《过程控制与自动化仪表》—教学教案

《过程控制与自动化仪表》课程教案一、相关知识1. 自动控制定义是指在没有人直接参与的情况下，利用外加设备或控制装置使生产 过程或被控对象中的某一物理屋或多个物理虽自动地按照期望的规律 运行或变化。

这种外加的设备或控制装置就称为自动控制装置。

2. 过程控制定义是指根据工业生产过程的特点，采用测虽仪表、执行机构和计算机 等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业 生产过程的自动化。

3. 发展过程(1 ) 20世纪50年代，单输入单输出的单回路定值控制系统，多采 用基地式仪表、气动组合仪表和气动仪表控制器来完成简单控制。

(2 ) 20世纪60年代，集中控制及直接数字控制。

电动仪表开始使 用，并逐步取代气动仪表，单元组合式仪表和组装式仪表。

(3 ) 20世纪70年代，集散控制系统(DCS 先进控制技术、数字 化仪表、计算机，特别是网络通信技术的进一步发展，体现“分散控制， 集中管理“的理念。

(4 ) 20世纪70年代，集散控制系统(DCS 先进控制技术、数字 化仪表、计算机，特别是网络通信技术的进一步发展，体现“分散控制， 集中管理“的理念。

4. 开环与闭环的概念 (1 )开环控制系统开环控制是最简单的一种控制方式。

它的特点是，仅有从输入到输 出的前向通路，而没有从输出到输入的反馈通路。

缺点：控制精度取决于组成系统的元件的精度，因此对元器件的要 求比较高。

由于输出屋不能反馈回来影响控制部分，所以输出虽受扰动 信号的影响比较大，系统抗干扰能力差。

案例分析：教学 时间教学内容85分钟(大屏幕投 影) 讲解过程控 制的基本概(大屏幕投 影) 解说开环控 制系统，举例 分析，让学生 加深印象图1-2厲流电动机转速丿「•环控制示意图(2) 闭环控制系统不仅有一条从输入端到输出端的前向通路，还有一条从输出端到输 入端的反馈通路。

输出虽通过一个测虽变送元件反馈到输入端，与输入 量比较后得到偏差信号来作为控制器的输入，反馈的作用是减小偏差， 以达到满意的控制效果。

闭环控制又称为反馈控制。

如果输入虽和反馈虽相减则称为负反馈；反之，若二者相加，则称 为正反馈。

控制系统中一般采用负反馈方式。

输入虽与反馈虽之差称为 偏差信号。

系统的输出虽能够自动地跟踪输入量，减小跟踪误差，提高 控制精度，抑制扰动信号的影响。

案例分析:图i-3 r ［流电动机转速闭环控制示意图5. 过程控制系统的特点(1 )系统由被控对象与系列化生产的自动化仪表组成。

(2 )被控对象复杂多样，通用控制系统难以设计。

(3 )控制方案丰富多彩，控制要求越来越高。

rr r(大屏幕投 影) 解说闭环控 制系统，举例 分析，让学生 加深印象电位器(4 )控制过程大多属于慢变过程与参虽控制。

《过程控制与自动化仪表》课程教案5分钟 回顾上节课内容，进行复习提问。

开环和闭环的特点。

二、相关知识1. 过程控制系统的组成过程控制系统一般由自动化装置及生产装置两部分组成。

(1 )被控对象：又称为被控过程。

它是控制系统的主体，在过程 控制系统中，是指需要控制其工艺变虽的生产设备或机器。

(2)变送器：其作用是将被控制的物理虽检测出来并转换成工业 仪表间的标准统一信号。

(3)控制器：又称为调节器。

其作用是根据反馈虽与输入虽比较 得出的偏差，按一定的规律运算后对执行器发出相应的控制信号或指令 的装置。

(4)执行器：其作用是依据控制器发出的控制信号或指令，改变 操纵变虽，从而对被控对象产生直接的控制作用。

系统的各种作用量有以下几个：(1 )被控变虽:是表征生产设备或过程运行状况，需要加以控制 的变虽，也是过程控制系统的输出虽Q(2)设定值：又称给定值，是工艺要求被控变虽需要达到的目标 值，也是过程控制系统的输入量。

(3)测虽值：是检测元件与变送器的输出信号值，也称反馈虽, 如液位控制系统的变送器的输出信号值就是测量值。

(4)操纵变虽：受执行器操纵，具体实现控制作用的变屋称为操 纵变虽。

(5 )扰动虽:又称干扰或“噪声”，通常是指引起被控变屋发生变 化的各种因素。

(6)偏差：通常把设定值与测虽值之差称为偏差。

举例分析：忙權液位控制教学 时间教学内容(大屏幕投 影) 逐一解说过 程控制系统 部分组成，案 例分析让学 生加深印象。

80分钟自动化装朮 生产装2. 过程控制系统的分类 (1 )定值控制系统 (2) 随动控制系统 (3)程序控制系统3. 过程控制系统的过渡过程过程控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为 过程控制系统的过渡过程。

4. 过程控制系统的品质捋标 评价指标可概括为“稳”、“准”、“快”(大屏幕投 影) 逐一解说过 程控制系统 评价指标的(大屏幕投 影) 逐一解说过 程控制系统 分类和过渡 过程。

C")c)巾.调哀H《过程控制与自动化仪表》课程教案社匕例定理4^ 01= W （01 B 微分定理厶［/%）］= "（s ）厶［/"-刃］=严丁⑶lim/W=lim^M/fX5 ->03）拉氏反变换 m”［F （s ）］ （2）传递函数的定义传递函数*）=皺豔聽喘（3）传递函数的一般表达式 1 ）多项式形式2）零极点形式学生加深印 象。

4积分定理山…J /佔］普传递函数G （$） =输出量的拉氏变换式 输入量的拉氏变换式8)恥)举例分析:G ( v )= %G-Z I )G-Z2)・・・G-Z 〃J。

0($一门)($-“2)・・・6-几)3・系统框图(90分钟)框图由信号线、引出点、比较点和功能框等部分组成。

(1)功能框 框左边向内箭头为输入虽(拉氏式)，框右边向外箭头为输出虽(拉 氏式),框内为系统中一个相对独立单元的传递函数。

(2)信号线信号线表示信号流通的途径和方向。

流通方向用箭头表示。

(3)引出点表示信号由该点取出，从同一信号线上取出的信号，其大小和性质 完全相同。

(4 )比较点其输出量为各输入量的代数和。

因此在信号输入处要注明它们的极 性。

举例分析:4・典型环节的传递函数和功能框 (1)比例环节微分方程c (£)= Kr( t)传递函数G(s) = KJ=lriG-zj.V(9A3说系统框图 组成，案例分 析让学生加 深印象。

(大屏幕投影)逐一解兀丫大屏幕投 影)逐一解功能框2) C($)(2)积分环节微分方程c(” =刽“)山(卩为积分时间常数)传递函数G(s) = i功能框1C⑴TS(3) 理想微分环节微分方程cu;-T dt传递函数C(5)= VS功能框R (s) C(5)----- T S --------------------- *(4 )惯性环节微分方程G(s)二召/?($)1c(-s)Ts+l(5) 比例微分环节传递函数说典型环节的传递函数和功能框。

微分方程e(<) = T唏。

+ r(0传递函数6($) = w + 1功能框/?(.?! ― C3---- — K (TJ+1) ■(6) 振荡环节微分方程曲d2c(/) , dc(£)4- c(t) s r(t) 1 ~dF~ + 2^~dT传递函数冷=________ 1 ______ = ______ 况‘八TV+2gl*+2铀泸山R(s>| C(v) ~T2S2+24T S+\(7) 延迟环节(又称纯滞后环节)微分方程c(/) = r(r-r0)传递函数G(s)二八J治功能框5.«图的变换与化简(85分钟) (1)串联变换规则G(s) =g ?= G|(s)G (s)«)(2)并联变换规则e ($)=箫打=G (s) + G 2($)(4 )引出点和比较点的移动规则 变换的原则：变C(s)-------- ►5®a) b)规则，案例分 析让学生加 探印象。

(3)反馈联接变换规则 a)b)(大屏幕投 影)逐一解 说系统框图 串联、并联.反馈和引出 点和比较点 的移动变换换前后应保持信号等效。

小结。

作业：思考题与习题2.1、2.4. 2.6o%)引出点洽移3G(s)引出点厉移1/G(s)G(s) 比较点輛朽心）"(7(s)畑）%)G(s)比较点后移型T G®%)L •空L・X(s)X 】(s)G(s)5分钟对课程内容 进行总结，加 深学生的印 象。

《过程控制与自动化仪表》课程教案5分钟 回顾上节课内容，进行复习提问。

自动控制系统的数学模型有哪些？（大屏幕投 影） 逐一解说单 容对象的特 性及建模，让 学生加深印 象。

无自衡特性水槽AsH (5)= Qj (s) 一 Q o (s)H(s) _ 1 0($) As教学时间教学内容写成一般形式b ）阶跃响应曲线有自衡特性水槽三.相关知识170分钟1 .单容对象的特性及建模b ）阶跃响应曲线q。

= a*有自衡的信号传递方框图H(s) _ R (2f (5)ARs +1H(s) _ KQi(s) Ts + 1G($) =KTs + \2•双容对魚的特性及建模（大屏幕投影）逐一解说双容对象的特性及建模，让学生加深印象。

双容对象R} _ R}Q£s) A}R{s + \ 7^5 + 1H2G)_©($)%($)_ 1 尺2 Q© Q(s) Q oX(5) + l A2/?25 + lH() _ KC r(5)TJ2S2+(T]+T2)S+\《(小AOKA在二阶对象阶跃响应曲线上，过拐点C作切线，与时间轴相交于。

点，交点。

与被控变量开始b）阶跃响应曲线変化的起点之间的时间间隔，称为容量滞后时间。

由切线与时间轴的交点到切线与稳定值K4线的交点之间的时间间隔为时间常数To1容量滞后是多容对象的固有属性，是因为物料或能虽的传递需要通过一定的阻力而引起的。

3•时滞（纯滞后）对象的特性及建横L（大屏幕投影）逐一解说时滞（纯滞后）对象的特性及建模，让学生加深印象。

（大屏幕投 影） 逐一解说实 验法建立被 控对象的数 学模型，让学 生加深印象。

G(s)=宀4•实验法建立被控对象的数学横型实验方法研究对象特性测定对象动态特性的实验方法主要有三种：时域测定方法、频域测 定方法和统计研究方法。

时域测定方法将以阶跃响应曲线法来说明。

（1）实验注意事项1） 实验测试前，被控对象应处于相对稳定的工作状态。

2） 在相同条件下应重复多做几次实验。

3） 分别对正、反方向的阶跃输入信号进行实验，并进行比较。

4） 每完成一次实验后，应将被控对象恢复到原来工况，稳定后再 做第二次实验。

G(s) =1 Ts+\重量传感器对流虽变化的响应纯滞后环节的信号传送25) 输入的阶跃信号幅度不能过大.阶跃变化的幅值一般取正常输 入信号最大幅值的10%左右。

(2)模型结构确定在完成阶跃响应实验后，应根据实验所得的响应曲线确定模型的结 构。