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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。
第三章 习题及答案传递函数描述其特性，现在用温度计测量盛在容器内的水温。
发现需要时间才能指示出实际水温的98%的数值，试问该温度计指示出实际水温从10%变化到90%所需的时间是多少?解： 41min, =0.25min T T = 1111()=1-e0.1, =ln 0.9t h t t T -=-T21T22()=0.9=1-e ln 0.1t h t t T -=-，210.9ln2.20.55min 0.1r t t t T T =-===2.已知某系统的微分方程为)(3)(2)(3)(t f t f t y t y +'=+'+''，初始条件2)0( , 1)0(='=--y y ，试求：⑴系统的零输入响应y x (t )；⑵激励f (t ) (t )时，系统的零状态响应y f (t )和全响应y (t )；⑶激励f (t ) e 3t(t )时，系统的零状态响应y f (t )和全响应y (t )。
解：(1) 算子方程为：)()3()()2)(1(t f p t y p p +=++)()e 25e 223()()()( )()e 21e 223()()()( )()e e 2()(2112233)( )2(;0 ,e 3e 4)( 34221e e )( 2x 2222x 212121221x t t y t y t y t t t h t y t t h p p p p p p H t t y A A A A A A A A t y t t t t t t f f t t ttεεεε------------+=+=+-==-=⇒+-+=+++=-=⇒⎩⎨⎧-==⇒⎩⎨⎧--=+=⇒+=∴* )()e4e 5()()()( )()e e ()(e )()( )3(2x 23t t y t y t y t t t h t y ttt t t f f εεε------=+=-==*3.已知某系统的微分方程为)(3)(')(2)(' 3)(" t f t f t y t y t y +=++，当激励)(t f =)(e4t tε-时，系统2的全响应)()e 61e 27e314()(42t t y t t tε-----=。
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。
过程控制工程第三版教学大纲一、背景和介绍过程控制工程是一门涉及控制和监测工业过程的学科。
过程控制工程在化工、石油和制造业等领域广泛应用，是工业自动化中不可或缺的一部分。
本课程旨在为学生提供必要的知识和技能，以便他们在未来的职业生涯中成为过程控制工程师。
二、课程目标本课程的学习目标如下： - 理解过程控制工程的基本概念和原理，包括传感器、控制器、执行器等的使用。
- 学习如何设计和实现一个简单的过程控制系统，包括信号处理、模型建立和控制算法的应用。
- 掌握常见的控制策略，包括PID控制、模型预测控制、最优控制等，并了解如何选择和使用不同的控制策略。
- 学习如何使用计算机进行过程控制系统的建模和仿真。
- 掌握过程控制系统的调试和维护方法。
三、课程详细内容本课程的内容如下所述：第一章：控制系统概述•引言和概述•控制系统的基本要素•控制系统的分类•控制系统的性能指标第二章：传感器和执行器•传感器的基本原理和分类•信号处理和传输•执行器的基本原理和分类•报警和安全切断装置第三章：控制器•控制器的基本原理和分类•PID控制器及其参数调节•其他控制策略：模型预测控制、最优控制等•控制器的调试和维护第四章：过程建模和控制算法•过程建模的基本原理和方法•基于模型的控制算法•现场控制和优化第五章：计算机控制系统•实时控制系统概述•实时控制系统的硬件和软件•实时控制系统的设计与实现•实时控制系统的调试和维护四、教学方法和评估本课程的教学方法包括讲授、实验和综合性设计任务。
课堂讲授将介绍过程控制工程的基本知识和技能，实验和综合性设计任务将帮助学生巩固和应用所学知识。
评估方式包括平时成绩、考试和综合性设计任务。
五、参考书目•史密斯，卡尔. 过程控制工程[M]. 机械工业出版社, 2005.•埃尔曼. 过程控制[M]. 科学出版社, 2011.•陈学林, 王福梅. 控制工程实验教程[M]. 电子工业出版社, 2009.六、结论过程控制工程是工业自动化中不可或缺的一部分。
第二章思考题及习题2.1 与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点?答：串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。
因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好。
(1) 串级控制系统具有更高的工作频率；(2) 串级控制系统具有较强的抗干扰能力；(3) 串级控制系统具有一定的自适应能力2.2 为什么说串级控制系统主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数的符号，而与其他环节无关?答：主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定。
主环内包括有主控制器、副回路、主对象和主变送器。
控制器正、反作用设置正确的副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来看待。
这样，只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求。
即Sign{G 01(s )}Sign{G 02’(s )}Sign{G m1(s )}Sign{G c1(s )}=-1就可以确定主控制器的正、反作用。
实际上主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的，再考虑副回路视为一放大倍数为“正”的环节，因此主控制器的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。
当主对象放大倍数符号为“正”时，主控制器应选“负”作用；反之，当主对象放大倍数符号为“负”时，主控制器应选正作用。
2.3 串级控制系统的一步整定法依据是什么?答：一步整定法的依据是：在串级控制系统中一般来说，主变量是工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量，因此对它要求比较严格。
而副变量的设立主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化，因此在整定时不必将过多的精力放在副环上，只要主变量达到规定的质量指标要求即可。
此外对于一个具体的串级控制系统来说，在一定范围内主、副控制器的放大倍数是可以互相匹配的，只要主、副控制器的放大倍数K c1与K c1的乘积等于K s (K s 为主变量呈4：1衰减振荡时的控制器比例放大倍数)，系统就能产生4：1衰减过程(下面的分析中可以进一步证明)。
图3.1 单回路控制系统方框图图3.2 扰动作用于不同位置的控制系统 第三章 单回路控制系统第一节 单回路控制系统的概述及调节器参数整定方法一、 单回路控制系统的概述图3.1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器所组成的一个闭环控制系统。
系统的给定量是一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。
由于这种系统结构简单，调试方便，性能较好，故在工业生产中被广泛应用。
二、 干扰对系统性能的影响● 干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响干扰通道的放大系数Kf 会影响干扰加在系统中的幅值。
若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。
我们希望干扰通道的放大系数愈小愈好。
如果干扰通道是一个惯性环节，令时间常数为Tf ，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。
即时间常数Tf 越大，则系统的动态偏差就愈小。
通常干扰通道中还会有纯滞后环节，使被调参数的响应时间滞后一个τ值，即)-Y(t (t)Y ττ=上式表明调节过程沿时间轴平移了一个τ的距离，即干扰通道出现纯滞后，但不会影响系统的调节质量。
● 干扰进入系统中的不同位置复杂的生产过程往往有多个干扰量，他们作用在系统的不同位置，如图3.2所示。
控制理论证明，同一形式、大小相同的扰动在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。
对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。
δ1K =(S)G P C =三、 控制规律的确定选择系统调节规律的目的是令调节器与调节对象很好匹配，使组成的控制系统满足工艺上所提出的动、静态性能指标。
比例(P)调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。
由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。
这种调节器的主要缺点是使系统有静差存在。
其传递函数为式中Kp 为比例系数，δ为比例带。
比例积分(PI)调节PI 调节器就是利用P 调节快速抵消干扰的影响，同时利用I 调节消除残差，但I 调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。
