过程控制工程设计

过程控制工程第四版教学设计课程简介本课程为过程控制工程相关专业的本科生课程，主要教授过程控制的基本理论、方法和应用技术。

课程内容涵盖传感器、信号处理、过程建模、控制策略等方面，在实验室中进行多种控制实验，以培养学生的实践能力和创新能力。

授课目标1.掌握过程控制中常用的量测量、信号处理和过程建模技术。

2.熟悉传统PID控制和现代控制技术。

3.能够分析、设计和调试简单的过程控制系统。

4.培养学生的实践能力和团队合作能力。

课程内容第一章：过程控制简介1.1 过程控制的定义和作用 1.2 过程控制系统的组成和功能 1.3 过程控制技术的分类和应用第二章：传感器与信号处理2.1 传感器的原理和分类 2.2 传感器的选型和调试 2.3 信号处理的基本原理和方法第三章：过程建模3.1 过程建模的概念和分类 3.2 线性和非线性过程建模方法 3.3 过程识别和参数估计第四章：传统PID控制4.1 PID控制的概念和基本原理 4.2 PID控制器的设计和调试 4.3 自适应PID 控制和增量式PID控制第五章：现代控制技术5.1 非线性控制和自适应控制 5.2 最优控制和预测控制 5.3 模糊控制和神经网络控制第六章：过程控制系统实验6.1 传感器和信号处理实验 6.2 过程建模实验 6.3 PID控制实验 6.4 现代控制技术实验教学方式1.课堂教学：通过多媒体展示、理论讲解和案例分析等方式进行。

2.实验教学：通过实验室教学，让学生亲身体验过程控制系统的设计和调试。

3.课程论文：让学生选择一个过程控制应用进行调研和论文撰写，以提高学生的研究和应用能力。

课程评价1.平时表现：包括出勤率、作业、实验报告、课堂参与等。

2.期末考试：主要考察学生的理论知识掌握程度。

3.课程论文：对学生的研究和应用能力进行评价。

参考教材1.《过程控制工程导论》第四版，刘洪海，机械工业出版社。

2.《过程控制工程技术手册》第三版，罗凯、钟淑敏，中国电力出版社。

过程控制工程第三版课程设计前言过程控制工程是化学工业中的一个重要领域，对于希望在化工行业中发展的工程师来说，熟练掌握过程控制工程技能是必不可少的。

为了帮助学生更好的理解和掌握过程控制工程相关知识，我们开设了该课程。

本文将介绍过程控制工程第三版课程设计的相关内容。

课程设计目标本次课程设计的主要目标是让学生在课堂上学到的基础理论知识能够应用到实际场景中，通过实验和模拟，让学生能够深入了解过程控制工程在化工行业中的应用。

设计内容本次课程设计主要分为以下两个阶段：阶段一：仿真模拟设计1.通过 MATLAB/Simulink 对工业级反应釜的运行进行建模和仿真；2.利用上述仿真模型，探讨反应釜中的反应物浓度、温度、气压、物料流速、反应速率和反应转化率之间的函数关系；3.设计、仿真调试一套反应釜控制系统，通过控制系统来调节反应釜中反应物浓度、温度和转化率等参数。

阶段二：实验设计1.学生分为小组，对反应釜进行实验设计，通过合理的实验方案和操作技巧，在实验室环境下，验证仿真模型的正确性；2.分析实际实验数据，与仿真模型结果进行对比，探讨可能存在的误差因素；3.提出针对实验中出现的问题提出解决方案，总结实验中的心得体会。

设计要求1.提交实验报告，报告中应包括对仿真模型的描述、仿真模型结果和实际实验数据及结果的对比分析；2.报告中应包括设计和实验分析中的具体数据和计算过程；3.报告排版美观，应采用 Markdown 文本格式输出。

结语过程控制工程是化工行业中一门重要的学科，本次课程设计旨在帮助学生更好地掌握过程控制工程相关知识，通过实验和模拟，让学生理解过程控制工程在化工行业中的应用。

通过参与本次课程设计，相信学生能够更加深入地了解该领域的知识，为将来的工作打下坚实的基础。

1．考虑如题图1所示的系统，希望将质量分数为50%的NaOH溶液稀释为30%。

NaOH控制阀受其它控制器（未在图中展示）控制。

由于50% NaOH溶液的流量变化频繁，希望设计一个比值控制方案，通过控制稀释水的流量以达到稀释要求。

50%NaOH溶液的标称流量（即设计值）为100 kg/hr。

假设选用的两个流量变送器为质量流量计，其输出信号与质量流量成线性比例关系。

50%NaOH溶液的变送器量程为0到200 kg/hr，水的变送器量程为0到160 kg/hr。

请详细描述其比值控制方案，并计算控制系统所涉及的比值系数。

2题图1 混合过程2． 考虑如题图2所示的制氢反应器。

同锅炉一样，该反应器需要通过燃料和空气进行燃烧才能提供反应所需要的能量（为简单起见，温度控制系统并未全部在图中画出）。

甲烷和水蒸气反应产生氢气，反应方程为4222CH +2H O CO +4H该反应发生在反应器的内部管道中，管道内填充着反应所需的催化剂。

为避免催化剂结焦，保证反应混合物中水蒸气富余十分重要。

如果碳沉积在催化剂表面，将会使催化剂中毒。

通过保证输入混合物中水蒸气富余，就可以避免此种现象。

然而，过多的水蒸气又会引起能量消耗过大。

工程部门估算，应当保证的最佳甲烷-水比为R1（质量比）。

请设计一套控制方案，可使实际比例维持在最佳比例；并且在生产过程中，无论产量增加或减少，都要保证反应混合物中水蒸气富余（即高于最佳比例）。

注意：甲烷需求量由另外专门的信号控制。

题图2 制氢反应器3．氯化反应用于对废水处理厂的最终排放物进行消毒处理。

环保部门要求废水中维持一定的氯含量剩余。

为了达到这个要求，通常在接触池的开始位置，测量废水中的游离氯离子的残余量，如题图3所示。

通常在过滤器的流出物中，加入次氯酸钠水溶液来控制接触池中游离氯离子的残余量。

废水厂有两个平行的过滤水流，它们将在氯接触池中混合。

根据池中的游离氯离子的残余量分别向两个水流中加入次氯酸钠。

过程控制工程课程设计介绍过程控制工程是现代工程领域中的一个重要学科，致力于研究与控制工业过程的设计、建模、分析及优化。

在这门课程设计中，我们将学习如何使用各种控制策略来控制和优化工业过程。

设计目的本课程设计旨在通过实际案例分析和仿真实验，培养学生的过程控制能力。

通过设计一个实际工业过程的控制方案，学生将能够应用所学的知识和技能，解决实际问题，提高工程实践能力。

设计内容设计内容包括以下几个方面：1.过程控制系统的建模：通过对目标工业过程进行建模，学生将了解该过程的运行原理和特点，并能够将其抽象为一个数学模型，以便后续的控制系统设计。

2.控制系统设计：根据过程控制系统的模型，学生将设计一个合适的控制策略，以实现对目标过程的控制。

控制策略可以包括PID控制器、模糊控制器、预测控制器等。

3.控制系统仿真：通过使用仿真软件，学生将实现对设计的控制系统的仿真。

通过对仿真结果的分析，学生可以评估控制系统的性能，并对其进行优化。

4.控制系统实现：在仿真结果满足要求后，学生将根据设计的控制方案，实现一个真实的控制系统。

学生需要选择合适的硬件设备，并编写相应的控制程序来实现对目标工业过程的控制。

设计步骤1.确定课程设计的工业过程：学生可以选择一个自己感兴趣的工业过程作为课程设计的对象。

该过程可以是任何能够体现过程控制的工业过程，例如温度控制系统、流量控制系统等。

2.过程建模：学生需要对选择的工业过程进行建模，包括建立数学模型和参数估计。

可以使用传统的物理建模方法，如质量平衡、能量平衡等，也可以利用系统辨识方法进行建模。

3.控制系统设计：根据过程模型，学生需要选择适当的控制策略并进行控制器参数的优化。

学生可以使用MATLAB、Simulink 等软件工具来辅助控制系统设计。

4.控制系统仿真：学生需要将设计的控制系统进行仿真，以评估其性能。

学生可以使用Simulink等软件工具进行仿真实验，并分析仿真结果。

5.控制系统实现：在仿真结果满足要求后，学生需要选择合适的硬件设备，并编写控制程序，实现对工业过程的控制。

《过程控制工程》课程设计参考题目14级过程控制课程设计题目1班课程设计参考题目：一、温度控制（单回路、串级、前馈—反馈、比值控制）（40）1、换热器出口温度单回路控制方案设计2、乳化物干燥器温度单回路控制方案设计3、精馏塔提馏段温度单回路控制方案设计4、管式加热炉出口温度单回路控制方案设计5、夹套式反应器温度单回路控制控制方案设计6、燃烧式工业窑炉温度单回路控制方案设计7、精馏塔精馏段温度单回路控制方案设计8、流化床反应器温度单回路控制方案设计9、管式热裂解反应器出口温度单回路控制方案设计10、发酵罐温度单回路控制方案设计11、换热器出口温度串级控制方案设计12、乳化物干燥器温度串级控制方案设计13、精馏塔提馏段温度串级控制方案设计14、管式加热炉出口温度串级控制方案设计15、夹套式反应器温度串级控制控制方案设计16、燃烧式工业窑炉温度串级控制方案设计17、精馏塔精馏段温度串级控制方案设计18、流化床反应器温度串级控制方案设计19、发酵罐温度串级控制方案设计20、管式热裂解反应器出口温度串级控制方案设计21、换热器出口温度前馈—反馈控制方案设计22、乳化物干燥器温度前馈—反馈控制方案设计23、精馏塔提馏段温度前馈—反馈控制方案设计24、管式加热炉出口温度前馈—反馈控制方案设计25、夹套式反应器温度前馈—反馈控制控制方案设计26、燃烧式工业窑炉温度前馈—反馈控制方案设计27、精馏塔精馏段温度前馈—反馈控制方案设计28、流化床反应器温度前馈—反馈控制方案设计29、发酵罐温度前馈—反馈控制方案设计30、管式热裂解反应器出口温度前馈—反馈控制方案设计31、换热器出口温度比值控制方案设计32、乳化物干燥器温度比值控制方案设计33、精馏塔提馏段温度比值控制方案设计34、管式加热炉出口温度比值控制方案设计35、夹套式反应器温度比值控制方案设计36、燃烧式工业窑炉温度比值控制方案设计37、精馏塔精馏段温度比值控制方案设计38、流化床反应器温度比值控制方案设计39、发酵罐温度比值控制方案设计40、管式热裂解反应器原料油与蒸汽流量比值控制方案设计41、锅炉出口蒸汽压力单回路控制方案设计42、锅炉出口蒸汽压力串级控制方案设计43、锅炉出口蒸汽压力前馈—反馈控制方案设计44、锅炉出口蒸汽压力比值控制方案设计45、炉膛负压单回路控制方案设计46、炉膛负压前馈—反馈控制方案设计47、离心泵压力定值控制方案设计2班课程设计参考题目：1、换热器出口温度单回路控制方案设计2、乳化物干燥器温度单回路控制方案设计3、精馏塔提馏段温度单回路控制方案设计4、管式加热炉出口温度单回路控制方案设计5、夹套式反应器温度单回路控制控制方案设计6、燃烧式工业窑炉温度单回路控制方案设计7、精馏塔精馏段温度单回路控制方案设计8、流化床反应器温度单回路控制方案设计9、管式热裂解反应器出口温度单回路控制方案设计10、发酵罐温度单回路控制方案设计11、换热器出口温度串级控制方案设计12、乳化物干燥器温度串级控制方案设计13、精馏塔提馏段温度串级控制方案设计14、管式加热炉出口温度串级控制方案设计15、夹套式反应器温度串级控制控制方案设计16、燃烧式工业窑炉温度串级控制方案设计17、精馏塔精馏段温度串级控制方案设计18、流化床反应器温度串级控制方案设计19、发酵罐温度串级控制方案设计20、管式热裂解反应器出口温度串级控制方案设计21、换热器出口温度前馈—反馈控制方案设计22、乳化物干燥器温度前馈—反馈控制方案设计23、精馏塔提馏段温度前馈—反馈控制方案设计24、管式加热炉出口温度前馈—反馈控制方案设计25、夹套式反应器温度前馈—反馈控制控制方案设计26、燃烧式工业窑炉温度前馈—反馈控制方案设计27、精馏塔精馏段温度前馈—反馈控制方案设计28、流化床反应器温度前馈—反馈控制方案设计29、发酵罐温度前馈—反馈控制方案设计30、管式热裂解反应器出口温度前馈—反馈控制方案设计31、换热器出口温度比值控制方案设计32、乳化物干燥器温度比值控制方案设计33、精馏塔提馏段温度比值控制方案设计34、管式加热炉出口温度比值控制方案设计35、夹套式反应器温度比值控制方案设计36、燃烧式工业窑炉温度比值控制方案设计37、精馏塔精馏段温度比值控制方案设计38、流化床反应器温度比值控制方案设计39、发酵罐温度比值控制方案设计40、管式热裂解反应器原料油与蒸汽流量比值控制方案设计41、锅炉出口蒸汽压力单回路控制方案设计42、锅炉出口蒸汽压力串级控制方案设计43、锅炉出口蒸汽压力前馈—反馈控制方案设计44、锅炉出口蒸汽压力比值控制方案设计45、炉膛负压单回路控制方案设计46、炉膛负压前馈—反馈控制方案设计47、离心泵压力定值控制方案设计课程设计教材及主要参考资料：1、戴连奎，《过程控制工程》，化学工业出版社，20122、杜维，《过程检测技术及仪表》，化学工业出版社，20013、姜培正，《过程流体机械》，化学工业出版社，20024、王毅，《过程装备控制技术与应用》，化学工业出版社，20015、厉玉鸣，《化工仪表及自动化》，化学工业出版社，2006一、课程设计教学目的及基本要求：1．课程设计的教学目的培养学生将理论知识应用到解决实际问题的能力，通过该课程的学生，可以很好地训练学生的实际动手能力和解决工程问题的能力，为学生从学校到工厂和技术部门提供前期的训练。

过程控制工程第三版教学设计介绍过程控制工程作为现代工业的必要部分，涉及各种自动化领域，广泛应用于制造业、供应链管理、交通运输等行业。

本教学设计旨在讲解过程控制工程的基础知识，培养学生对控制系统的建模、仿真、设计和优化的能力。

本文将对本课程的教学内容、教学方法、教学评估等方面进行详细说明。

教学内容第一章：引言•引言和绪论•过程控制系统的组成•过程控制系统的分类第二章：控制系统的数学模型•控制系统的建模•四个基本元素及其表示•闭环系统和开环系统•传递函数和状态空间模型第三章：控制系统的时域分析•阶跃响应和脉冲响应•频域分析及其应用•稳态错误•稳态响应第四章：校准与调节•校准与调节的基础概念•模型参数识别•方法的评估第五章：控制器设计•PID控制器•线性二次调节器•稳定裕度的概念第六章：反馈控制•比例控制•积分控制•微分控制第七章：高级控制技术•前馈控制•向前控制•模型预测控制第八章：实时系统模拟•模拟算法的类型•实时控制器的优化•模拟软件的性能第九章：嵌入式控制系统•嵌入式系统的概念•嵌入式控制器的设计•嵌入式系统的性能评估第十章：工业自动化控制•工业自动化控制的概念•工业自动化系统的组成•工业自动化控制的应用案例教学方法讲授课程讲师通过PPT、教材、案例展示等方式深入浅出地讲解过程控制工程的知识点和相关技术，引导学生理解课程内容。

实践任务讲师会为学生设计一系列实践任务，让学生通过具体场景的模拟实践掌握过程控制工程的技术，如控制系统的建模与仿真、控制器设计、校准与调节等。

讨论课鼓励学生在讨论课上自由发言，互相交流学习成果，共同解决过程控制工程中出现的问题。

课程设计通过小组合作，让学生分别独立完成一项过程控制工程的设计任务，将学习成果应用于实际工程中进行实践。

教学评估课堂测试每周进行一次小测试，以检验学生对课程知识的掌握程度，提高他们的学习积极性。

平时作业安排一些课后作业来强化学生对知识点的理解和掌握，如编写控制系统的模型等。

过程控制工程 课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握过程控制工程的基本概念，理解控制系统的结构、原理及分类。

2. 使学生了解过程控制系统中各环节的作用，掌握主要参数的测定与调整方法。

3. 帮助学生理解过程控制系统的数学模型，并学会运用相关理论分析控制系统的性能。

技能目标：1. 培养学生运用所学理论知识，分析实际过程控制工程问题的能力。

2. 培养学生设计简单的过程控制系统方案，并进行模拟与优化的能力。

3. 培养学生团队协作、沟通表达和动手实践的能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对过程控制工程的兴趣，激发他们探究未知、解决问题的热情。

2. 培养学生严谨、务实的科学态度，使他们具备良好的工程素养。

3. 引导学生关注过程控制工程在国民经济和生活中的应用，提高他们的社会责任感。

本课程针对高年级学生，结合过程控制工程学科特点，注重理论与实践相结合，旨在提高学生的专业知识水平、实际操作能力和综合素养。

课程目标明确、具体，便于教师进行教学设计和评估，同时有利于学生明确学习方向，提高学习效果。

二、教学内容1. 过程控制工程基本概念：控制系统定义、分类、性能指标。

教材章节：第一章第一节2. 控制系统数学模型：传递函数、方框图、信号流图。

教材章节：第一章第二节3. 控制系统元件及环节：传感器、执行器、控制器、滤波器等。

教材章节：第二章4. 过程控制系统设计：系统建模、控制器设计、系统仿真。

教材章节：第三章5. 常见过程控制系统分析：PID控制、模糊控制、自适应控制。

教材章节：第四章6. 过程控制系统应用实例：化工、热工、电力等领域。

教材章节：第五章教学内容安排和进度：第一周：过程控制工程基本概念第二周：控制系统数学模型第三周：控制系统元件及环节第四周：过程控制系统设计第五周：常见过程控制系统分析第六周：过程控制系统应用实例教学内容根据课程目标进行选择和组织，确保科学性和系统性。

通过制定详细的教学大纲，明确教材章节和内容，有助于教师按计划进行教学，同时便于学生跟进学习进度。