过程控制技术教案.docx
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过程控制技术教案
湖南工业职业技术学院
教案
部门电气系
课程过程控制技术
任课教师
授课班级电气S2003-1,2,3,4
2005年下学期
湖南工业职业技术学院教案
教研室主任（签名）备课日期2005年9月17日
授课班级
电气S03-3、4班
电气S03-1、2班
授课日期
星期
周
1
4
1
4
课题
过程控制系统的组成和分类
教学准备
看书
写教案
教学目的
与要求
了解过程控制在生活中的认识
掌握过程控制的基本概念
掌握过程控制系统的框图
了解过程控制系统的分类
授课方式
讲授
教学过程（检查复习，教授听课，巩固复习，课堂小结，安排作业）
教授听课
课堂小结
前言
一、本课程的特点和重要性
1．自动化专业的重要专业课，是自动化专业区别于其它专业的主要课程。
2．涉及知识面广，需要计算机、电子技术、自控理论、电气控制技术灯多方面的知识。
3．能产生比自身成本高几十倍的效益
二、学习方法
1．联系生活实际、增加知识面
2．多作实验
第一章绪论
过程控制一般是指冶金、石油、化工、机械、电子、轻工、建材等工业部门的生产过程的自动化，随着经济的发展，高层楼宇不断涌现，过程控制技术在民用行业中应用也越来越广。
第一节过程控制系统的组成和分类
过程控制系统是指自动控制生产过程中的温度、压力、流量、料位等这样一些变量，且使这些变量稳定在某一范围或按预定的规律变化的系统。
一、过程控制系统的组成
1．冰箱自控系统示意图
冰箱的控制系统简图如下：
2．恒稳室自控系统示意图
恒稳室的控制系统简图如下：
二、过程控制系统的框图
为了能更清楚地表示一个自动控制系统各组成部分之间的相互影响和信号关系，一般都用框图来表示控制系统的组成。
一般一个单回路的控制系统可用以下框图表示：
框图中各部分的解释如下：
被控对象：
简称对象，指自动控制系统中要进行控制的设备或生产过程的一部分或全部。
例如：
空调房间，冰箱，锅炉，自来水。
被控变量：
被控对象中要求实现自动控制的物理量，例如温度、湿度、压力等。
设定值：
又称给定值，即通过控制作用，使被控变量达到要求的数值。
传感器：
或称变送器，将被控（测）量按一定的规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的物理量的元件，如热电偶、热电阻等。
变送器的作用是将传感器测出的被控量，变换成统一标准的信号形式。
如温度变送器、差压变送器。
控制器：
又称调节器，是将被控变量的实测值信号与设定值信号比较，检测偏差并对偏差进行运算，按照预定的规律发出控制指令的部件。
因此，它一般具有设定、比较、指示、运算和操作功能。
执行器：
将来自控制器的控制信号，转变为操作量的部件，由执行机构和调节机构组成。
例如，电动调节阀是由电动执行机构（电动机、减速器）和调节阀组成。
操作量：
是为了是被控变量受到干扰后，再恢复到新稳定值而需要通过调节机构向对象输入的物理量或能量。
干扰：
引起被控量发生变化的外部原因。
三、过程控制系统的分类
根据系统设定值的不同，可分为以下几类：
定值控制系统
程序控制系统
随动控制系统
湖南工业职业技术学院教案
教研室主任（签名）备课日期2005年9月19日
授课班级
电气S03-3、4班
电气S03-1、2班
授课日期
星期
周
5
4
5
5
课题
tkgk-1实验装置的基本操作
教学准备
看书
写教案
教学目的
与要求
了解tkgk-1实验装置的基本操作
掌握tkgk-1实验装置的仪表调校
授课方式
讲授
教学过程（检查复习，教授听课，巩固复习，课堂小结，安排作业）
教授听课
课堂小结
实验装置的基本操作与仪表调试
一、实验目的
1）、了解本实验装置的结构与组成。
2）、掌握液位、压力传感器的使用方法。
3）、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法。
二、实验设备
1）TKGK-1型过程控制实验装置：
交流变频器GK-07-2
直流调速器GK-06
PID调节器GK-04
2）万用表
三、实验装置的结构框图
图1-1、液位、压力、流量控制系统的结构框图
四、实验内容
1、设备组装与检查：
1）、将GK-07-2、GK-06、GK-04挂件由左至右依次挂于实验屏上。
并
将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中。
2）、检查挂件的电源开关是否关闭。
3）、用万用表检查挂件的电源保险丝是否完好。
2、系统接线
1）、直流部分：
将一台GK04的PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”接GK06的控制电压“输入”；GK06的“电枢电压”和“励磁电压”输出端分别接GK01的直流他励电动机的“电枢电压”和“励磁电压”输入端。
2）、交流部分：
将另一台GK04的PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”端接GK-07-2变频器的“2”与“5”接线端；将GK-07-2变频器的输出“A、B、C”接GK-01上三相异步电机的“A、B、C”输入端；将三相异步电机接成三角形，即“A”接“Z”、“B”接“X”、“C”接“Y”；GK-07-2的“SD”接“STR”使电机正转打水，（若此时电机为反转则“SD”接“STF”）。
3、启动实验装置：
1）、将实验装置电源插头接到~220V市电电源。
2）、打开电源空气开关与电源总钥匙开关。
3）、按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源，交流电压表指示220V。
4、仪表调整：
（仪表的零位与增益调节）
在GK-02装置结构展示屏的左侧，有五组传感器检测信号输出：
LT1、PT、LT2、FT、TT（输出标准信号DC0~5V），它们旁边分别设有数字显示器，以显示相应的输出值。
在LT1、PT、LT2数字显示器的右边各有二个电位器，可通过这些电位器调整相应传感器的零位和增益，在每次实验进行之前，必须作好这些准备工作。
调试步骤如下：
1）、将三根ø6的橡皮导气管（约0.6m长）的一端分别竖直地插入上、下水箱底部（上水箱两根，下水箱一根），再将它们的另一端接到三个差压传感器（MPX2010DP）的正压室。
2）、打开阀1、阀3，关闭阀7、阀8，（或者打开阀7、阀8，关闭阀1、阀3）关闭阀2、阀4、阀5、阀6，然后开启变频器（或直流调速器），启动一个齿轮泵，给上、下水箱供水，使其液面均上升至10cm高度，关闭变频器（或直流调速器）。
3）、将各增益调节电位器置于中间位置，然后调节零位调节电位器，使LT1
两端的输出电压为3.33V（显示器显示10.00），LT2两端的输出电压为3.33V（显示器显示10.00），PT两端的输出电压为3.33V（显示器显示980）。
4）、零位调节
a、打开阀2、阀4，排空上、下水箱中的水，关闭阀2、阀4。
b、调节“零位调节”电位器，使LT1、LT2和PT输出为零伏，显示器显示为00.00cm。
注：
稳定几分钟后进入下一步。
5）、开始增益调节：
a、启动齿轮泵，使上、下水箱水位上升至于10cm高度，然后再关闭齿轮泵。
b、调节“增益调节”电位器，使LT1、LT2显示器显示10.00cm，Pa显示器显示980Pa。
6）、重复实验步骤4、5，反复调整零位和增益，使上、下水箱水位为零时，LT1、LT2、PT输出都为0V（显示器显示00.00）；上、下水箱水位上升至于10cm高度时，LT1两端的输出电压为3.33V（显示器显示10.00），LT2两端的输出电压为3.33V（显示器显示10.00），PT两端的输出电压为3.33V（显示器显示980）。
湖南工业职业技术学院教案
教研室主任（签名）备课日期2005年9月24日
授课班级
电气S03-3、4班
电气S03-1、2班
授课日期
星期
周
1
5
1
5
课题
过程控制参数测量仪表
教学准备
看书
写教案
教学目的
与要求
掌握温度测量仪表的原理和使用
掌握湿度测量仪表的原理和使用
授课方式
讲授
教学过程（检查复习，教授听课，巩固复习，课堂小结，安排作业）
教授听课
课堂小结
第二章过程控制参数测量仪表
第一节温度测量仪表
一、概述
温度是供热、供燃气、通风和空调系统中最普遍而重要的参数之一，许多工艺过程要在一定温度条件下才能顺利进行。
选择某一个物体和被测物体相接触来测量它的温度。
当两者达到热平衡时，通过测量被选物体随温度变化的物理量，可以定量地测出被测物体的温度数值。
1．温标
2．温度测量仪表的分类
可分为膨胀式、压力表式、热电阻、热电偶及辐射式五类。
二、膨胀式温度计
1．玻璃管液体温度计
2．固体膨胀式温度计
3．压力式温度计
三、热电偶温度计
1．热电偶测温原理
热电偶是应用最广泛的一种测温元件，通常与显示仪表和连接导线组成测温系统。
热电偶将被测温度t变换成热电动势E，经连接导线传递给显示仪表进行测量并指示或记录出相应的温度。
如果使自由端温度恒定，回路总的热电动势与工作端温度成单值函数关系。
只要用仪表测出电动势，就可求出被测温度。
2．常用热电偶
标准热电偶：
七种。
3．热电偶构造
4．热电偶的冷端温度补偿
四、热电阻温度计
1．热电阻测温原理
2．常用金属热电阻
3．半导体热敏电阻
五、温度测量仪表的选择与安装
湖南工业职业技术学院教案
教研室主任（签名）备课日期2005年9月30日
授课班级
电气S03-3、4班
电气S03-1、2班
授课日期
星期
周
5
6,8
5
7,10
课题
单容水箱液位控制
教学准备
看书
写教案
教学目的
与要求
掌握P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响
授课方式
讲授
教学过程（检查复习，教授听课，巩固复习，课堂小结，安排作业）
教授听课
课堂小结
单容水箱液位PID控制系统
一、实验目的
1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2）、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。
3）、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。
4）、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。
二、实验设备
1）、THGK-1型过程控制实验装置：
GK-04GK-06GK-07-2
2）、万用表一只
3）、秒表一只
4）、计算机系统
三、实验原理
1、单容水箱液位控制系统
图6-1、单容水箱液位控制系统的方块图
图6-1为单容水箱液位控制系统。
这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。
单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。
当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至使系统不能正常工作。
因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。
一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分（PID）调节器
是在PI调节器的基础上再引
入微分D的作用，从而使系
统既无余差存在，又能改善图6-3、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
系统的动态性能（快速性、稳定性等）。
在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图6-3中的曲线①、②、③所示。
四、实验内容与步骤
（一）、比例（P）调节器控制
1）、按图6-1所示，将系统接成单回路反馈系统（接线参照实验一）。
其中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度h1。
2）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。
3）、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。
4）、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处）。
5）、观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调节器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关”的位置，比例度设置于某一中间值，“正-反”开关拔到“反”的位置，调节器的“手动”开关拨到“自动”位置），让系统投入闭环运行。
6）、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现）。
记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。
7）、减小δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
8）、增大δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
9）、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。
10）、注意：
每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。
（二）、比例积分调节器（PI）控制
1）、在比例调节实验的基础上，加入积分作用（即把积分器“I”由最大处“关”旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位置），观察被控制量是否能回到设定值，以验证在PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。
2）、固定比例度δ值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。
表二、δ值不变、不同Ti时的超调量σp
积分时间常数Ti
大
中
小
超调量σp
3）、固定积分时间Ti于某一中间值，然后改变δ的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同δ值下的超调量σp。
表三、Ti值不变、不同δ值下的σp
比例度δ
大
中
小
超调量σp
4）、选择合适的δ和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。
此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。
（三）、比例积分微分调节（PID）控制
1）、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把D打开。
然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验步骤
（二）所得的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。
2）、选择合适的δ、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现）。
3）、用计算机记录实验时所有的过渡过程实时曲线，并进行分析。
五、实验报告要求
1）、绘制单容水箱液位控制系统的方块图。
2）、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述无扰动切换的方法。
3）、P调节时，作出不同δ值下的阶跃响应曲线。
4）、PI调节时，分别作出Ti不变、不同δ值时的阶跃响应曲线和δ不变、不同Ti值时的阶跃响应曲线。
5）、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。
6）、比较P、PI和PID三种调节器对系统余差和动态性能的影响。
六、注意事项
1）、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。
2）、必须在老师的指导下，启动计算机系统和单片机控制屏。
3）、若参数设置不当，可能导致系统失控，不能达到设定值。
湖南工业职业技术学院教案
教研室主任（签名）备课日期2005年10月30日
授课班级
电气S03-3、4班
电气S03-1、2班
授课日期
星期
周
1
10
1
10
课题
简单控制系统的设计
教学准备
看书
写教案
教学目的
与要求
掌握简单控制系统参数的设置
授课方式
讲授
教学过程（检查复习，教授听课，巩固复习，课堂小结，安排作业）
教授听课
课堂小结
第四节简单控制系统的设计
简单控制系统由被控对象、检测变送元件、调节器和执行器等环节组成，是对被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。
其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求。
简单控制系统分析、设计方法是其他各类控制系统分析和设计的基础。
在选择控制方案时，只有当简单控制系统不能满足控制要求时，才考虑采用其它教复杂的控制方案。
一、过程控制系统设计概述
首先要确定控制过程，然后才进行系统设计。
控制过程是由工艺决定的，必须结合过程特性的分析，明确被控变量、操纵变量及主要扰动。
控制系统设计时，从设计任务的提出到系统投入运行，一般都要经过从理论设计到实践，再根据实践修正设计方案的多次反复。
1．过程控制系统设计的主要内容
A．控制方案的设计
包括带控制点的工艺流程图、设计说明书。
带控制点的工艺流程图是描述生产过程控制系统的图纸文件。
在工艺流程图上反映出被控变量、测量点的位置和控制手段的实现方法，以及各个控制系统相互之间的关系。
设计说明书包括设计指导思想、工艺流程和环境特征、自动化水平和控制方案的确定、安全技术措施等内容。
B．工程设计
包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电系统设计、信号及连锁保护系统设计。
工程设计时要结合实际经济情况、从简单、实用出发。
C．工程安装和仪表调校
过程控制系统中，仪表和电气设备的安装、信号线路的连接必须正确。
D．调节器参数整定
必须将调节器参数整定合适，保证系统运行在最佳状态。
2．过程控制系统设计步骤
A．建立系统的数学模型
被控过程的数学模型是过程控制系统设计的基础。
B．选择控制方案
C．建立系统框图
D．进行系统静态、动态特性分析计算
E．实验和仿真
二、控制方案设计
1．被控变量的选择
2．操纵变量的选择
控制通道特性对控制质量的影响：
A．放大系数K0的影响
B．时间常数T0的影响
C．纯滞后的影响
操纵变量选择的原则：
A．操纵变量应是控制通道的放大系数K0教大者。
B．应使扰动通道的时间常数越大越好，而控制通道的时间常数适当小一些。
C．控制通道纯滞后的时间越小越好。
D．须考虑工艺上的合理和方便。
3．检测变送环节对控制系统的影响
检测元件及变送器在控制系统中是测量结果获取和传送的重要环节。
4．控制器调节作用的选择
A．控制规律的选择
主要根据过程特性和要求来选择：
位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制。
B．调节器作用方向
三、调节器参数的工艺整定
简单控制系统可以看作由广义过程和控制器所构成。
调节器参数整定主要有理论整定法和工程整定法。
1．经验法
首先把比例作带确定，待过渡过程基本稳定，再加入积分作用消除静差，最后加入微分作用提高控制质量。
大致步骤为：
A．在TI=无穷大、TD=0时，比例适当时投入运行。
B．曲线震荡频繁，则减少比例度；否则增大比例度。
C．加入积分作用。
D．加入微分作用。
2．衰减曲线法
3．邻界比例度法
湖南工业职业技术学院教案
教研室主任（签名）备课日期2005年11月05日
授课班级
电气S03-3、4班
电气S03-1、2班
授课日期
星期
周
1
11
1
11
课题
计算机在过程控制中的应用
教学准备
看书
写教案
教学目的
与要求
了解计算机在过程控制中的技术
授课方式
讲授
教学过程（检查复习，教授听课，巩固复习，课堂小结，安排作业）
教授听课
课堂小结
第五章计算机在过程控制中的应用
计算机在过程控制中承担控制系统中控制器（调节器）的任务，实现全天候地对生产中的各种参数，如温度、压力、流量、液位等进行采样，迅速进行复杂的数据处理、打印和显示生产工艺过程的统计数据和参数，输出各种控制命令。
一、过程控制系统设计概述
首先要确定控制过程，然后才进行系统设计。
控制过程是由工艺决定的，必须结合过程特性的分析，明确被控变量、操纵变量及主要扰动。
控制系统设计时，从设计任务的提出到系统投入运行，一般都要经过从理论设计到实践，再根据实践修正设计方案的多次反复。
3．过程控制系统设计的主要内容
A．控制方案的设计
包括带控制点的工艺流程图、设计说明书。
带控制点的工艺流程图是描述生产过程控制系统的图纸文件。
在工艺流程图上反映出被控变量、测量点的位置和控制手段的实现方法，以及各个控制系统相互之间的关系。
设计说明书包括设计指导思想、工艺流程和环境特征、自动化水平和控制方案的确定、安全技术措施等内容。
B．工程设计
包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电系统设计、信号及连锁保护系统设计。
工程设计时要结合实际经济情况、从简单、实用出发。
C．工程安装和仪表调校
过程控制系统中，仪表和电气设备的安装、信号线路的连接必须正确。
D．调节器参数整定
必须将调节器参数整定合适，保证系统运行在最佳状态。
4．过程控制系统设计步骤
A．建立系统的数学模型
被控过程的数学模型是过程控制系统设计的基础。
B．选择控制方案
C．建立系统框图
D．进行系统静态、动态特性分析计算
E．实验和仿真
二、控制方案设计
5．被控变量的选择
6．操纵变量的选择
控制通道特性对控制质量的影响：
A．放大系数K0的影响
B．时间常数T0的影响
C．纯滞后的影响
操纵变量选择的原则：
A．操纵变量应是控制通道的放大系数K0教大者。
B．应使扰动通道的时间常数越大越好，而控制通道的时间常数适当小一些。
C．控制通道纯滞后的时间越小越好。
D．须考虑工艺上的合理和方便。
7．检测变送环节对控制系统的影响
检测元件及变送器在控制系统中是测量结果获取和传送的重要环节。
8．控制器调节作用的选择
A．控制规律的选择
主要根据过程特性和要求来选择：
位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制。
B．调节器作用方向
三、调节器参数的工艺整定
简单控制系统可以看作由广义过程和控制器所构成。
调节器参数整定主要有理论整定法和工程整定法。
4．经验法
首先把比例作带确定，待过渡过程基本稳定，再加入积分作用消除静差，最后加入微分作用提高控制质量。
大致步骤为：
A．在TI=无穷大、TD=0时，比例适当时投入运行。
B．曲线震荡频繁，则减少比例度；否则增大比例度。
C．加入积分作用。
D．加入微分作用。
5．衰减曲线法
6．邻界比例度法
湖南工业职业技术学院教案
教研室主任（签名）备课日期2005年11月8日
授课班级
电气S03-3、4班
电气S03-1、2班
授课
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