過程控制系統(tǒng)課程教案參考

1、(首頁)北方工業(yè)大學(xué)課程教案課 程 名 稱過程控制系統(tǒng)（Process Control Systems）課 程 性 質(zhì)專業(yè)任選開 課 年 度2010年至2011年開 課 學(xué) 期v秋季 春季授 課 班 級自動化2007A12電氣 2007A1234主 講 教 師 李小堅課程所屬學(xué)院(部門)機(jī)電學(xué)院課程所屬系(教研室)自動化系1 / 12課程第 一 講第 1 周日期：20010-9-14五教0202 第 1 章第一章 Introduction 過程控制系統(tǒng)的概述第 1 節(jié) 定義：過程控制是指對生產(chǎn)過程中的物理參數(shù)（主要是溫度、壓力、流量、液位、濃度、成分等）進(jìn)行的自動控制。因而，過程控制是生產(chǎn)過程

2、自動化的重要基礎(chǔ)。第 2 節(jié) 過程控制系統(tǒng)性能、特點(diǎn)、應(yīng)用簡介生產(chǎn)過程的自動控制，一般是要求保持過程進(jìn)行中的有關(guān)參數(shù)為一定值或按一定規(guī)律變化，顯然過程參數(shù)的變化，不但受外界條件的影響，它們相互之間，往往也存在著影響。這就增加了某些參數(shù)自動控制的復(fù)雜性和困難。因此，過程控制有如下一些特點(diǎn)。1、被控對象的多樣性，2、對象存在純滯后，3、對象具有非線性，4、控制系統(tǒng)比較復(fù)雜第 3 節(jié) 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況1，初期階段：40年代2，儀表階段：503，綜合自動化：60-70，集散控制4，集成化階段：80-，多級網(wǎng)絡(luò)的整體教學(xué)重點(diǎn): 面臨現(xiàn)實世界的真實要求，控制理論的抽象性還原為應(yīng)用理論與實踐結(jié)合教學(xué)難

3、點(diǎn): 對象復(fù)雜性，如何滿足對物理參數(shù)的控制具體方法。 講授主要內(nèi)容:第 1 節(jié) 定義：過程控制是指對生產(chǎn)過程中的物理參數(shù)（主要是溫度、壓力、流量、液位、濃度、成分等）進(jìn)行的自動控制。因而，過程控制是生產(chǎn)過程自動化的重要基礎(chǔ)。第 2 節(jié) 過程控制系統(tǒng)性能、特點(diǎn)、應(yīng)用簡介過程控制的特點(diǎn)還可以總結(jié)為：1、被控對象的多樣性：不同的生產(chǎn)過程、不一樣的工藝要求、不同的參數(shù)及其變化規(guī)律，多變量相互關(guān)聯(lián)偶合，相互影響。2、被控對象的復(fù)雜性： 對象的變化規(guī)律很難準(zhǔn)確描述，只能作近似處理。不確定因素和干擾的存在，對象及其參數(shù)的變動都是很難描述和處理的。3、對象的滯后、非線性；4、控制系統(tǒng)的復(fù)雜性第 3 節(jié)過程控制

4、系統(tǒng)的發(fā)展概況1，初期階段：40年代2，儀表階段：503，綜合自動化：60-70，集散控制4，集成化階段：80-，多級網(wǎng)絡(luò)的整體1-3、過程控制系統(tǒng)的組成1，被控對象2，檢測元件和變送器3，控制器4，執(zhí)行器與控制閥1-4、過程控制系統(tǒng)的類別各種類型的劃分：按參數(shù)劃分：溫度、壓力、流量、液位、濃度控制按參任務(wù)分：比值、均勻、前饋、串級等按規(guī)律劃分：比較、PI、PID、補(bǔ)償控制按設(shè)定值劃分：定值、隨動、程序控制1-5、過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)1，遞減比 2，動態(tài)偏差 3，調(diào)整時間 4，靜態(tài)偏差?？傮w要求：安全、平穩(wěn)、準(zhǔn)確、快速，經(jīng)濟(jì)。本次課主體教學(xué)方式、方法：總體概貌-方法-實踐-總結(jié)布置作業(yè)觀察學(xué)

5、校開水房鍋爐-開水如何從冷水到開水供應(yīng)-整個過程哪些變量需要控制?教學(xué)后記課程第 二 講第 1 周日期：20010-9-16五教0110 第 2 章第二章 Measurement of Process Control System 過程控制系統(tǒng)的檢測與控制第 1 節(jié) Basic RequirementsThe basic requirements for a sensor used in a control loop are the abilities : to indicate the values of measured variables to transmit the signals

6、to the controller 第 2 節(jié) Different Sensors and Transducers Pressure TransducersLevel MeasurementFlow Measurement Temperature Measurement第 3 節(jié) Dctuators 第 4 節(jié) Control Action教學(xué)重點(diǎn): 1各種檢測器原理介紹，使用條件 2 執(zhí)行器 3 控制器各個環(huán)節(jié)的作用教學(xué)難點(diǎn): 對生產(chǎn)過程物理參數(shù)的控制具體方法-構(gòu)成一個控制回路。 如何一起協(xié)調(diào)工作講授主要內(nèi)容: Pressure Transducers：Many kinds of press

7、ure transducers are widely used in industry for pressure measurement. the manometer and Bourdon tube etc are quite common, they are not suitable for control purposes due to the difficulties for signal transmission Level Measurement Flow Measurement Temperature Measurement The Comparator The Adjustme

8、nt Calculator The Actuator Pressure Control 1 Pressure Control 2 Tuning a Controller本次課主體教學(xué)方式、方法：總體概貌-各部分功能構(gòu)成整體 將第3章有關(guān)內(nèi)容 提前介紹 對過程控制系統(tǒng)有個整體認(rèn)識布置作業(yè)觀察空調(diào)是怎樣工作的，設(shè)想一個溫度控制回路-描述各個部件與系統(tǒng)構(gòu)成教學(xué)后記課程第 三 講第 2 周日期：20010-9-21五教0202 第 3 章第三章 The Models of Process Control SystemsAnd the Dynamics第 1 節(jié) 建模的目的第 2 節(jié) 動態(tài)建模的作用第

9、3 節(jié) How To Build the Process Models 第 4 節(jié)時域動態(tài)建模總結(jié) 分析法-Analytic Approach實驗法-Experimental Way教學(xué)重點(diǎn): 1時域和頻域描述 2 建模原則：相似性原則、對應(yīng)原則、簡化與近似原則 3 分析法：例題 冷熱水控制 4 實驗法：建模經(jīng)驗教學(xué)難點(diǎn): 對生產(chǎn)過程物理參數(shù)的描述方法-構(gòu)成一個控制回路重要因素。 模型是否必要？無模型方法如何工作？講授主要內(nèi)容: 1 白箱法-分析法-Analytic Approach 分析法建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的幾個步驟： 建立物理模型。 列寫原始方程。利用適當(dāng)?shù)奈锢矶扇缗ｎD定律、基爾霍夫電流和

10、電壓定律、能量守恒定律等） 選定系統(tǒng)的輸入量、輸出量及狀態(tài)變量（僅在建立狀態(tài)模型時要求），消去中間變量，建立適當(dāng)?shù)妮斎胼敵瞿Ｐ突驙顟B(tài)空間模型。2 本次課主體教學(xué)方式、方法：總體概貌-例題、案例 并考慮到國慶節(jié)-影響 爭取不受影響。-確保課程的完整性 對兩種過程控制系統(tǒng)建模方法有認(rèn)識，會自己建模布置作業(yè)對水槽系統(tǒng)建模教學(xué)后記中秋節(jié)前一天，到課人數(shù)少 平常1/2課程第 四 講第 1 周日期：20010-9-27五教0202 第 2 章第四章 Design and Tuning for Simple Process Control System 過程控制系統(tǒng)的 設(shè)計與整定第 1 節(jié) Basic Re

11、quirementsThe basic requirements for the design of a control loop are the abilities : stability transision of controller 第 2 節(jié) PID controller 第 3 節(jié) Tuning of Controller 教學(xué)重點(diǎn): 1各環(huán)節(jié) 2 執(zhí)行器 3 控制器PID的作用教學(xué)難點(diǎn): 對生產(chǎn)過程系統(tǒng)的控制參數(shù) 具體方法-控制器調(diào)整。 參數(shù)選取工作，理論與經(jīng)驗法講授主要內(nèi)容: PID Controller系統(tǒng)的組成 它是由被控對象、檢測元件及變送器、控制器和執(zhí)行器組成一個閉合回

12、路的反饋控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的工程考慮： 就一個生產(chǎn)過程控制工程來說，主要包括：方案設(shè)計、工程設(shè)計、工程安裝和儀表的單校及系統(tǒng)的聯(lián)校、控制器的參數(shù)整定。一、比例控制作用對控制質(zhì)量的影響二、積分作用對控制質(zhì)量的影響三、微分作用對控制質(zhì)量的影響四、控制器的工作類型選擇五、控制器的正、反工作方式選擇、控制器的的參數(shù)整定一、參數(shù)整定理論基礎(chǔ)二、經(jīng)驗試湊法三、臨界比例度法四、衰減曲線法五、響應(yīng)曲線法本次課主體教學(xué)方式、方法：總體概貌-各部分功能構(gòu)成整體 并考慮到國慶節(jié)-影響 將第4章有關(guān)內(nèi)容與實驗內(nèi)容 一起介紹 對過程控制系統(tǒng)及實驗系統(tǒng)認(rèn)識布置作業(yè)觀察雙水槽水位實驗系統(tǒng)控制回路-描述各個部件與系統(tǒng)構(gòu)成教學(xué)

13、后記課程第 五 講第 1 周日期：20010-9-29五教0110 第 2 章第五章 Design and Tuning for Cascade Process Control System 串級控制系統(tǒng)及其整定第 1 節(jié) Basic Requirements Two loop control 第 2 節(jié) Controller Design 第 3 節(jié) Tuning of Controller 教學(xué)重點(diǎn): 1雙環(huán)調(diào)節(jié) 2 內(nèi)環(huán) 3 外環(huán)控制器PID的作用教學(xué)難點(diǎn): 對過程系統(tǒng)的雙環(huán)控制參數(shù) 具體方法-內(nèi)環(huán)-外環(huán)控制器調(diào)整。 參數(shù)選取工作，理論與經(jīng)驗法講授主要內(nèi)容:1串級系統(tǒng)整定前要知道，系統(tǒng)整

14、定的目的及所要完成的任務(wù)。整定方法：逐步逼近法兩步法一步法一、逐步逼近法1、主環(huán)斷開，把副環(huán)看成一個單回路，按單回路整定方法求副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)GC2KC2、TI22、將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)置于GC2數(shù)值上。再將主回路閉合，把副環(huán)看成一個等效的副對象，則又構(gòu)成一個單回路。同樣，按單回路方法進(jìn)行整定，求取主調(diào)節(jié)器的參數(shù)GC1KC1, TI1, TD1 3、將所整定的參數(shù)設(shè)置在主調(diào)節(jié)器上，系統(tǒng)串級運(yùn)行。再求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)GC2 KC2, TI2 至此，完成了一次逼近循環(huán)。若此時控制質(zhì)量達(dá)到要求，則整定工作結(jié)束。主、副控制器的參數(shù)分別取GC1KC1, TI1, TD1、GC2 KC2, TI24、若

15、一次循環(huán)不能達(dá)到控制質(zhì)量要求，則需再進(jìn)行循環(huán)逼近，將副調(diào)節(jié)器置于GC2求主調(diào)節(jié)器的參數(shù)GC1GC2,依次循環(huán)，逐步提高，直至滿意。此法費(fèi)時。(特別是副調(diào)節(jié)器采用PI作用時。二、兩步整定法第一步：整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)。第二步：把整定好的副調(diào)節(jié)器視為串級系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再對主調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定。此方法簡單，其依據(jù)：設(shè)計正確： 310工業(yè)生產(chǎn)中，對Y1要求高，Y2要求低。整定步驟：1、主回路閉合，令 2、用整定單回路法整定副回路（2逐漸減?。?。如4:1法，求出2S和T2S（波動周期，操作周期） 4、按先副后主，先P次I后D的順序，將計算出的參數(shù)值設(shè)置到控制器上（注意PID時F的影響）。5、加干擾，觀察過渡過程曲線，作適當(dāng)調(diào)整最佳。三、一步整定法根據(jù)經(jīng)驗先確定副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，將其設(shè)置好。然后按單回路系統(tǒng)整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。整定步驟：1、由K02或表42，選一KC2，令 2、 ，按單回路方法整定主調(diào)節(jié)器。3、加干擾，觀察過程。根據(jù)匹配原則，適當(dāng)調(diào)整控制器參數(shù)，直到主變量控制質(zhì)量最好。