1 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 2 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。
第一章 绪 论
本章提要
1. 过程控制系统的基本概念
2. 过程控制的发展概况
3. 过程控制系统的组成
4. 过程控制的特点及分类
5. 衡量过程控制系统的质量指标
授课内容
第一节 过程控制的发展概况
1. 基本概念
过程控制系统-----指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成
分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。(P3)
过程控制-----指工业部门生产过程的自动化。(P3)
2. 过程控制的重要性 z 进入90年代以来自动化技术发展很快，是重要的高科技技术。过程控制是
自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化电过程控制技术
正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约
能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。
3. 过程控制的发展概况 z 19世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，
劳动生产率很低。
z 19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶
段，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。主要特点：检测和控制仪
表-----采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程控制系
统结构------单输入、单输出系统；被控参数------温度、压力、流量和液位
参数；控制目的------保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的主
要扰动；理论-----频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输出
的定值控制系统的分析和综合问题。
z 19世纪60年代(综合自动化阶段)：过程控制发展的第二个阶段，工厂企业
实现车间或大型装置的集中控制。主要特点：检测和控制仪表-----采用单
元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，计算机控制系统的应用，实现直接
数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；过程控制系统结构------多变量系统，
各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统；
《过程控制系统》课程简介
课程编号：06024012课程名称：过程控制系统/ Process Control System
学分：2.5学时：40 （课内实验：4 上机： 课外实践： ）
适用专业：自动化专业建议修读学期：7
开课单位：测控技术与仪器系先修课程：《自动控制原理》《自动检测技术》等
考核方式与成绩评定标准：考试，成绩=期末成绩（70%） +平时成绩（30%）教材与主要参考书目：
《过程控制系统》（第二版） 方康玲主编 武汉理工大学出版社2007.2《过程控制工程》，蒋慰孙、俞金寿 编著，中国石化出版社，1999
《过程控制系统及工程》，翁维勤、周庆海编，化学工业出版社，1996《过程控制工程》，孙洪程等编，高等教育出版社，2006
《工业生产过程控制》，何衍庆等编，化学工业出版社，2004内容概述：中文：过程控制和运动控制是自动控制技术的两个重要分支。本课程主要介绍了过程控制的基 本概念、组成以及简单过程控制、复杂过程控制系统的基本原理、系统设计技术以及应用技术等。在介绍 每一种控制策略的同时，都给出了其在不同实际场合下的具体应用实例。
英文： Process control and motion control are the two important branch of automation control technology. This course
mainly introduce the basic concept of process control, constitution and the basic principle, system design technology,
and application technology of process control. At the same time, concrete examples are given to introduce the different
第一篇 过程控制系统
第一章 单回路反馈控制系统 简称：单回路控制系统、简单控制系统
在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种。 在生产过程控制中应用得最为广泛的、并能解决大量控制问题的系统
（70%）。 研究单回路系统的分析和设计方法，是研究复杂控制系统的基础。 1.1 单回路系统的结构组成一、
系统的组成举例 ： 如图所示的水槽，流入量 F1、流出量F2，为了控制水槽
的液位L不变，选择相应的变送器、控制器、控制阀，并按左图组成单回反馈控制系统。
图1-2 水槽液位控制系统
注： LC表示液位控制器，sp代表控制器的给定值。
假定控制阀为气闭，控制器为反作用。
偏差：测量信号与给定值之差。
当测量值大于给定值时，偏差为正，反之为负。第一种情况（初始状态：平衡
状态F1=F2） 入口阀突然开大 → F1>F2 → L↑ → 正偏差 → 输出减小 → 控制阀↑ →
F2 ↑→ L↓→F1=F2→ 系统达到新的平衡入口阀突然开小→ F1<F2→L ↓ → 负偏差 → 输出增大 → 控制阀↓ → F2 ↓→ L ↑ → F1=F2 → 系统达到新的平
衡
第二种情况初始状态：平衡状态F1=F2）出口阀突然开大 →F２>F1→L ↓→ 负偏差 →输出增大 →控制阀↓→F2↓→ L↑→ F1=F2→系统达到新的平
衡 出口阀突然关小→ F1>F2 → L ↑ → 正偏差 → 输出减小 → 控制阀↑ →
F2 ↑ → L ↓ → F1=F2→系统达到新的平衡
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单回路控制系统方框图
R(S)：给定值的拉氏变换式 Gc(S)：控制器传递函数
X(S)：测量值的拉氏变换式 Gv(S)：控制阀传递函数
E(S)：偏差的拉氏变换式 Gm(S) 变送器传递函数
U(S)：控制信号的拉氏变换式 Go(S)：对象控制通道的传函 Q(S)：操纵变量的拉氏变换式 Gf(S)：对象扰动通道的传函
