《過程控制系統(tǒng)》教學(xué)大綱

《過程控制系統(tǒng)》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：05157041課程性質(zhì)：專業(yè)選修課學(xué)分：3學(xué)分學(xué)時：48學(xué)時（理論40學(xué)時，實驗8學(xué)時）先修課程：自動控制原理、現(xiàn)代控制理論、傳感器與檢測技術(shù)等后續(xù)課程：無適用專業(yè)：自動化開課單位：電氣工程與自動化學(xué)院一、課程說明《過程控制系統(tǒng)》是自動化專業(yè)學(xué)生的專業(yè)選修課。本課程以單回路控制系統(tǒng)為主線，講解單回路控制系統(tǒng)組成及其四大組成部分：被控對象建模方法，檢測儀表、執(zhí)行器、控制器的原理、類型、選型方法等，然后重點介紹單回路控制系統(tǒng)設(shè)計，并簡要介紹復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)特殊需求的過程控制系統(tǒng)。本課程注重基本理論知識的深入學(xué)習(xí)，重在培養(yǎng)運用基礎(chǔ)理論知識解決生產(chǎn)實際中問題的能力，強調(diào)理論、分析設(shè)計方法、工程應(yīng)用三者之間的協(xié)調(diào)，培養(yǎng)“厚基礎(chǔ)、寬口徑、高素質(zhì)、強能力”的人才。二、課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：理解過程控制系統(tǒng)的組成及其工作原理，掌握工業(yè)自動化裝置和控制系統(tǒng)的有關(guān)基礎(chǔ)知識，能建立簡單被控過程的數(shù)學(xué)模型。課程目標(biāo)2：能夠?qū)^程控制系統(tǒng)的各組成部分進行必要系統(tǒng)分析，并根據(jù)生產(chǎn)工藝特點合理選擇過程檢測儀表和變送器、執(zhí)行器、控制器過程控制系統(tǒng)核心組成部分。課程目標(biāo)3：具備從事工業(yè)過程控制系統(tǒng)方案設(shè)計、儀表選型、校驗、調(diào)試、參數(shù)整定等工作的專業(yè)知識和能力，能對簡單過程控制系統(tǒng)進行綜合設(shè)計，能初步對復(fù)雜控制系統(tǒng)進行分析設(shè)計。課程目標(biāo)4：具有堅定正確的政治方向，具有為國家富強昌盛而努力奮斗的堅強意志；形成良好的勞動習(xí)慣，能適應(yīng)工業(yè)過程控制場合復(fù)雜、艱巨的勞動強度和惡劣的勞動環(huán)境；具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和現(xiàn)代社會的競爭意識、環(huán)境保護意識、價值效益意識、求實創(chuàng)新意識等專業(yè)素質(zhì)。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《過程控制系統(tǒng)》課程教學(xué)目標(biāo)對自動化和自動化（專升本）畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)支撐強度1.工程知識：能將數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識應(yīng)用于解決自動化控制領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。1.4能夠?qū)⒆匀豢茖W(xué)、工程基礎(chǔ)、專業(yè)知識和數(shù)學(xué)模型方法應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域復(fù)雜工程問題解決方案的比較與綜合。課程目標(biāo)1：理解過程控制系統(tǒng)的組成及其工作原理，掌握工業(yè)自動化裝置和控制系統(tǒng)的有關(guān)基礎(chǔ)知識，能建立簡單被控過程的數(shù)學(xué)模型。H2.問題分析：能應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析自動控制領(lǐng)域中復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論。2.2能夠運用所掌握的科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型的方法，表達出復(fù)雜工程問題中各環(huán)節(jié)和參數(shù)之間內(nèi)在聯(lián)系或關(guān)系。課程目標(biāo)2：能夠?qū)^程控制系統(tǒng)的各組成部分進行必要系統(tǒng)分析，并根據(jù)生產(chǎn)工藝特點合理選擇過程檢測儀表和變送器、執(zhí)行器、控制器過程控制系統(tǒng)核心組成部分。課程目標(biāo)3：具備從事工業(yè)過程控制系統(tǒng)方案設(shè)計、儀表選型、校驗、調(diào)試、參數(shù)整定等工作的專業(yè)知識和能力，能對簡單過程控制系統(tǒng)進行綜合設(shè)計，能初步對復(fù)雜控制系統(tǒng)進行分析設(shè)計。H4.研究：能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對自動控制領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題進行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。4.2能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對自動控制領(lǐng)域相關(guān)的復(fù)雜工程問題選擇研究路線，設(shè)計實驗方案。課程目標(biāo)4：具有堅定正確的政治方向，具有為國家富強昌盛而努力奮斗的堅強意志；形成良好的勞動習(xí)慣，能適應(yīng)工業(yè)過程控制場合復(fù)雜、艱巨的勞動強度和惡劣的勞動環(huán)境；具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和現(xiàn)代社會的競爭意識、環(huán)境保護意識、價值效益意識、求實創(chuàng)新意識等專業(yè)素質(zhì)。M注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配1.理論部分理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點難點理論學(xué)時實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.緒論1.1過程控制的要求與任務(wù)1.2過程控制系統(tǒng)的組成與特點1.3過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)1.4過程控制系統(tǒng)的設(shè)計1.5過程控制的發(fā)展與趨勢教學(xué)要求：理解過程控制的基本概念；掌握過程控制系統(tǒng)的組成、分類、性能指標(biāo)；了解過程控制系統(tǒng)的特點與發(fā)展概況。重點:過程控制的基本概念、控制系統(tǒng)的組成與特點。難點:過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。201、42.被控過程的數(shù)學(xué)模型2.1過程模型概述2.2機理建模法2.3測試建模法教學(xué)要求：理解并掌握被控過程的動態(tài)特性、數(shù)學(xué)模型的表達形式；掌握單容對象建模方法，掌握用測試法建模的兩種方法，掌握多容對象的傳遞函數(shù)；了解建模的基本要求和非線性環(huán)節(jié)的處理方法和階躍響應(yīng)的獲取方法。重點:對象的動態(tài)特性、典型過程的數(shù)學(xué)模型，單容對象的幾種建模方法、用測試法建模的兩種方法。難點:典型過程的數(shù)學(xué)模型，非線性環(huán)節(jié)的處理，階躍響應(yīng)的獲取。421、43.過程參數(shù)檢測儀表及變送器3.1測量誤差與儀表的基本技術(shù)指標(biāo)3.2溫度檢測及變送3.3濕度檢測及變送3.4壓力檢測及變送3.5流量檢測及變送3.6物位檢測及變送教學(xué)要求：理解測量誤差；理解并掌握儀表的基本技術(shù)指標(biāo)；掌握溫度變送、濕度變送、壓力變送、流量變送、物位變送。重點:儀表的基本技術(shù)指標(biāo)，溫度變送、濕度變送、壓力變送、流量變送。難點:物位變送。401、2、34.執(zhí)行器4.1氣動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)4.2調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)特性與流量特性4.3氣動調(diào)節(jié)閥的選型教學(xué)要求：理解氣動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)；理解并掌握氣動調(diào)節(jié)閥的四種結(jié)構(gòu)特性、工作流量特性、氣動調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)與流開、流閉的組合；掌握調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)選擇方法；了解調(diào)節(jié)閥的理想流量特性。重點:氣動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)，氣動調(diào)節(jié)閥的工作流量特性，調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)選擇。難點:氣動調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)與流開、流閉的組合，調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)選擇。601、2、35.控制器5.1比例積分微分（PID）控制5.2DDZ-III控制器5.3數(shù)字控制器5.4KMM可編程調(diào)節(jié)器功能模塊及編程方法教學(xué)要求：理解PID控制、數(shù)字控制器的特點；理解并掌握三種常用反饋控制規(guī)律的原理及特點；掌握PID控制器的選取及參數(shù)整定方法；理解數(shù)字式PID控制算法及其改進算法；了解DDZ-III控制器和KMM可編程調(diào)節(jié)器的功能、特點及使用。重點:積分參數(shù)對調(diào)節(jié)規(guī)律的影響、PID控制規(guī)律及PID參數(shù)對系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程的影響、

數(shù)字PID的改進算法。難點:比例度的意義、積分飽和現(xiàn)象、微分的作用、采樣周期對控制規(guī)律的影響。601、2、36.單回路控制系統(tǒng)設(shè)計6.1簡單控制系統(tǒng)的分析6.2簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計6.3簡單控制系統(tǒng)的整定6.4簡單控制系統(tǒng)的投運教學(xué)要求：掌握控制系統(tǒng)的組成，了解離散控制系統(tǒng)的組成；理解并熟練掌握被控變量的選擇、檢測儀表的選擇和控制器的選型；理解并掌握動態(tài)特性參數(shù)法，理解穩(wěn)定邊界法、衰減曲線法和等效控制器；了解控制系統(tǒng)投運方法。重點:控制系統(tǒng)的組成、控制器的選型、動態(tài)特性參數(shù)法、控制系統(tǒng)投運。難點:控制器正反作用的確定、等效調(diào)節(jié)器和廣義對象的確定。842、3、47.復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計7.1串級控制系統(tǒng)分析7.2前饋控制系統(tǒng)7.3大滯后過程控制系統(tǒng)教學(xué)要求：掌握串級控制系統(tǒng)的基本原理、結(jié)構(gòu)、特點及工作過程；掌握副回路的選擇方法和投運步驟，理解主副工作頻率的選擇和主副控制器的選擇方法；理解補償控制和前饋過程控制系統(tǒng)的原理、方法及特點，掌握前饋、反饋控制系統(tǒng)；了解大滯后控制系統(tǒng)的原理、方法及特點。重點:串級控制系統(tǒng)工作過程、串級控制系統(tǒng)性能分析、副回路的選擇，前饋反饋控制系統(tǒng)。難點:串級控制系統(tǒng)工作過程、動態(tài)特性、副回路的選擇，不變性原理。628.特殊控制系統(tǒng)設(shè)計8.1比值控制系統(tǒng)8.2均勻控制系統(tǒng)8.3分程控制系統(tǒng)8.4選擇性控制系統(tǒng)教學(xué)要求：理解比值控制、均勻控制、分程控制和選擇性控制的概念；理解單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、變比值比值控制系統(tǒng)；掌握比值控制系統(tǒng)的設(shè)計、比值控制系統(tǒng)的實施，了解均勻控制系統(tǒng)的設(shè)計，掌握分程控制系統(tǒng)和選擇性控制系統(tǒng)的類型。重點:比值控制系統(tǒng)的設(shè)計、比值系數(shù)的計算、分程控制系統(tǒng)的設(shè)計。難點:變比值控制系統(tǒng)的設(shè)計。403、4合計4082.實驗部分實驗部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表3。表3實驗項目、實驗內(nèi)容與學(xué)時實驗項目實驗內(nèi)容和要求實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.雙容水箱液位特性測試實驗實驗內(nèi)容：測定雙容水箱的數(shù)學(xué)模型。實驗要求：掌握雙容水箱特性的階躍響應(yīng)曲線測試方法，根據(jù)由實驗測得雙容液位的階躍響應(yīng)曲線，確定其特征參數(shù)K、T1、T2及傳遞函數(shù)。21、22.雙容水箱液位定值控制實驗實驗內(nèi)容：實現(xiàn)對雙容水箱下水箱液位定值控制。實驗要求：研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的改變對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，定性研究P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。22、33.鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)實驗實驗內(nèi)容：實現(xiàn)對鍋爐內(nèi)膽水溫的定值控制。實驗要求：掌握單回路溫度控制系統(tǒng)的組成與工作原理。研究P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對溫度系統(tǒng)的控制作用。23、44.水箱液位串級控制實驗實驗內(nèi)容：實現(xiàn)對三容水箱下水箱液位的串級控制。實驗要求：理解水箱液位串級控制系統(tǒng)組成原理；掌握水箱液位串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運方法。23、4合計8五、教學(xué)方法及手段本課程以課堂講授為主，結(jié)合討論、案例、視頻資源共享、實驗等教學(xué)手段完成課程教學(xué)任務(wù)和相關(guān)能力的培養(yǎng)。通過本課程學(xué)習(xí)使學(xué)生理解工業(yè)過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成，掌握工業(yè)自動化裝置和控制系統(tǒng)的有關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識；使學(xué)生具備從事工業(yè)過程控制系統(tǒng)方案設(shè)計、儀表選型、校驗、調(diào)試、參數(shù)整定等工作的專業(yè)知識和能力。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，采用教師講授和學(xué)生動手操作的方法，通過啟發(fā)式教學(xué)、討論式教學(xué)進一步培養(yǎng)學(xué)生過程控制系統(tǒng)分析設(shè)計的基本理論、基本知識和基本技能。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實際動手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。在實驗前學(xué)生應(yīng)復(fù)習(xí)和掌握與本實驗有關(guān)的教學(xué)內(nèi)容、認真閱讀實驗指導(dǎo)書；在實驗中要嚴(yán)格遵守實驗紀(jì)律，按操作規(guī)程使用儀器；實驗結(jié)束后，按規(guī)定對儀器進行維護保養(yǎng)；每完成一項實驗，要認真完成一份實驗報告。六、課程資源1.教材：彭秀艷,韓云濤,梁洪.《工業(yè)過程控制》.北京:高等教育出版社.2019.2.參考書：（1）薄翠梅.過程控制[M].北京:機械工業(yè)出版社.2020.（2）利昂.烏爾巴斯.過程控制系統(tǒng)工程[M].北京:機械工業(yè)出版社.2018.（3）齊衛(wèi)紅.過程控制系統(tǒng)（第3版）[M].北京:電子工業(yè)出版社.2018.（4）賀代芳.過程控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社.2019.（5）魯照權(quán).過程控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社.2018.3.期刊：（1）王啟航.基于PID對角優(yōu)勢補償陣的過程多變量控制系統(tǒng)設(shè)計[J].化工學(xué)報.2018（3）:69-72.（2）張亞軍.一類非線性離散時間動態(tài)系統(tǒng)的交替辨識算法及應(yīng)用[J].自動化學(xué)報.2018（1）:43-45.（3）葛亞明.基于LabVIEW的過程控制實驗系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理.2019（4）:32-35.（4）柴天佑.復(fù)雜工業(yè)過程運行優(yōu)化與反饋控制[J].自動化學(xué)報.2013（11）:39-42.（5）\t"/kcms2/article/_blank"岳向波.石化項目過程控制要點和思路[J].\t"/kcms2/article/_blank"當(dāng)代化工研究.\t"/kcms2/article/_blank"2022（4）:180-182.（6）MingjieHe;WeiyeLi;JunPeng;JiangtaoYang.\o"Multi-layerQuasiThree-dimensionalEquivalentModelofAxial-FluxPermanentMagnetSynchronousMachine"\t"/kcms2/article/_blank"Multi-layerQuasiThree-dimensionalEquivalentModelofAxial-FluxPermanentMagnetSynchronousMachine.\o"CESTransactionsonElectricalMachinesandSystems"\t"/kcms2/article/_blank"CESTransactionsonElectricalMachinesandSystems[J].,\o"2021"\t"/kcms2/article/_blank"2021ControlEngineering.2021(12):278-281.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）中國自動化網(wǎng)./．（2）中國大學(xué)MOOC（慕課）.工業(yè)過程控制./course/HRBEU-1002529018.七、課程考核對課程目標(biāo)的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價細則及對課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標(biāo)1234過程性考核課堂表現(xiàn)4（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭獭?111實驗12（1）根據(jù)每個實驗的實驗操作完成情況和實驗報告質(zhì)量單獨評分，滿分100分；（2）每次實驗單獨評分，取各次實驗成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以實驗成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭獭?352作業(yè)12（1）主要考核學(xué)生對各章節(jié)知識點的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭獭?451期中測試12（1）學(xué)期期中進行一次期中測試，滿分100分。（2）以測試成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√√√2451期末考核60（1）卷面成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考核過程控制系統(tǒng)的組成及其工作原理，過程對象建模，測量變送器、執(zhí)行器和控制器的選用，單回路控制系統(tǒng)的分析設(shè)計，負責(zé)控制系統(tǒng)的分析。（3）考試題型為：選擇題、填空題、判斷題、分析計算題和設(shè)計題等?！獭獭獭?515255合計：100分22274110八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、實驗、作業(yè)、期中考試、期末考試等方式對學(xué)生進行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┰嚲沓煽兒瓦^程性考核成績組成。其中：期末試卷成績?yōu)?00分（權(quán)重60%），試題類型為填空題、選擇題、判斷題、簡答題、計算題、分析題和設(shè)計題等類型中的五種，試卷中基本知識、基本理論、基