比。實(shí)用中采用

21、積分時(shí)間實(shí)現(xiàn)積分控制作用。積分時(shí)間的范圍一般從幾秒到幾百秒。由上式還可以知道，值越大，其輸出信號(hào)越小，控制作用越弱；反之，值越小，其輸出信號(hào)越大，控制作用越強(qiáng)。如果輸入偏差信號(hào)e為階躍信號(hào)，設(shè)其常數(shù)A，則積分控制器的輸出為能力訓(xùn)練任務(wù)及案例該式子表明，積分控制器的輸出是一條隨時(shí)間變化的斜線，斜率為。分析圖3-6，當(dāng)較小時(shí)，積分曲線上升得較快，意味著積分控制作用越強(qiáng)；反之，較大時(shí)，積分曲線上升較慢，說(shuō)明積分控制作用越弱。圖3-6還表明，單純采用積分控制規(guī)律的話，控制器輸出在起始段信號(hào)很小，即控制作用很弱，遠(yuǎn)不如比例控制作用來(lái)得及時(shí)和迅速，所以積分規(guī)律不會(huì)單獨(dú)使用，而是經(jīng)常與比例規(guī)律配合使用總結(jié)積

22、分控制作用有如下特點(diǎn)：（1） 積分時(shí)間越小，系統(tǒng)的控制作用越強(qiáng)（2） 積分控制作用只要稍微加強(qiáng)就能很好地消除余差，對(duì)于保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性起到了不可替代的作用（3） 積分控制作用過(guò)強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)震蕩劇烈，穩(wěn)定性急劇下降甚至發(fā)散，這是正常系統(tǒng)不能允許的。1.3比例積分規(guī)律比例積分控制器既有比例作用能調(diào)節(jié)及時(shí)、迅速，又有積分作用能消除余差，合理配置比例度和積分時(shí)間兩個(gè)參數(shù)，就能滿足很多工藝生產(chǎn)場(chǎng)合的要求。任務(wù)2.比例微分控制 2.1微分控制規(guī)律微分控制規(guī)律指控制器輸出信號(hào)u與輸入偏差信號(hào)e對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比。理想的微分控制規(guī)律數(shù)學(xué)表達(dá)式：式中：為微分時(shí)間，表示微分控制作用的速度。2.2微分時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的影響

23、（1）微分時(shí)間越大，系統(tǒng)的微分控制作用越強(qiáng)。（2）微分控制作用令系統(tǒng)反應(yīng)極其迅速，所以應(yīng)使用在信號(hào)變化較慢或具有較大滯后的系統(tǒng)中，而不應(yīng)該使用在本身就反應(yīng)靈敏的系統(tǒng)中。（3）微分控制作用稍微加強(qiáng)便會(huì)使系統(tǒng)震蕩劇烈，穩(wěn)定性急劇下降甚至發(fā)散2.3比例微分控制規(guī)律理想的比例微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：PID控制器既有比例作用的及時(shí)迅速的優(yōu)勢(shì)，又有積分作用的消除余差的能力，還有微分作用的超前控制功能，所以是各種控制規(guī)律組合中功能最全、效果最好的一種。教材及參考資料（指教材或講義、課件、參考資料、儀器、設(shè)備等）（1）過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)（2）化工儀表及自動(dòng)化（3）自動(dòng)控制原理2.單元教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)步驟教學(xué)內(nèi)

24、容及能力/知識(shí)目標(biāo)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)時(shí)間（分鐘）1234作業(yè)課后體會(huì)注：每個(gè)步驟占用的行數(shù)，可以按照實(shí)際需要那樣增減過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)61.單元教學(xué)設(shè)計(jì)單元標(biāo)題：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)1、簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)2、被控變量與操縱變量單元教學(xué)學(xué)時(shí)在整體設(shè)計(jì)中的位置第 次授課班級(jí)自動(dòng)化1301上課時(shí)間周  月  日第  節(jié)至周  月  日第  節(jié)上課地點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)能力目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)1、能夠正確分析單回路控制系統(tǒng)的控制過(guò)程2、能夠根據(jù)控制要求正確選擇被控變量1、掌握單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成2、掌握被控變量選擇的原則1、

25、培養(yǎng)學(xué)生靜心看書的習(xí)慣（本教材理論性較強(qiáng)，學(xué)生基礎(chǔ)比較差，學(xué)習(xí)起來(lái)具有一定的難度。）能力訓(xùn)練任務(wù)及案例（指教學(xué)的主要內(nèi)容等）任務(wù)1.單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)，指僅由一個(gè)被控過(guò)程（或）被控對(duì)象、一個(gè)測(cè)量變送裝置、一個(gè)控制器（或稱調(diào)節(jié)器）和一個(gè)執(zhí)行器（如調(diào)節(jié)器）所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，也稱為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。作為復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最基本的控制系統(tǒng)，約占工業(yè)控制系統(tǒng)的80%。1.1 單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在建立一套單回路控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該被控對(duì)象特性分析后選擇測(cè)量變送裝置、執(zhí)行器和控制器控制規(guī)律，并對(duì)所組成控制系統(tǒng)進(jìn)行控制品質(zhì)分析，在滿足生產(chǎn)過(guò)程需要的情況下才能投運(yùn)到

26、生產(chǎn)過(guò)程中。1.2 控制過(guò)程分析對(duì)控制過(guò)程的分析，首先應(yīng)了解生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制提出的要求時(shí)什么，才能根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的需要建立控制系統(tǒng)。以圖4-1工業(yè)換熱器生產(chǎn)過(guò)程為例，分析控制過(guò)程。在這些因素中，除外界環(huán)境溫度變化不可控制外，可通過(guò)對(duì)蒸汽量的調(diào)節(jié)或?qū)錈o(wú)聊量的調(diào)節(jié)控制換熱器出口溫度。1.3 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)要建立一套單回路控制系統(tǒng)，首先確定單回路控制系統(tǒng)的四個(gè)基本能力訓(xùn)練任務(wù)及案例環(huán)節(jié)，即被控對(duì)象、控制器、執(zhí)行器及測(cè)量變送環(huán)節(jié)。在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要任務(wù)是被控變量和操縱變量的選擇、建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型、控制器的設(shè)計(jì)、測(cè)量變送裝置和執(zhí)行器的選型。任務(wù)2.被控變量的選擇 根據(jù)已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識(shí)可

27、知，對(duì)任何一個(gè)需要控制的生產(chǎn)過(guò)程，首先要找出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，了解其被控對(duì)象的特性才能根據(jù)其需求設(shè)計(jì)出質(zhì)量保證的控制系統(tǒng)。2.1 生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)要保證以下參數(shù)穩(wěn)定在工藝生產(chǎn)要求的范圍內(nèi)。（1）對(duì)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量起決定作用的參數(shù)（2）對(duì)安全生產(chǎn)起決定作用的因素（3）能直接鑒定產(chǎn)品質(zhì)量的工藝參數(shù)。（4）有些工藝變量雖然不直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，但對(duì)生產(chǎn)過(guò)程有十分重要的意義2.2 被控變量的選擇應(yīng)按照生產(chǎn)工藝過(guò)程需要進(jìn)行選擇，當(dāng)然在選擇過(guò)程中，根據(jù)對(duì)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)的儀器儀表或檢測(cè)手段的差異，或不同過(guò)程參數(shù)對(duì)應(yīng)的過(guò)程結(jié)構(gòu)不同，選擇方法是不同的。具體的被控變量選擇原則如下：（1）被控變量的直接

28、選擇方法：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中希望控制好的重要工藝參數(shù)，其參數(shù)反應(yīng)靈敏（2）被控變量的間接選擇方法：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中希望控制好的重要工藝參數(shù)。雖有較成熟的檢測(cè)手段，但其檢測(cè)過(guò)程滯后大或檢測(cè)出的信號(hào)微弱，這時(shí)應(yīng)選擇與這些參數(shù)有意義對(duì)應(yīng)關(guān)系的易于檢測(cè)和變化大的參數(shù)作為被控變量。（3）被控變量的選擇應(yīng)考慮是否符合工藝上的合理性和生產(chǎn)過(guò)程對(duì)自動(dòng)化水平的要求。教材及參考資料（指教材或講義、課件、參考資料、儀器、設(shè)備等）（1）過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)（2）化工儀表及自動(dòng)化（3）自動(dòng)控制原理2.單元教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)步驟教學(xué)內(nèi)容及能力/知識(shí)目標(biāo)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)時(shí)間（分鐘）1234作業(yè)課后體會(huì)注：每個(gè)步驟占用的行數(shù)，可以按照實(shí)際需

29、要那樣增減過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)71.單元教學(xué)設(shè)計(jì)單元標(biāo)題：被控變量和操縱變量的選擇單元教學(xué)學(xué)時(shí)在整體設(shè)計(jì)中的位置第 次授課班級(jí)自動(dòng)化1301上課時(shí)間周  月  日第  節(jié)至周  月  日第  節(jié)上課地點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)能力目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)1、能夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇正確的操縱變量。1、掌握操縱變量選擇的依據(jù)1、培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力。能力訓(xùn)練任務(wù)及案例（指教學(xué)的主要內(nèi)容等）任務(wù)1.被控變量的選擇舉例直接被控變量選擇如圖4-3的工業(yè)換熱器，直接選擇換熱后的物料溫度為被控比量。（1）在氨合成塔中，需要分析N2，

30、H2，成分分析滯后大，不宜直接作為被控變量。因合成反應(yīng)是放熱反應(yīng)，故其反應(yīng)溫度能間接反映合成率的大小，則選反應(yīng)溫度作為被控變量。（2）在某生產(chǎn)廠要對(duì)其生產(chǎn)的飽和蒸汽質(zhì)量進(jìn)行控制，提出下面三種方案：1）將壓力P和溫度T都選為被控變量；2）將壓力P選為被控變量；3）將溫度T選為被控變量。正確選擇：方案2和方案3.（3）分析圖4-4，是一個(gè)笨-甲苯二元體系精餾過(guò)程，它是充分利用被分離物各組分揮發(fā)程度的不同，把混合物分離成較純的產(chǎn)品。能力訓(xùn)練任務(wù)及案例任務(wù)2.操縱變量的選擇確定被控變量之后，下一步是如何構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單控制回路，選擇一個(gè)合適的操縱變量去克服擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響。在生產(chǎn)過(guò)程中，能影響被控變量

31、變化的因素往往有若干個(gè)而不是唯一的。設(shè)計(jì)人員要在熟悉和掌握生產(chǎn)工藝機(jī)理的基礎(chǔ)上，認(rèn)真分析生產(chǎn)過(guò)程中有哪些因素會(huì)影響被控變量發(fā)生變化，在諸多影響被控變量的因素中選擇一個(gè)對(duì)被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入變量作為操縱變量。在生產(chǎn)過(guò)程中，干擾是客觀存在的，它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操縱的因素，而操縱變量是克服干擾的影響，使控制系統(tǒng)重新穩(wěn)定運(yùn)行的因素。因此，正確選擇一個(gè)可控性良好的操縱變量，可使控制系統(tǒng)有效克服干擾的影響，以保證生產(chǎn)過(guò)程平穩(wěn)操作。操縱變量的選擇應(yīng)從下面幾個(gè)方面考慮：（1） 操縱變量選擇要考慮工藝上的合理性，除物料平衡調(diào)節(jié)外，一般避免主物料流量為操縱變量。（2） 操縱變量的選擇要從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩

32、方面進(jìn)行考慮，即控制通道克服干擾的校正能力要強(qiáng)，控制通道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要較干擾通道動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。分析圖4-8靜態(tài)特性參數(shù)K0 、Kf 對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量的影響。得到結(jié)論：控制系統(tǒng)的余差與K0 、Kf 關(guān)系是：K0 大，控制系統(tǒng)余差小，Kf 小，控制余差小。因此，操縱變量的選擇從靜態(tài)考慮：希望控制通道靜態(tài)放大倍數(shù)K0 大些好，這樣控制通道抗干擾能力強(qiáng)。分析動(dòng)態(tài)特性參數(shù)T、t對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量的影響（1） 干擾通道Tf ,tf 對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量的影響。1） 時(shí)間常數(shù)Tf 的影響，分析圖4-9，從圖可知，Tf 越大，曲線yf (t)圖越平滑，擾動(dòng)通道濾波作用越強(qiáng)，干擾對(duì)被控變量的影響越緩和。2） 純滯后時(shí)間tf 對(duì)

33、系統(tǒng)質(zhì)量的影響，分析圖4-11，可知當(dāng)干擾通道存在時(shí)滯時(shí)，干擾通道的時(shí)滯不會(huì)影響控制系統(tǒng)質(zhì)量，只是被控變量的過(guò)渡過(guò)程在時(shí)間上平移了tf 距離。（2） 控制通道T0，to 對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量的影響。 控制通道T0 大，則控制作用反應(yīng)速度慢，容易產(chǎn)生大的超調(diào)，且過(guò)渡時(shí)間延長(zhǎng)，則控制質(zhì)量變差。相反，反應(yīng)過(guò)于靈敏，容易引起過(guò)度的震蕩，也降低控制質(zhì)量。教材及參考資料（指教材或講義、課件、參考資料、儀器、設(shè)備等） （1）過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)（2）化工儀表及自動(dòng)化（3）自動(dòng)控制原理2.單元教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)步驟教學(xué)內(nèi)容及能力/知識(shí)目標(biāo)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)時(shí)間（分鐘）1234作業(yè)課后體會(huì)注：每個(gè)步驟占用的行數(shù)，可以按照實(shí)際

34、需要那樣增減過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)81.單元教學(xué)設(shè)計(jì)單元標(biāo)題：檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的選擇 單元教學(xué)學(xué)時(shí)2在整體設(shè)計(jì)中的位置第8次授課班級(jí)自動(dòng)化1301上課時(shí)間周  月  日第  節(jié)至周  月  日第  節(jié)上課地點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)能力目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)1、能夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求正確選擇檢測(cè)變送環(huán)節(jié)。1、理解過(guò)程參數(shù)測(cè)量的意義及在控制系統(tǒng)中擔(dān)任的任務(wù)2、掌握檢測(cè)變送環(huán)節(jié)選擇的依據(jù)。3、掌握克服測(cè)量滯后的措施1、培養(yǎng)用聯(lián)系的思維思考問(wèn)題能力訓(xùn)練任務(wù)及案例（指教學(xué)的主要內(nèi)容等）任務(wù)1.操縱變量的選擇舉例分析圖4-12合成氨生產(chǎn)過(guò)程