《過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)》課

課程單元教學(xué)設(shè)討

（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：_______________________

制定時間：20152____________

河南化工職業(yè)學(xué)院

《過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)》課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)1

L單元教學(xué)設(shè)計(jì)

單元標(biāo)題：自動控制系統(tǒng)概述單元教學(xué)學(xué)時2

在整體設(shè)計(jì)中的位置第1次

周月日第節(jié)

授課上課上課

自動化1301至

班級時間周月日第節(jié)地點(diǎn)

能力目標(biāo)知識目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)

教學(xué)1、能夠區(qū)分控制系統(tǒng)

1、了解過程控制系統(tǒng)的

的不同組成部分，及

基本概念1、培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維能

目標(biāo)不同的控制系統(tǒng)

2掌握控制系統(tǒng)過渡過力及獨(dú)立思考的能力。

2能夠正確分析控制

程及品質(zhì)指標(biāo)

系統(tǒng)的性能

(指教學(xué)的主要內(nèi)容等)

任務(wù)1自動控制系統(tǒng)相關(guān)知識

L1過程控制系統(tǒng)的基本概念

自動控制就是在沒人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或者

過程自動的按照預(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)，

能力(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)；

訓(xùn)練(3)宇宙飛船能夠在月球和其他星球著陸探測后返回地球

任務(wù)L2過程控制系統(tǒng)的任務(wù)

及過程控制是自動控制學(xué)科的一門分支，是對過程控制系統(tǒng)的分析和設(shè)

案例計(jì)。

L3過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)被控對象的多樣性

(2)對象存在滯后

(3)對象特性的非線性

(4)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜

L4自動控制理論的發(fā)展

分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論

1

任務(wù)2自動控制系統(tǒng)的組成和分類

21自動控制系統(tǒng)的組成

分析圖1T,1-2理解被控對象、檢測元件和變送器、控制器、執(zhí)行

器、比較機(jī)構(gòu)、被控變量x設(shè)定值為偏差e操縱變量q擾動fo

22過程控制系統(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，將自動控制系統(tǒng)分三類：定制控制系統(tǒng)、

隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。

任務(wù)3自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)

31過渡控制系統(tǒng)的過渡過程

在擾動的作用下，控制系統(tǒng)從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定狀態(tài)的

過程叫過渡過程。

能力把被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)稱為靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)，而把被控變

訓(xùn)練量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)稱為動態(tài)或瞬態(tài)。

任務(wù)在階躍擾動作用下，過程控制系統(tǒng)的過渡過程將出現(xiàn)如圖1Y的兒種

形式。

及

(1)發(fā)散震蕩過程

案例(2)等幅震蕩過程

(3)衰減震蕩過程(穩(wěn)定迅速準(zhǔn)確，是所希望的)

(4)非振蕩衰減過程(不是理想的不宜采用)

(5)非振蕩發(fā)散過程(生產(chǎn)中不希望的)

32過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)

對過程控制系統(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

分析討論圖學(xué)習(xí)最大偏差、衰減比、余差、振蕩周期等幾個參

數(shù)的計(jì)算。

(1)過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

(2)化工儀表及自動化

(3)自動控制原理

教材

及參

考資

料

2

2單元教學(xué)過程設(shè)計(jì)

步教學(xué)內(nèi)容及能力時間

教師活動學(xué)生活動

驟抑識目標(biāo)（分鐘）

簡單總結(jié)提問上一在教師的引導(dǎo)下回

復(fù)習(xí)上一個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)顧知識點(diǎn)，并回答5

1難點(diǎn)教師的問題

授課教授教材內(nèi)容聽課70

2

討論提出問題分組進(jìn)行討論10

3

在教師引導(dǎo)下把所

對講授的知識進(jìn)行

總結(jié)學(xué)的知識串聯(lián)起5

總結(jié)

4來，加深理解

作

業(yè)

課

后

體

會

注：每個步驟占用的行數(shù)，可以按照實(shí)際需要增減。

3

《過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)》課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)2

L單元教學(xué)設(shè)計(jì)

單元標(biāo)題：過程特性單元教學(xué)學(xué)時2

在整體設(shè)計(jì)中的位置第2次

周月日第節(jié)

授課上課上課

自動化1301至

班級時間周月日第節(jié)地點(diǎn)

能力目標(biāo)知識目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)

、掌握控制系統(tǒng)的靜

教學(xué)1

1、能夠正確分析控制態(tài)與動態(tài)的定義及

系統(tǒng)的過程特性特點(diǎn)性質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考

目標(biāo)1

2能夠正確的分析對2掌握對象特性三大及自學(xué)的能力。

象的特性參數(shù)參數(shù)的定義及在控

制系統(tǒng)的意義

（指教學(xué)的主要內(nèi)容等）

任務(wù)L控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)

在定制控制系統(tǒng)中，將被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)

的靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)），而把被控變量歲時間而變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(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不變的值上，這

只有當(dāng)進(jìn)入被控對象的物料量和流出對象的物料量相等時才有可能。

能力

平衡狀態(tài)是暫時的、相對的、有條件的，不平衡狀態(tài)才是普遍的、絕

訓(xùn)練

對的、無條件的。

任務(wù)

在生產(chǎn)過程中，干擾是客觀存在的，不可避免的，了解系統(tǒng)的動態(tài)更

及

為重要。研究自動控制控制系統(tǒng)的重點(diǎn)就是要研究系統(tǒng)的動態(tài)。

案例

任務(wù)2過程特性的類型

在研究過程特性時，應(yīng)該預(yù)先指明對象的輸入變量是什么，輸出變量

是什么，因?yàn)閷τ谕瑯右粋€對象，輸入變量或輸出變量不相同時，它們間

的關(guān)系也是不相同的。

工業(yè)過程中常采用階躍輸入信號作用下過程的相應(yīng)表示過程的動態(tài)特

性。典型的工作過程動態(tài)特性分為以下四類。

4

21自衡的非振蕩過程

在外部階躍輸入信號作用下，過程原有的平衡狀態(tài)被破壞，并在外部

信號作用下自動地非振蕩地穩(wěn)定到一個新的穩(wěn)態(tài)，這類工業(yè)過程成為具有

自衡的非振蕩過程。（分析圖D

22無自衡的非振蕩過程

這類過程沒有自衡能力，它在階躍輸入信號的作用下的輸出響應(yīng)曲線

無震蕩地從一個穩(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）

23有自衡的震蕩過程

這類過程有自衡能力，在階躍信號的作用下，輸出響應(yīng)呈現(xiàn)衰減震蕩

特性，最終過程會趨于新的穩(wěn)態(tài)。（分析圖2-0

24具有反響特性的過程

在階躍信號的作用下，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”

能力

任務(wù)3過程特性的一般分析

訓(xùn)練

對象的特性可以通過其數(shù)學(xué)模型來描述，在實(shí)際工作中，常用下面三

任務(wù)

個物理量來表示對象的特性，也就是對象的特性參數(shù)。

及

31放大系數(shù)K

案例

K在數(shù)值上等于對象重新穩(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，通過對象就放大了K倍

變化為輸出變化量。K被稱為對象的放大系數(shù)。

32時間常數(shù)T

在自動化領(lǐng)域中，往往用時間常數(shù)T來表示，時間常數(shù)越大，表示對

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)值所需的時間越

長。

33滯后時間t

（1）時滯稱為純滯后，一般由于介質(zhì)的輸送需要一段時間而引起的。

（分析圖2~不

（2）容量之后，有些對象在受到階躍輸入作用開始變化緩慢，后來才

逐漸加快，最后又變得直至逐漸接近穩(wěn)態(tài)值，這種現(xiàn)象叫容量滯后或過渡

滯后。（分析參考圖分一8）

（1）過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

（2）化工儀表及自動化

（3）自動控制原理

教材

及參

考資

料

5

2單元教學(xué)過程設(shè)計(jì)

步教學(xué)內(nèi)容及能力時間

教師活動學(xué)生活動

驟抑識目標(biāo)（分鐘）

1

2

3

4

作

業(yè)

課

后

體

會

注：每個步驟占用的行數(shù)，可以按照實(shí)際需要增減。

6

《過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)》課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)3

L單元教學(xué)設(shè)計(jì)

單元標(biāo)題：過程空太數(shù)學(xué)模型單元教學(xué)學(xué)時2

在整體設(shè)計(jì)中的位置第3次

周月日第節(jié)

授課上課上課

自動化1301至

班級時間周月日第節(jié)地點(diǎn)

能力目標(biāo)知識目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)

1、能夠建立簡單系統(tǒng)1、了解系統(tǒng)建模的兩1、培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思

教學(xué)

的數(shù)學(xué)模型（傳遞函種方法考及自學(xué)的能力。

數(shù)）2了解幾種控制系統(tǒng)2能夠和所學(xué)過的高

目標(biāo)

2能夠利用實(shí)驗(yàn)測取數(shù)學(xué)模型的類別等數(shù)學(xué)知識聯(lián)系一

方法建立特殊系統(tǒng)3,掌握傳遞函數(shù)的定塊，解決控制系統(tǒng)方

的數(shù)學(xué)模型義及構(gòu)建方法。面的問題。

（指教學(xué)的主要內(nèi)容等）

任務(wù)L數(shù)學(xué)模型

L1數(shù)學(xué)模型的概念

過程特性的數(shù)學(xué)描述稱為過程的數(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)模型是動態(tài)數(shù)學(xué)模型在達(dá)到平衡狀態(tài)時的一個特例。

能力L2數(shù)學(xué)模型的主要形式

訓(xùn)練數(shù)學(xué)模型主要有兩種類型，一類是參量形式，就是要用曲線或數(shù)據(jù)表

任務(wù)格來表示，一類是非參量形式，就是用數(shù)學(xué)方程式來表示。

及動態(tài)數(shù)學(xué)模型的形式主要有以下幾種：

案例（1）微分方程

（2）傳遞函數(shù)

（3）微分方程

（4）差分方程及動態(tài)方程

L3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)測建模兩種方法，

也可以將兩種方法結(jié)合起來。

機(jī)理建?？梢栽谠O(shè)備投產(chǎn)之前，充分利用已知的過程知識，從本質(zhì)上

7

去了解對象的特性。

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)的動態(tài)性能，以及系統(tǒng)參數(shù)或結(jié)構(gòu)變化

對動態(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)上及作用原理上來看，有各種不同的元件，但從動態(tài)性能或數(shù)

學(xué)模型來看，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)

(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)

能力(2)積分環(huán)節(jié)輸出量是輸入量對時間的積分

訓(xùn)練(3)理想微分環(huán)節(jié)

任務(wù)(4)慣性環(huán)節(jié)

及(5)一階微分環(huán)節(jié)

案例(6)二階振蕩環(huán)節(jié)

(7)純滯后環(huán)節(jié)

任務(wù)3過程動態(tài)模型的實(shí)驗(yàn)測取

在實(shí)際工作中，常常用實(shí)測的方法來研究對象的特性，它能比較可靠

的建立對象的數(shù)學(xué)模型，也可以對通過機(jī)理分析建立起來的數(shù)學(xué)模型加以

驗(yàn)證或修改。

在測試過程中需要主要一些事項(xiàng)

為了獲得動態(tài)特性，必須使被研究的過程處于被激勵狀態(tài)。

根據(jù)加入的激勵信號和結(jié)果的分析方法不同，測試動態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)方

法也不相同，常用的方法有時域法、頻率法和統(tǒng)計(jì)相關(guān)法。

測試信號通常選階躍信號或矩形脈沖信號，由于被測對象的階躍響應(yīng)

曲線比較直觀的放映了其動態(tài)特性，實(shí)驗(yàn)也比較簡單，而且從響應(yīng)曲線直

接求出其對應(yīng)的傳遞函數(shù)，因此階躍輸入信號是時域測定法首選的輸入測

試信號。

(指教材或講義、課件、參考資料、儀器、設(shè)備等)

(1)過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

(2)化工儀表及自動化

教材(3)自動控制原理

及參

考資

料

8

2單元教學(xué)過程設(shè)計(jì)

步教學(xué)內(nèi)容及能力時間

教師活動學(xué)生活動

驟抑識目標(biāo)（分鐘）

1

2

3

4

作

業(yè)

課

后

體

會

注：每個步驟占用的行數(shù)，可以按照實(shí)際需要那樣增減。

9

《過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)》課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)4

L單元教學(xué)設(shè)計(jì)

單元標(biāo)題：控制的控制規(guī)律單元教學(xué)學(xué)時2

1、雙位控制2、比例控制

在整體設(shè)計(jì)中的位置第4次

周月日第節(jié)

授課上課上課

自動化1301至

班級時間周月日第節(jié)地點(diǎn)

能力目標(biāo)知識目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)

教學(xué)1、能夠簡述雙位控制

的應(yīng)用實(shí)例1、掌握雙位控制和比例1、培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思

目標(biāo)2能夠?qū)Ρ壤刂浦锌刂频亩x及應(yīng)用特考及自學(xué)的能力。

的主要參數(shù)進(jìn)行求點(diǎn)。

解

（指教學(xué)的主要內(nèi)容等）

控制器的作用是對測量變送儀表送來的測量值和其內(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)要求的信號去驅(qū)動執(zhí)行器工作，以達(dá)到調(diào)節(jié)被控變量的目的。

基本控制規(guī)律只有四種：

（1）雙位控制規(guī)律

（2）比例控制規(guī)律

能力（3）積分控制規(guī)律

訓(xùn)練（4）微分控制規(guī)律

任務(wù)后三者控制規(guī)律通常稱為常規(guī)PID控制，是絕大多數(shù)過程控制系統(tǒng)采

用的形式。

案例任務(wù)L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，其輸出信號只產(chǎn)生

兩個值，相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也只在兩個位置工作。

討論分析學(xué)習(xí)圖3-2圖3—2是一個貯槽的液位雙位控制示意圖。

雙位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、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小范圍內(nèi)波動的場合，如空調(diào)、電冰箱、加熱爐、

恒溫箱的溫度控制，氣動儀表氣源氣罐的壓力控制。

10

任務(wù)2比例控制

21比例控制規(guī)律

定義：比例控制規(guī)律指控制器輸出信號u隨輸入偏差信號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：

式中，K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

信號越大，即控制作用越強(qiáng)。所以K是決定控制器比例控制作用強(qiáng)弱的參

數(shù)。

K>1,控制器是一臺信號放大的儀表,反之則是一臺信號縮小的儀表。

22比例度

在過程控制儀表中，用來實(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。

能力比例度和比例放大倍數(shù)成反比。

訓(xùn)練在控制器上，比例度可以通過旋動旋鈕或在相應(yīng)欄填入數(shù)字來實(shí)現(xiàn)或

任務(wù)者更改。比例度的范圍一般從百分之幾到百分之幾百。

23比例度對系統(tǒng)的影響

及分析圖A5和表3-L討論比例控制作用一下幾個特點(diǎn)

案例(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)比例控制作用過強(qiáng)會使系統(tǒng)震蕩劇烈，穩(wěn)定性急劇下降甚至無

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合。

(指教材或講義、課件、參考資料、儀器、設(shè)備等)

(1)過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

(2)化工儀表及自動化

教材(3)自動控制原理

及參

考資

料

11

2單元教學(xué)過程設(shè)計(jì)

步教學(xué)內(nèi)容及能力時間

教師活動學(xué)生活動

驟抑識目標(biāo)（分鐘）

1

2

3

4

作

業(yè)

課

后

體

會

注：每個步驟占用的行數(shù)，可以按照實(shí)際需要那樣增減

12

《過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)》課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)5

L單元教學(xué)設(shè)計(jì)

單元標(biāo)題：控制規(guī)律單元教學(xué)學(xué)時2

1、比例積分控制2、比例微分控制

在整體設(shè)計(jì)中的位置第次

授課上課周月日第節(jié)上課

自動化1301至

班級時間周月日第節(jié)地點(diǎn)

能力目標(biāo)知識目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)

教學(xué)1、掌握比例積分的定義

1、能夠正切分析比例積及應(yīng)用特點(diǎn)1、培養(yǎng)學(xué)生把抽象理論

目標(biāo)分、比例微分每個參數(shù)2掌握比例微分的定義與實(shí)際生產(chǎn)控制技術(shù)結(jié)

的實(shí)際對應(yīng)含義。及應(yīng)用特點(diǎn)合起來，知行合一。

（指教學(xué)的主要內(nèi)容等）

任務(wù)L比例積分控制

11積分控制規(guī)律

積分控制規(guī)律指控制器輸出信號u與輸入偏差信號e的積分成正比變

化的控制規(guī)律。用數(shù)學(xué)表達(dá)式：

f]1

u=kjedf=一^edt

o40

能力式中用一一積分增益；

訓(xùn)練z—積分時間。

任務(wù)積分控制器的輸出不僅與偏差的大小有關(guān)，還與偏差存在的時間有

及關(guān)，只要偏差存在，控制器輸出就會不斷累積，直至偏差為零它才會停止

案例變化，意味著積分控制作用可以消除余差。

L2積分時間對系統(tǒng)的影響

弓和%都能表示積分作用變化的快慢，二者成反比。實(shí)用中采用積分

時間刀實(shí)現(xiàn)積分控制作用。積分時間的范圍一般從兒秒到兒百秒。

由上式還可以知道，（值越大，其輸出信號越小，控制作用越弱；反

之，7值越小，其輸出信號越大，控制作用越強(qiáng)。

如果輸入偏差信號e為階躍信號，設(shè)其常數(shù)A則積分控制器的輸出

為

13

17414

u=—\eclt=—At

TJT

0》

A

該式子表明，積分控制器的輸出是一條隨時間變化的斜線，斜率為】o

分析圖3-6當(dāng)［較小時，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，積分曲線上升較慢，說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

號很小，即控制作用很弱，遠(yuǎn)不如比例控制作用來得及時和迅速，所以積

分規(guī)律不會單獨(dú)使用，而是經(jīng)常與比例規(guī)律配合使用

總結(jié)積分控制作用有如下特點(diǎn)：

（1）積分時間越小，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）積分控制作用過強(qiáng)會使系統(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。

能力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、迅速，又有積分作用能消

訓(xùn)練

除余差，合理配置比例度和積分時間兩個參數(shù)，就能滿足很多工藝生產(chǎn)場

任務(wù)的蛉

及￡務(wù)2比例微分控制

案例21微分控制規(guī)律

微分控制規(guī)律指控制器輸出信號u與輸入偏差信號e對時間的導(dǎo)數(shù)成

_de

U=Try--

正比。理想的微分控制規(guī)律數(shù)學(xué)表達(dá)式：dt

式中：弓為微分時間，表示微分控制作用的速度。

22微分時間對系統(tǒng)的影響

（1）微分時間越大，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

u=Kple+Tn?。?/p>

理想的比例微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：dt

PID控制器既有比例作用的及時迅速的優(yōu)勢，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（指教材或講義、課件、參考資料、儀器、設(shè)備等）

（1）過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

及參（2）化工儀表及自動化

考資（3）自動控制原理

料

14

2單元教學(xué)過程設(shè)計(jì)

步教學(xué)內(nèi)容及能力時間

教師活動學(xué)生活動

驟抑識目標(biāo)（分鐘）

1

2

3

4

作

業(yè)

課

后

體

會

注：每個步驟占用的行數(shù)，可以按照實(shí)際需要那樣增減

15

《過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)》課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)6

L單元教學(xué)設(shè)計(jì)

單元標(biāo)題：單回路控制系統(tǒng)單元教學(xué)學(xué)時

1、簡單控制系統(tǒng)2、被控變量與操縱變量

在整體設(shè)計(jì)中的位置第次

授課上課周月日第節(jié)上課

自動化1301至

班級時間周月日第節(jié)地點(diǎn)

能力目標(biāo)知識目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)

教學(xué)1、培養(yǎng)學(xué)生靜心看書的

1、能夠正確分析單回路1、掌握單回路控制系統(tǒng)

習(xí)慣（本教材理論性較

控制系統(tǒng)的控制過程的結(jié)構(gòu)組成

目標(biāo)強(qiáng)，學(xué)生基礎(chǔ)比較差，

2能夠根據(jù)控制要求正2掌握被控變量選擇的

學(xué)習(xí)起來具有一定的難

確選擇被控變量原則

度。）

（指教學(xué)的主要內(nèi)容等）

任務(wù)L單回路控制系統(tǒng)

單回路控制系統(tǒng)，指僅由一個被控過程（或）被控對象、一個測量變

送裝置、一個控制器（或稱調(diào)節(jié)器）和一個執(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)，也稱為簡單控制系統(tǒng)。

作為復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，簡單控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中最基本的

控制系統(tǒng)，約占工業(yè)控制系統(tǒng)的83

能力11單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

訓(xùn)練在建立一套單回路控制系統(tǒng)時，應(yīng)該被控對象特性分析后選擇測量變

任務(wù)送裝置、執(zhí)行器和控制器控制規(guī)律，并對所組成控制系統(tǒng)進(jìn)行控制品質(zhì)分

析，在滿足生產(chǎn)過程需要的情況下才能投運(yùn)到生產(chǎn)過程中。

案例L2控制過程分析

對控制過程的分析，首先應(yīng)了解生產(chǎn)過程對控制提出的要求時什么，

才能根據(jù)生產(chǎn)過程的需要建立控制系統(tǒng)。

以圖4—1工業(yè)換熱器生產(chǎn)過程為例，分析控制過程。

在這些因素中，除外界環(huán)境溫度變化不可控制外，可通過對蒸汽量的

調(diào)節(jié)或?qū)錈o聊量的調(diào)節(jié)控制換熱器出口溫度。

13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)的四個基本

16

環(huán)節(jié)，即被控對象、控制器、執(zhí)行器及測量變送環(huán)節(jié)。在簡單控制系統(tǒng)設(shè)

計(jì)中，主要任務(wù)是被控變量和操縱變量的選擇、建立被控對象的數(shù)學(xué)模型、

控制器的設(shè)計(jì)、測量變送裝置和執(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)過的知識可知，對任何一個需要控制的生產(chǎn)過程，首先要

找出被控對象的數(shù)學(xué)模型，了解其被控對象的特性才能根據(jù)其需求設(shè)計(jì)出

質(zhì)量保證的控制系統(tǒng)。

21生產(chǎn)過程中自動控制系統(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)對產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量起決定作用的參數(shù)

(2)對安全生產(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，但對生產(chǎn)過程

能力有十分重要的意義

22被控變量的選擇應(yīng)按照生產(chǎn)工藝過程需要進(jìn)行選擇，當(dāng)然在選擇

訓(xùn)練過程中，根據(jù)對過程參數(shù)檢測的儀器儀表或檢測手段的差異，或不同過程

任務(wù)參數(shù)對應(yīng)的過程結(jié)構(gòu)不同，選擇方法是不同的。具體的被控變量選擇原則

及如下：

案例(1)被控變量的直接選擇方法：對生產(chǎn)過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：對生產(chǎn)過程中希望控制好的重要工藝

參數(shù)。雖有較成熟的檢測手段，但其檢測過程滯后大或檢測出的信號微弱，

這時應(yīng)選擇與這些參數(shù)有意義對應(yīng)關(guān)系的易于檢測和變化大的參數(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)過程對自

動化水平的要求。

(指教材或講義、課件、參考資料、儀器、設(shè)備等)

(1)過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

(2)化工儀表及自動化

教材(3)自動控制原理

及參

考資

料

17

2單元教學(xué)過程設(shè)計(jì)

步教學(xué)內(nèi)容及能力時間

教師活動學(xué)生活動

驟抑識目標(biāo)（分鐘）

1

2

3

4

作

業(yè)

課

后

體

會

注：每個步驟占用的行數(shù)，可以按照實(shí)際需要那樣增減

18

《過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)》課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)7

L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單元教學(xué)學(xué)時

擇,在整體設(shè)計(jì)中的位置第次

授課上課周月日第節(jié)上課

自動化1301至

班級時間周月日第節(jié)地點(diǎn)

能力目標(biāo)知識目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)

教學(xué)

1、能夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求選1、掌握操縱變量選擇的1、培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的

目標(biāo)

擇正確的操縱變量。依據(jù)能力。

（指教學(xué)的主要內(nèi)容等）

任務(wù)L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N,H,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

能力大小，則選反應(yīng)溫度作為被控變量。

訓(xùn)練（2）在某生產(chǎn)廠要對其生產(chǎn)的飽和蒸汽質(zhì)量進(jìn)行控制，提出下面三種

任務(wù)方案：

及1）將壓力P和溫度T都選為被控變量；

案例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4T,是一個笨呷苯二元體系精儲過程，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。

19

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)成一個簡單控制回路，選擇一個

合適的操縱變量去克服擾動對被控變量的影響。在生產(chǎn)過程中，能影響被

控變量變化的因素往往有若干個而不是唯一的。

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)過程

中有哪些因素會影響被控變量發(fā)生變化，在諸多影響被控變量的因素中選

擇一個對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)過程平穩(wěn)操作。

操縱變量的選擇應(yīng)從下面兒個方面考慮：

(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。

能力(2)操縱變量的選擇要從靜態(tài)和動態(tài)兩方面進(jìn)行考慮，即控制通

訓(xùn)練道克服干擾的校正能力要強(qiáng)，控制通道的動態(tài)響應(yīng)要較干擾

任務(wù)通道動態(tài)響應(yīng)快。

及分析圖4r靜態(tài)特性參數(shù)K、K對控制系統(tǒng)質(zhì)量的影響。得到結(jié)論：

案例控制系統(tǒng)的余差與K、K關(guān)系是：K大，控制系統(tǒng)余差小，K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)K大

些好，這樣控制通道抗干擾能力強(qiáng)。

分析動態(tài)特性參數(shù)工t對控制系統(tǒng)質(zhì)量的影響

(1)干擾通道工，L對控制系統(tǒng)質(zhì)量的影響。

1)時間常數(shù)工的影響，分析圖4f從圖可知，工越大，曲線yf

(t)圖越平滑，擾動通道濾波作用越強(qiáng)，干擾對被控變量的影

響越緩和。

2)純滯后時間G對系統(tǒng)質(zhì)量的影響，分析圖4-11,可知當(dāng)干擾

通道存在時滯時，干擾通道的時滯不會影響控制系統(tǒng)質(zhì)量，只

是被控變量的過渡過程在時間上平移了tr距離。

(2)控制通道工，七對控制系統(tǒng)質(zhì)量的影響。

控制通道工大，則控制作用反應(yīng)速度慢，容易產(chǎn)生大的超調(diào)，且過

渡時間延長，則控制質(zhì)量變差。相反，反應(yīng)過于靈敏，容易引起過度

的震蕩，也降低控制質(zhì)量。

(指教材或講義、課件、參考資料、儀器、設(shè)備等)

教材(1)過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

及參(2)化工儀表及自動化

(3)自動控制原理

考資

料

20

2單元教學(xué)過程設(shè)計(jì)

步教學(xué)內(nèi)容及能力時間

教師活動學(xué)生活動

驟抑識目標(biāo)（分鐘）

1

2

3

4

作

業(yè)

課

后

體

會

注：每個步驟占用的行數(shù)，可以按照實(shí)際需要那樣增減

21

《過程控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)》課程單元教學(xué)設(shè)計(jì)8

L單元教學(xué)設(shè)計(jì)

單元標(biāo)題：檢測變送環(huán)節(jié)的選擇單元教學(xué)學(xué)時2

在整體設(shè)計(jì)中的位置第8次

周月日第節(jié)

授課上課上課

自動化1301至

班級時間周月日第節(jié)地點(diǎn)

能力目標(biāo)知識目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)

1、理解過程參數(shù)測量的

教學(xué)意義及在控制系統(tǒng)中擔(dān)

任的任務(wù)

1、能夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求正1、培養(yǎng)用聯(lián)系的思維思

目標(biāo)