过程装备控制技术及其应用B2

过程装备控制技术及应用第二版教学设计一、教学背景随着工业化进程的加速，过程装备运行控制技术的需求越来越迫切。

本课程侧重于介绍过程装备的控制方法和应用，使学生掌握过程装备控制技术的基础知识和运用能力。

二、教学目标•掌握过程控制系统的基本组成、结构和功能，了解系统的运作原理。

•理解控制对象的特性和模型，掌握控制方法的基本原理和应用。

•了解常见的反馈控制、前馈控制和组合控制方法，能够运用不同的控制策略解决过程控制问题。

•熟悉传感器、执行器、控制器和通信系统的应用原理和配置方法。

•能够依据实际过程需求选择合适的控制器、传感器和执行器，并能为不同的控制系统确定合适的技术方案。

•能够使用计算机辅助设计软件进行过程控制系统的设计、仿真和优化。

三、教学内容1.过程控制系统概述–过程控制概念和分类–过程控制系统的基本结构和组成–过程控制系统的运作原理和优化方法2.控制对象建模与控制方法–控制对象的特性和模型–控制方法的基本原理和应用–经典控制方法：PID控制、根轨迹控制、频域控制–先进控制方法：模型预测控制、自适应控制、智能控制3.控制策略及应用–反馈控制、前馈控制和组合控制–控制策略的选择和优化–控制系统的稳定性和性能分析4.控制器、传感器、执行器及通讯系统的应用–控制器的种类和特点，选择和应用–传感器和执行器的原理和应用–控制系统的通信方式和通讯协议5.过程控制系统的设计与仿真–过程控制系统的设计流程和方法–计算机辅助设计软件的应用–过程控制系统的仿真、优化和调试四、教学方法•理论授课与案例分析相结合•学生自主学习和团体讨论，探讨过程控制问题•实验操作，体验过程控制技术的应用•作业实践与课程设计，提高学生的实践能力五、教学评估方式•期末考试：占60%•平时成绩：占40%–实验报告和作业：占20%–课程设计报告和展示：占20%六、参考教材•《过程装备控制技术及应用》第二版，高等教育出版社•《过程控制技术与应用》第三版，高等教育出版社•《现代控制理论》第四版，清华大学出版社。

过程装备控制技术及应用习题及参考答案第一章 控制系统的基本概念9.试画出衰减比分别为n<1,n=1,n>1,n →∞ 时的过度过程曲线？答：如图所示：第二章 过程装备控制基础6.什么是调节器的控制规律？调节器有哪几种基本控制规律？答：调节器的控制规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律或是指控制器的输出信号P 与输入偏差信号e 之间的关系。

常用的基本调节规律有：位式，比例，积分，微分等，以及它们的组合控制规律如PI ，PD ，PID 。

15．调节器控制规律选择的依据是什么？答：关于控制规律选取可归纳为以下几点：① 简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控变量，如果负荷变化较大，无论选择哪种调节规律，简单控制系统都很难得到满意的控制质量，此时，应设计选取用复杂的控制系统。

② 在一般的控制系统中，比例控制是必不可少的，当广义对控制通道时间常数较少，负荷变化较小，而工艺要求不高时，可选择单纯的比例规律，如贮罐液位，不太重要的压力等参数控制。

n<1，发散振荡n 〉1，衰减振荡 n=1，等幅振荡 n →∞，单调过程③ 当广义对象控制通道时间常数较，负荷变化较小，而工艺要求无余差时，可选用比例积分调节规律，如管道压力，流量等参数的控制。

④ 当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用，如工艺充许消除余差，可选用比例微分调节规律；如工艺要求无余差时，则选用PID 调节规律，如温度，成分，PH 等参数控制。

⑤ 如果被控对象传递参数可用 近似，则可根据对象的可控比t/T 选择哪个调节器的调节规律。

当t/T 时，选用P 或PI ；当 时，选PD 或PID ；当 时，采用简单控制系统往往不能满足控制要求，这时应选用复杂控制系统。

第三章 过程检测技术13用两只分度号为K 的热电偶测量A 区与B 区的温差，连接方法如图3－79所示。

若（1） 0220A t C = ， 020B t C =（2）0200A t C =， 0500B t C =试分别求两种情况下的示值误差,并解释为何与实际温差不同.解:查热电偶分度号表:K 型热电偶:20℃ 200℃ 220℃ 500E: 0.798mv 8.137mv 8.937mv 20.640mv(1) ΔE=8.938-0.798=8.140mv反查K 热电偶分度号表: 201℃-----8.177mv内析求得: Δt=200.075℃(2) ΔE=20.640-8.137=12.503℃反查K 分度号表:307----12.498℃; 308----12.539℃内析求得: Δt=307.12℃分析原因:低温度下热电势与温度线性关系较好,高温时误差较大。

《过程装备控制技术及应用》课程教学大纲课程编号：04021006课程名称：过程装备控制技术及应用英文名称：Control Technique and Application of Process Equipment课程类型：必修课课程性质：专业课总学时：48 讲课学时：42 实验（实践）学时：6学分：3适用对象：过程装备与控制工程专业全日制本科生先修课程：普通物理、电工与电子技术基础、大学计算机基础、化工原理一、编写说明（一）制定大纲的依据依据教育部过程装备与控制工程专业教学指导分委员会制定的过程装备与控制工程专业培养方案，并参照本学科专业人才培养规格与培养模式的要求进行编写。

（二）课程简介本课程主要讲授过程装备控制系统组成、结构、分类及性能指标；被控对象特性、简单控制系统和复杂控制系统；压力、温度、流量、液位、物质成分等参数的测量原理、方法及应用；传感器、过程控制变送器、调节器、执行器；计算机控制系统，先进控制系统；典型过程控制系统应用方案；培养“过程—装备—控制”一体化的复合型专业技术人才。

（三）课程的地位与作用本课程是过程装备与控制工程专业的主干专业课程之一，可以使本专业的学生将过程工艺、过程机械、计算机自动测试、控制、自动化等方面的知识有机的结合在一起；培养具有多学科知识与技能的复合型人才；本课程与其他专业课程（化工原理、过程设备设计、过程流体机械）互相联系，构成过程装备与控制工程的主干专业课程体系。

（四）课程性质、目的和任务课程性质：过程装备与控制工程专业（本科）的主干专业课程。

课程目的：通过教学过程使学生掌握过程控制的基本理论、过程检测技术方法及检测仪表、过程控制装置组成、工作原理及技术性能、化工过程典型控制系统应用方案。

课程任务：培养学生对过程装备进行控制方案分析、控制系统设计及先进控制技术的应用和开发能力。

（五）与其他课程的联系本课程学习需具备微机原理及电子技术基础知识，与其他课程（化工原理、过程设备设计、过程流体机械等）互相联系、渗透，相辅相承，构成专业课程体系。

1. 过程装备的三项基本要求过程装备的三项基本要求：安全性、经济性和稳定性.A.安全性:指整个生产过程中确保人身和设备的安全B.经济性:指在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少，也就是要求生产成本低而效率高C.稳定性:指系统应具有抵抗外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力.2. 过程装备控制的主要参数：温度、压力、流量、液位（或物位）、成分和物性等.3. 流程工业四大参数：温度、压力、流量、液位（或物位）4. 控制系统的组成控制系统的组成:(1)被控对象 (2)测量元件和变送器 (3)调节器 (4)执行器5. 控制系统各参量及其作用:1.被控变量 y 指需要控制的工艺参数，它是被控对象的输出信号 2.给定值（或设定值) ys 对应于生产过程中被控变量的期望值 3.测量值 ym 由检测元件得到的被控变量的实际值 4.操纵变量（或控制变量）m 受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，它是调节阀的输出信号5.干扰（或外界扰动）f 引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素6.偏差信号 e 在理论上应该是被控变量的实际值与给定值之差7.控制信号u 控制器将偏差按一定规律计算得到的量。

6. 控制系统的分类（1）控制系统的分类：按给定值 a 定值控制系统；随动控制系统；程序控制系统（2） b c 按输出信号的影响 a 闭环控制；b 开环控制（3）按系统克服干扰的方式 a 反馈控制系统；b 前馈控制系统；c 前馈-反馈控制系统7. 控制系统过度过程定义：从被控对象受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起，调节器开始发挥作用，使被控变量回复到给定值附近范围内，然而这一回复并不是瞬间完成的，而是要经历一个过程，这个过程就是控制系统的过渡过程。

8. 阶跃干扰下过渡过程的基本形式及其使用特点（1）发散振荡过程：这是一种不稳定的阶跃干扰下过渡过程的基本形式及其使用特点：过渡过程，因此要尽量避免（2）等幅振荡过程：被控变量在某稳定值附近振荡，而振荡幅度恒定不变，这意味着系统在受到阶跃干扰作用后，就不能再稳定下来，一般不采用（3）衰减振荡过程：被控变量在稳定值附近上下波动，经过两三个周期就稳定下来，这是一种稳定的过渡过程（4）非振荡的过渡过程：是一个稳定的过渡过程，但与衰减振荡相比，其回复到平衡状态的速度慢，时间长，一般不采用。

2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？答：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。

8.什么是自动控制系统的过度过程？在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式？其中哪些能满足自动控制的要求，哪些不能，为什么？答：系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为系统的过度过程。

①发散振荡过程②等幅振荡过程③衰减振荡过程④非振荡的单调过程。

衰减振荡和非振荡的单调过程属于稳定的过渡过程，能满足自动控制的要求，其它的不能。

9.试画出衰减比分别为n<1,n=1,n>1,n→∞时的过度过程曲线？4.在控制系统中，对象的放大系数，时间常数，滞后时间对控制有什么影响？答：对于不同的通道，对象的特性参数（K，T ，τ）对控制作用的影响是不同的。

对于控制通道：放大系数K大，操纵变量的变化对被控变量的影响就大，即控制作用对扰动的补偿能力强，余差也小；放大系数K小，控制作用的影响不显著，被控变量的变化缓慢。

但K太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降。

在相同的控制作用下，时间常数T 大，则被控变量的变化比较缓慢，此时对象比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较大；若时间常数T小，则被控变量变化速度快，不易控制。

时间常数太大或太小，在控制上都将存在一定困难，因此，需根据实际情况适中考虑。

滞后时间τ的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，控制质量下降。

因此，应尽量减小滞后时间τ。

对于扰动通道：放大系数K大对控制不利，因为当扰动频繁出现且幅度较大时，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数k小，即使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。

时间常数T大，扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象较易控制。

纯滞后的存在，相当于将扰动推迟τ0时间才进入系统，并不影响控制系统的品质；而容量滞后的存在，则将使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和些，因此，对系统是有利的。

1:生产过程自动化系统包含的内容——①自动检测系统②自动操纵系统③自动控制系统④信号联锁系统2：过程装备控制的任务：就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据安全性、经济性和稳定性三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现。

3：被控变量y：指需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位、反应器的温度、物料流量等。

给定值(或设定值)ys：对应于生产过程中被控变量的期望值。

可由调节器内部或由外界给定。

测量值ym：由检侧元件得到的被控变量的实际值。

操纵变量(或控制变量)m：受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量，它是调节阀的输出。

控制信号u：控制器将偏差按一定规律计算得到的量。

干扰（或外界扰动）f 引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素。

偏差信号 e e=)ys-ym:4：5：控制系统的过渡过程：1）发散振荡过程它表明系统在受到阶跃干扰的作用后，不但不能使被控变量回到给定值，反而越来越偏离给定值，以致超出生产的规定限度，严重时引起事故。

这是一种不稳定的过渡过程，因此要尽量避免。

2）衰减振荡过程被控变量在稳定值附近上下波动经过二三个周期就稳定下来。

这是一种稳定的过渡过程，在过程控制中，多数情况下都希望得到这样的过渡过程。

3）等幅振荡过程被控变量在某稳定值附近振荡，而振荡幅度恒定不变。

这意味着系统在受到阶跃干扰作用后，就不能再稳定下来，一般不采用。

只是在某些工艺上允许被控变量在一定范围内波动、控制质量要求不高的场合，这种形式的过渡过程才被采用。

4）非振荡的单调过程它表明被控变量最终稳定下来了，是一个稳定的过渡过程。

但与衰减振荡相比，其回复到平衡状态的速度慢、时间长，因此一般不采用。

6：过渡过程的质量指标：以系统受到单位阶跃输入作用后的响应曲线（又称过渡过程曲线）的形式给出的，如最大偏差(或超调量)、衰减比、余差、回复时间等，称为过渡过程的质量指标;1）最大偏差A（或超调量σ）：对一个定值控制系统来说，最大偏差是指过渡过程中被控变量第一个波的峰值与给定值的差；2）衰减比：是过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，即B1: B2一般用n:1表示。