《过程控制与自动化仪表》-教学教案

1、过程控制与自动化仪表课程教案NO.1授课班级周次日期任课教师复习提问学习模块模块一绪论学习任务任务1说课授课内容课程介绍课时2教学目标知识目标：了解自动控制及过程控制的定义；了解过程控制开环、闭环的概念；了解过程控制系统发展史；了解过控控制系统的特点与要求。能力目标：培养学生自主学习能力；培养学生解决问题的能力。素质目标：1培养学生实事求是的科学态度、严谨的工作作风和勇于进取的精神。重点难点重点：过彳难点：过彳程控制系统开环、闭环的概念；程控制系统开环、闭环的判断。授课过程步骤内容方法、资源运用1自动控制及过程控制的定义启发式、多媒体课件、分组讨论2开环、闭环的概念多媒体课件、实例演示、3过程

2、控制系统发展史多媒体课件、实例演示、4过控控制系统的特点与要求启发式、多媒体课件、分组讨论5授课方式讲授的教学方式教学地点多媒体教室教学资源设备、工具等：投影系统、PPT电子课件教学时间教学内容注释一、相关知识1.自动控制定义是指在没有人直接参与的情况下，利用外加设备或控制装置使生产过程或被控对象中的某一物理量或多个物理量自动地按照期望的规律运行或变化。这种外加的设备或控制装置就称为自动控制装置。(大屏幕投影)讲解过程控制的基本概4念85分钟2.过程控制定义是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程的自动化。

3、3发展过程(1)20世纪50年代，单输入单输出的单回路定值控制系统，多采用基地式仪表、气动组合仪表和气动仪表控制器来完成简单控制。(2)20世纪60年代，集中控制及直接数字控制。电动仪表开始使用，并逐步取代气动仪表，单元组合式仪表和组装式仪表。(3)20世纪70年代，集散控制系统(DCS)先进控制技术、数字化仪表、计算机，特别是网络通信技术的进一步发展，体现“分散控制，集中管理”的理念。(4)20世纪70年代，集散控制系统(DCS)先进控制技术、数字化仪表、计算机，特别是网络通信技术的进一步发展，体现“分散控制，集中管理”的理念。4.开环与闭环的概念(1)开环控制系统输入量开环控制是最简单的一

4、种控制方式。它的特点是，仅有从输入到输出的前向通路，而没有从输出到输入的反馈通路。缺点：控制精度取决于组成系统的元件的精度，因此对元器件的要求比较高。由于输出量不能反馈回来影响控制部分，所以输出量受扰动信号的影响比较大，系统抗干扰能力差。案例分析：(大屏幕投影)解说开环控制系统，举例分析，让学生加深印象功率放大器4Jr-一-0-图1-2直流电动机转速开环控制示意图（2）闭环控制系统输入量偏差反馈量输出量控制器被控对象反馈元件（大屏幕投影）解说闭环控制系统，举例分析，让学生加深印象不仅有一条从输入端到输出端的前向通路还有一条从输出端到输入端的反馈通路。输出量通过一个测量变送元件反馈到输入端，与输

5、入量比较后得到偏差信号来作为控制器的输入，反馈的作用是减小偏差,以达到满意的控制效果。闭环控制又称为反馈控制。如果输入量和反馈量相减则称为负反馈；反之，若二者相加，则称为正反馈。控制系统中一般采用负反馈方式。输入量与反馈量之差称为偏差信号。系统的输出量能够自动地跟踪输入量，减小跟踪误差，提高控制精度，抑制扰动信号的影响。案例分析：功率ono电位器图1-3直流电动机转速闭环控制示意图5过程控制系统的特点（1）系统由被控对象与系列化生产的自动化仪表组成。（2）被控对象复杂多样，通用控制系统难以设计。（3）控制方案丰富多彩，控制要求越来越高。（4）控制过程大多属于慢变过程与参量控制。(5)定值控制系

6、统是过程控制系统的主要形式。6.过程控制系统的要求(1)安全性(2)稳定性(3)经济性(大屏幕投影)解说过程控制系统的特点及要求。5分钟小结。作业：思考题与习题1.1对课程内容进行总结，加深学生的印象。过程控制与自动化仪表课程教案NO.2授课班级周次日期任课教师复习提问开环与闭环的特点学习模块模块一绪论学习任务任务2过程控制系统的组成及品质指标授课内容过程控制系统中的相关概念课时2教学目标知识目标：1具备分析过程控制系统的组成能力；熟悉过程控制系统的分类；熟悉过程控制系统的品质指标。能力目标：培养学生自主学习能力；培养学生解决问题的能力。素质目标：1培养学生实事求是的科学态度、严谨的工作作风和

7、勇于进取的精神。重点难点重点：过彳难点：过彳程控制系统的组成分析；程控制系统的品质指标。授课过程步骤内容方法、资源运用1过程控制系统的组成启发式、多媒体课件、实例演示2过程控制系统的分类多媒体课件、实例演示、3过程控制系统的过渡过程多媒体课件、实例演示、4过程控制的品质指标启发式、多媒体课件、分组讨论5授课方式讲授的教学方式教学地点多媒体教室教学资源设备、工具等：投影系统、PPT电子课件教学时间教学内容注释回顾上节课内容，进行复习提问。开环和闭环的特点。5分钟（大屏幕投影）逐一解说过程控制系统部分组成，案例分析让学生加深印象。80分钟二、相关知识过程控制系统的组成过程控制系统一般由自动化装置及

8、生产装置两部分组成。自咖优装賈生产匏暫（1）被控对象：又称为被控过程。它是控制系统的主体，在过程控制系统中，是指需要控制其工艺变量的生产设备或机器。（2）变送器：其作用是将被控制的物理量检测出来并转换成工业仪表间的标准统一信号。（3）控制器：又称为调节器。其作用是根据反馈量与输入量比较得出的偏差，按一定的规律运算后对执行器发出相应的控制信号或指令的装置。（4）执行器：其作用是依据控制器发出的控制信号或指令，改变操纵变量，从而对被控对象产生直接的控制作用。系统的各种作用量有以下几个：（1）被控变量：是表征生产设备或过程运行状况，需要加以控制的变量，也是过程控制系统的输出量，（2）设定值：又称给定

9、值，是工艺要求被控变量需要达到的目标值，也是过程控制系统的输入量。（3）测量值：是检测元件与变送器的输出信号值，也称反馈量，如液位控制系统的变送器的输出信号值就是测量值。（4）操纵变量：受执行器操纵，具体实现控制作用的变量称为操纵变量。（5）扰动量：又称干扰或“噪声”，通常是指引起被控变量发生变化的各种因素。（6）偏差：通常把设定值与测量值之差称为偏差。举例分析：贮槽液位控制过程控制系统的分类(1)定值控制系统随动控制系统程序控制系统过程控制系统的过渡过程过程控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为过程控制系统的过渡过程。(大屏幕投影)逐一解说过程控制系统分类和过渡过程。卑调宜减4

10、.过程控制系统的品质指标评价指标可概括为“稳”、“准”、“快”(大屏幕投影)逐一解说过程控制系统评价指标的稳”、“准”、“快”和过程控制系统的品质指标。教师讲解演示，让同学们加深印象。5分钟对课程内容进行总结，加深学生的印象。余差c衰减比n最大偏差A或超调量o(4)过渡过程时间(调整时间)ts(5)峰值时间tp(6)振荡周期T小结。作业：思考题与习题1.2、1.3、1.6。过程控制与自动化仪表课程教案NO.3授课班级周次日期任课教师复习提问过程控制系统组成学习模块模块二自动控制基本原理学习任务任务1自动控制系统的数学模型授课内容自动控制系统的数学模型课时8教学目标知识目标：1具备自动控制系统数

11、学建模的能力；2.具备自动控制系统框图变换与化简的能力。能力目标：1.通过完成教学任务，让学生知道如何运用所学知识进行实践操作，加强学生的动手、动脑能力；2培养学生自主学习能力和分工合作、团结协作共同寻求解决问题的能力。素质目标：1.培养学生实事求是的科学态度、严谨的工作作风和勇于进取的精神。重点难点重点：自动控制系统数学建模；自动控制系统框图变换与化简。难点：自动控制系统数学建模；自动控制系统框图变换与化简。授课过程步骤内容方法、资源运用1微分方程启发式、多媒体课件、分组讨论2传递函数启发式、多媒体课件、分组讨论3系统框图启发式、多媒体课件、分组讨论4典型环节的传递函数和功能框启发式、多媒体

12、课件、分组讨论5框图的变换与化简启发式、多媒体课件、分组讨论授课方式讲授的教学方式教学地点多媒体教室教学资源设备、工具等：投影系统、PPT电子课件教学时间教学内容注释5分钟回顾上节课内容，进行复习提问。一、相关知识（大屏幕投在经典控制理论中，常用的数学模型有微分方程、传递函数和系统影）框图。它们反映了系统的输入量.、输出量和内部各种变量间的关系，也逐一解说系反映了系统的内在特性。统微分方程1.微分方程（85分钟）的一般步骤，系统微分方程建立的步骤建立微分方程的一般步骤如下：案例分析让（1）全面了解系统的工作原理、结构组成和支配系统运动的物理学生加深印规律，确定系统的输入量和输出量。象。（2）从

13、系统的输入端开始根据各兀件或环节所遵循的物理规律，依次列写它们的微分方程。（3）将各兀件或环节的微分方程联立起来消去中间变量，求取一个仅含有系统输入量和输出量的微分方程，这就是系统的微分方程。（4）将该方程整理成标准形式。即把与输入量有关的各项放在方程的右边，把与输出量有关的各项放在方程的左边，各导数项按降幂排350列，并将方程中的系数化为具有一定物理意义的表示形式，如时间常数分钟等。举例分析：R口11y11+iQ+uc二i-uo2.传递函数（90分钟）（大屏幕投（1）拉氏变换影）1)拉氏变换的概念F(s)=LifQLjsfC)e一stdt逐一解说拉氏变换、02）拉氏变换的概念拉氏变换的运算定

14、理値加定理心Q土f（t）=心（t）（t）拉氏变换的运算定理、系统传递函数，案例分析让金比例定理微分定理4积分定理延迟定理4终值定理LKLLf(n)C止SnF(S)SnL【fJ=estF(s)limf)=limsFstsSTO（2）传递函数的定义佯、泊疋粉输出量的拉氏变换式C（s）传递函数G*丿二=输入量的拉氏变换式Rs丿举例分析：:-c-sii)C=+-uoOR+u1）多项式形式（）输出量的拉氏变换式C（S）传递函数G）=输入量的拉氏变换式Rs丿2）零极点形式学生加深印象。G(s)=H(s-z)i幵(s-p)jj=1b(s-z)(s-z)(s-z)012ma(s-p)(s-p)(s-p)012

15、n3系统框图（90分钟）框图由信号线、引出点、比较点和功能框等部分组成。吟（大屏幕投影）逐一解说系统框图组成，案例分析让学生加深印象。（1）功能框框左边向内箭头为输入量（拉氏式），框右边向外箭头为输出量（拉氏式），框内为系统中一个相对独立单元的传递函数。（2）信号线信号线表示信号流通的途径和方向。流通方向用箭头表示。（3）引出点表示信号由该点取出，从同一信号线上取出的信号，其大小和性质完全相同。（4）比较点其输出量为各输入量的代数和。因此在信号输入处要注明它们的极性。举例分析：4.典型环节的传递函数和功能框（1）比例环节微分方程c(t)=Kr(t)传递函数（大屏幕投影）逐一解c0(T2G(s)

16、ed厂di功能框K(tj+1)传递函数传递函数功能框(6)振荡环节微分方程(7)延迟环节(又称纯滞后环节)微分方程(5)比例微分环节微分方程传递函数CG)=口+1c(t)二r(t-T0)严+27?4亡(t)二r(i)/?0)C心十iRs1cwr-s2+R(s)C(s)*5框图的变换与化简(85分钟)(1)串联变换规则(2)并联变换规则(大屏幕投影)逐一解说系统框图串联、并联、反馈和引出点和比较点的移动变换(3)反馈联接变换规则(4)引出点和比较点的移动规则变换的原则：变换前后应保持信号等效。回ARCIIIII象mbi引出直計移1)比牧点后舂举例分析：对课程内容进行总结，加小结。5分钟作业：思考

17、题与习题2.1、2.4、2.6。深学生的印AUffla)那:札鬲）过程控制与自动化仪表课程教案NO.4授课班级周次日期任课教师复习提问自动控制系统的数学模型学习模块模块二自动控制基本原理学习任务任务2典型被控对象特性及建模授课内容典型被控对象特性及建模课时4教学目标知识目标：1具备典型被控对象特性及建模的能力；2.具备实验法建立被控对象的数学模型的能力。能力目标：1培养学生自主学习能力、寻求解决问题的能力；2.通过教学任务，让学生知道如何运用所学知识进行实践操作，加强学生的动手、动脑能力。素质目标：1培养学生实事求是的科学态度、严谨的工作作风和勇于进取的精神。重点难点重点：典型被控对象特性及建

18、模。难点：实验法建立被控对象的数学模型。授课过程步骤内容方法、资源运用1单容对象的特性及建模启发式、多媒体课件、分组讨论2双容对象的特性及建模启发式、多媒体课件、分组讨论3时滞（纯滞后）对象的特性及建模启发式、多媒体课件、分组讨论4实验法建立被控对象的数学模型启发式、多媒体课件、实践操作5授课方式讲授的教学方式教学地点多媒体教室教学资源设备、工具等：投影系统、PPT电子课件教学时间教学内容回顾上节课内容，进行复习提问。自动控制系统的数学模型有哪些？5分钟H(s)（大屏幕投影）逐一解说单三、相关知识1单容对象的特性及建模无自衡特性水槽Adhdt写成一般形式dhdt2订hoA有自衡的信号传递方框图

19、Q(s)ARs+1Q.(s)Ts+1i（大屏幕投影）逐一解说双容对象的特性及建模，让学生加深印象。双容对象TOC o 1-5 h zH(s)RR1=1=1Q(s)ARs+1Ts+1iiiiH(s)Q(s)H(s)1R2=o12=2Q(s)Q(s)Q(s)ARs+1ARs+1iio11122H(s)K2Q(s)TTs2+(T+T)s+1i1212b阶跃响戒曲线在二阶对象阶跃响应曲线上，过拐点C作切线，与时间轴相交于D点，交点D与被控变量开始变化的起点之间的时间间隔，称为容量滞后时间。由切线与时间轴的交点到切线与稳定值KA线的交点之间的时间间隔为时间常数T。容量滞后是多容对象的固有属性，是因为物料

20、或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。3时滞（纯滞后）对象的特性及建模LT=0v（大屏幕投影）逐一解说时滞（纯滞后）对象的特性及建模，让学生加深印象。重量传感器对流量变化的响应纯滞后环节的信号传送（大屏幕投影）逐一解说实验法建立被控对象的数学模型，让学生加深印象。G(s)=e-p(j实验法建立被控对象的数学模型实验方法研究对象特性测定对象动态特性的实验方法主要有三种：时域测定方法、频域测定方法和统计研究方法。时域测定方法将以阶跃响应曲线法来说明。（1）实验注意事项1）实验测试前，被控对象应处于相对稳定的工作状态。2）在相同条件下应重复多做几次实验。3）分别对正、反方向的阶跃输入信号进行实验，

21、并进行比较。4）每完成一次实验后，应将被控对象恢复到原来工况，稳定后再做第二次实验。输入的阶跃信号幅度不能过大，阶跃变化的幅值一般取正常输入信号最大幅值的10%左右。(2)模型结构确定在完成阶跃响应实验后应根据实验所得的响应曲线确定模型的结构。对于大多数控制对象来说，其数学模型常常可近似为一阶惯性、二阶惯性的结构。(3)模型参数的确定t=0时的曲线斜率最大，随后斜率逐渐减小，上升到稳态值c(Q时斜率为零，该响应曲线可用无时延的一阶惯性环节近似，需要确定的参数有K和T。00阶无时延环节的阶跃响应曲线设所示对象的传递函数为G(s)=oTs+10则C(S)二十R(S)Ts+10当输入信号r(t)有一

22、阶跃变化r0时，对上式求解，可得c(t)=Kr(1一e-1/T0)00当tfg时，c(=K0r0,因而有K-c(s)0r当t二T0时，则有c(T)=Kr(1-e-1)=0.632Kr=0.632c(s)000005分钟小结。对课程内容进行总结，加深学生的印象。过程控制与自动化仪表课程教案NO.5授课班级周次日期任课教师复习提问典型被控对象特性特点学习模块模块二自动控制基本原理学习任务任务3自动控制系统的基本分析方法授课内容自动控制系统的基本分析方法课时14教学目标知识目标：具备时域分析法分析自动控制系统性能指标的能力；具备频域分析法分析自动控制系统性能指标的能力。能力目标：培养学生自主学习能力

23、；培养学生解决问题的能力。素质目标：1.培养学生实事求是的科学态度、严谨的工作作风和勇于进取的精神。重点难点重点：时域分析法、频域分析法分析自动控制系统性能。难点：时域分析法、频域分析法分析自动控制系统性能。授课过程步骤内容方法、资源运用1时域分析法启发式、多媒体课件、分组讨论2频域分析法启发式、多媒体课件、分组讨论345授课方式讲授的教学方式教学地点多媒体教室教学资源设备、工具等：投影系统、PPT电子课件、计算机、MATLAB软件教学时间教学内容注释5分钟回顾上节课内容，进行复习提问。典型被控对象有哪些？有什么特性？四、相关知识（大屏幕投1。时域分析法（355分钟）影）（1）典型输入信号逐一

24、解说应1）单位脉冲信号用时域分析P0,tH0法分析系统5(t)血r(t)=5(t)=JF4-tAtT02）单位阶跃信号40,t01(t)r(t)=1(t)=0V62011s分钟R(s)=0t3）单位斜坡信号r(t)J4/r(t)二0,t001tR(s)=s2（2）稳定性分析系统稳定性是系统设计与运行的首要条件。1）系统稳定性概念系统的稳定性是指自动控制系统在受到扰动作用使平衡状态破坏后，经过调节，能重新达到平衡状态的性能。稳定系统与不稳定系统a）相对稳定性好b）相对稳定性差自动控制系统的相对稳定性2）系统稳定的充要条件系统稳定的必要和充分条件是:特征方程的所有的根的实部都必须是负数。亦即所有的

25、根都在复平面的左侧。对稳定的系统，若a的绝对值卜愈大，即负实根或具有负实部的复根离虚轴愈远，指数曲线衰减得愈快，则系统的调整时间愈短，系统的相对稳定性愈好。若系统特征根有多个，那么，最靠近虚轴的极点，对系统稳定性（衰减慢）的影响最大，因此通常把最靠近虚轴的闭环极点，称为闭环主导极点。（3）动态性能分析1）一阶系统的动态性能分析为一个典型的一阶系统的结构框图由此可以求出一阶系统的闭环传递函数为：1Ts+1R(s)1C(s)+iLTs（大屏幕投影）逐一解说各检修项目和检修工具，必要时可用图片或实物展示，让学生加深印象典型一阶系统的结构框图系统的单位阶跃响应的拉氏变换式为：C(s)=0(s)-R(s

26、)=1Ts+11_1T_11ssTs+1ss+1/T对上式进行拉氏反变换，可求得系统的单位阶跃响应为：c（t）=1e_Trtf)0T2TAT57（大屏幕投影，演示视频或动画）立式光学计的检定方法和步骤为难点部分，同学们掌握比较困难。教师边讲解边示范演示，让同学们加深印象。设系统的输入信号r（t）为单位阶跃信号，即R（S）=1S，则一阶阶系统的单位阶跃响应曲线阶系统的性能指标通常用以下几个指标来衡量：H上升时间tr。对于无振荡的单调系统，上升时间定义为输出量c（t）从CS）的10%上升到90%所需的时间。t=tt=2.2Tr21o2调整时间。=3T（5%误差带）=4T（2%误差带）3最大超调量&

27、%。因为一阶系统的阶跃响应是单调上升的，没有超调，所以一阶系统的最大超调量&%=0。2）二阶系统的动态性能分析图所示为一个典型的二阶系统的结构框图，由此可以求出二阶系统的闭环传递函数为：币()=C(s)=2(s)=nR(s)s2+2gs+2nnR(s)K+2ns(s+2g)n典型二阶系统的结构框图设系统的输入信号r（t）为单位阶跃信号，即R（s）=1/s,则二阶系统的单位阶跃响应的拉氏变换式为：由上式，可得典型二阶系统的特征方程为：s2+s+2=0nn的两个根为：从而可以解得系统s=gi1,2nn（V下面给出欠阻尼二阶系统在单位阶跃输入时的性能指标计算公式。H最大超调量：b%=eT-E2x10

28、0%2上升时间：冗Qv1_g2t=（申=arctan,二屮_g2）rgdnd3峰值时间：t=一pd4调整时间：3或4t沁=（6或8）T（对应误差带6=5%或2%）sgwn举例分析：已知某控制系统结构图如图2-28所示，其中，T=2,K=5，试求该系统单位阶跃响应性能指标。R(s)kKC(s)AkJ+Is(Ts+1)（4）稳态误差稳态性能的优劣，一般以稳态误差的大小来度量。典型系统框图1）系统稳态误差的概念亡匕）输山笛）Er（S）输入量产生的误差（拉氏式）（又称跟随误差）Ed（S）扰动量产生的误差（拉氏式）er（t）为跟随动态误差，ed（t）为扰动动态误差。两者之和即为系统动态误差给定稳态误差（

29、又称跟随稳态误差）扰动稳态误差于是系统的稳态误差有2）系统稳态误差与系统型别、系统开环增益间的关系系统的跟随稳态误差为诫3K2otIa系统的扰动稳态误差为2频率特性法（265分钟）线性系统的频率特性响应示意图用时域分析G（j=|G（j|ZG（妙）Gj）=G（s）s=j（2）频率特性的表示方式1）数学式表示方式法分析系统稳定性、稳态性能和动态性能，让学生加深印象。（大屏幕投影）解说频率特性。逐一解说应心31）（小i+&（小&）/（苫）举例分析：已知系统的结构图，已知输入信号厂（t）=t，扰动信号d（t）=0.5，试计算系统的稳态误差。（1）频率特性的基本概念频率特性又称频率响应，它是系统（或元件

30、）对不同频率正弦输入信号的响应特性。IDL：0rs宾际曲线-20dD/dec岳频渐近繼何(rail炽一好惯性环节的伯德图5)比例微分环节传递函数频率特性对数频率特性伯德图低撷漸近线/I甌ft(rad/s)C(jw)=(jrw+1)=d圧+#曲曲做工)=20g/.甲(oi)=arctanrte交接频率it)i/T6）振荡环节传递函数aw/(rad/s)40dBdec-I80振荡环节的伯德图7）延迟环节传递函数频率特性对数频率特性伯德图L(e)=201gl=0p()=G(s)二e%sG(j)二e-jo延迟环节的伯德图（4）开环对数频率特性曲线的绘制控制系统一般都是由一些典型环节串联组成的若各环节的

31、传递函数已知，则可参照典型环节的频率特性曲线，绘制出系统的开环频率特性曲线。若系统的开环传递函数G（s）为G（5=（$）（）其对应的开环频率特性则为二陆（少）腌（3）%（4川八加宀琢山由上式可得其对数幅频特性为=201g.V（纫+201（m）+201g?Wf（3）L（.d）+Sd+L3（co-）对数相频特性为岁（）=爭I（）+y空（畑）+卩）由此可见串联环节总的对数幅频特性等于各串联环节对数幅频特性的和，其总的对数相频特性等于各串联环节对数相频特性的和。直接画出串联环节的总的渐近对数幅频特性。其步骤如下：1）分析系统是由哪些典型环节串联组成的，将这些典型环节的传递函数都化成标准形式（分母常数项

32、为1）根据比例环节的K值，计算20lgK。）在半对数坐标纸上，找到横坐标为3=1、纵坐标为L（w）=20lgK的点，过该点作斜率为-20vdB/dec的斜线，其中v为积分环节的数目。4）计算各典型环节的交接频率，将各交接频率按由低到高的顺序进行排列，并按下列原则依次改变L（w）的斜率：若过惯性环节的交接频率，斜率减去20dB/dec;若过比例微分环节的交接频率，斜率增加20dB/dec;若过振荡环节的交接频率，斜率减去40dB/dec。5）如果需要，可对渐近线进行修正，即可得到较精确的对数幅频特性曲线。举例分析：某自动控制系统的框图如所示，图中已标明系统的有关参数，试画出该系统的开环频率特性（

33、伯德图）（5）最小相位系统与非最小相位系统的概念若传递函数的极点和零点均在s复平面的左侧的系统称为最小相位系统。若传递函数的极点或零点有在s复平面右侧的系统称为非最小相位系统。最小相位系统的特点是：它的对数相频特性和对数幅频特性间存在着确定的对应关系，或者，对于最小相位系统，只需根据其对数幅频特性就能写出其传递函数。（6）控制系统性能的频域分析1）系统稳定性的频域分析吐对数频率稳定判据的内容若系统开环是稳定的，则闭环系统稳定的充要条件是：当L）线过0dB线时，对应的申在180线的上方；或当9（）二180时，对应的L）在0dB线的下方。c称为增益穿越频率，简称穿越频率。2)开环对数频率特性与系统

34、性能的关系H低频段2稳定裕量相位稳定裕量丫可定义为：由上述定义可见：当c时，这时的相位角(180)的“距离”，就是相位稳定裕量丫。若系统的开环传递函数的形式为即系统可简化成由比例环节组成的，则其对应于c时的相位低频段通常是指开环对数幅频特性曲线在第一个转折频率以前的区段。这一频段的形状完全由系统开环传递函数中所含积分环节的个数”和开环放大倍数K决定。因此，开环对数幅频特性曲线的低频段反映了系统的稳态性能。2中频段中频段是指开环对数幅频特性曲线在幅值穿越频率附近的一段区域。在这一段区域的特征量为相位稳定裕量丫和穿越频率c。因此，系统的开环对数幅频特性的中频段表征着系统的动态性能。3高频段高频段是

35、指开环对数幅频特性曲线在中频段以后的一段区域。系统开环对数幅频特性在高频段的幅值，直接反映了系统对输入端高频干扰信号的抑制能力。5分钟小结。作业：思考题与习题2.7、2.8、2.10、2.11、2.13、2.15。对课程内容进行总结，加深学生的印象。过程控制与自动化仪表课程教案NO.6授课班级周次日期任课教师复习提问自动控制系统的基本分析方法学习模块模块三控制规律学习任务任务1控制系统的校正授课内容控制系统的校正课时2教学目标知识目标：了解校正的概念；熟悉校正的方式和常用校正装置具备分析系统校正性能比较的能力。能力目标：培养学生自主学习能力；培养学生解决问题的能力。素质目标：1培养学生实事求是

36、的科学态度、严谨的工作作风和勇于进取的精神。重点难点重点：自动控制系统性能校正。难点：自动控制系统性能校正。授课过程步骤内容方法、资源运用1校正的概念启发式、多媒体课件、分组讨论2校正的方式启发式、多媒体课件、分组讨论3常用校正装置启发式、多媒体课件、分组讨论45授课方式讲授的教学方式教学地点多媒体教室教学资源设备、工具等：投影系统、PPT电子课件教学时间教学内容5分钟回顾上节课内容，进行复习提问。自动控制系统基本分析方法有哪些？注释80分钟五、相关知识校正的概念当自动控制系统的性能不能满足所要求的性能指标时首先可以考虑调整系统中的可以调整的参数；若通过调整参数仍无法满足要求时，则可以在原有的

37、系统中，有目的地增添一些装置和元件，人为地改变系统的结构和性能，使之满足所要求的性能指标，我们把这种方法称为系统校正。增添的装置和元件称为校正装置和校正元件。校正的方式根据校正装置在系统中所处地位的不同，一般分为串联校正、反馈校正和复合校正。（1）串联校正（2）反馈校正C(s).（3）复合校正舟引入给定输入信号补偿的虹合栓正（大屏幕投影）讲解校正的基本概念。（大屏幕投影）逐一解说各种校正方式，用图片展示，让学生加深印象b）引入扰动输入信号补偿的复合校正无源校正装置通常是由一些电阻和电容组成的两端口网络。b）相位超前校正c）相位滞后（大屏幕投影）逐一解说不同的校正装置，用图片分析，举例分析让学生

38、加深印象。在控制系统设计中，常用的校正方式是串联校正和反馈校正。常用校正装置校正装置根据本身是否有电源，可分为无源校正装置和有源校正装置。（1）无源校正装置a）相位滞后校正-超前校正（2）有源校正装置有源校正装置是由运放器组成的调节器。举例分析:串联校正G(s)(1)使系统的相对稳定性改善，超调量下降，振荡次数减少。(2)增益降低为原来的1/2，系统的稳态精度变差。图中G1(s)为随动系统的固有部分。现对其进行串联校正，串联个比例调节器，比例系数Kc二0.5系统固有部分5分钟小结。对课程内容进行总结，加深学生的印象。过程控制与自动化仪表课程教案NO.7授课班级周次日期任课教师复习提问系统校正的

39、方式学习模块模块三控制规律学习任务任务2典型的控制规律授课内容典型的控制规律课时4教学目标知识目标：1了解常用的典型控制规律；2.熟悉典型控制规律控制特点；3具备自动控制系统典型控制规律校正的能力。能力目标：1通过分组合作完成教学任务，让学生知道如何运用所学知识进行实践操作，加强学生的动手、动脑能力；2培养学生自主学习能力和分工合作、团结协作共同寻求解决问题的能力。素质目标：1培养学生实事求是的科学态度、严谨的工作作风和勇于进取的精神。重点难点重点：自动控制系统典型控制规律校正。难点：自动控制系统典型控制规律校正。授课过程步骤内容方法、资源运用1位式控制启发式、多媒体课件2比例控制启发式、多媒

40、体课件3微分控制启发式、多媒体课件4积分控制启发式、多媒体课件5授课方式讲授的教学方式教学地点多媒体教室教学资源设备、工具等：投影系统、PPT电子课件注释教学教学内容时间5分钟回顾上节课内容，进行复习提问。六、相关知识1.位式控制(1)双位控制理想双位控制规律的数学表达式为当e0时，u(t)=umax;当e0时，u(t)=umin。imaxomin(大屏幕投影)讲解位式控制的特点，并用案例进行分析，让学生加深印象。同时进一步理解位式在工程上的作用及意义。案例分析：个温度双位控制系统示意图。170分钟温度双位控制系统示意图(2)具有中间区的双位控制Himax断minnaxmin通O实际双位控制输

41、出特性()实际双位控制的过程曲线比例控制TOC o 1-5 h z(1)比例控制规律及其特点数学表达式：叭Au(t)=Ke(t)c,U是控制器输出变化量；Kc是控制器的放大倍数，即心比例增益；e是控制器的输入，即偏差。KZA(大屏幕投影)讲解比例控制的特点上匕例度定义、意义及选取范围。Oi偏差作用下的比例控制器的开环输出特性(2)比例度通常用比例度表示控制输出与偏差成线性关系的比例控制器输入(偏差)的范围。比例度5定义为：乂(ZZ)1nnc75=maxminX100%Au(u-u)maxmin此时比例度表示为：式中，K=cAue15二x100%Kc(3)比例增益对过渡过程的影响比例控制是有余差

42、的控制。比例度&对闭环系统稳定性的影响。oo通常，工业上常见系统的比例度5的参考选取范围如下:压力控制系统为30%70%;流量控制系统为40%100%;液位控制系统为20%80%;温度控制系统为20%60%。积分控制(大屏幕投影)讲解积分控制和比例积分控制的特点，积分时间定义、意义、测定选取范围。(1)积分控制规律及其特点开环输出特性虽然可以消除余差是积分控制的显著优点，但积分作用的落后性，结果往往超调，使被控变量波动得很厉害，引入积分作用后会使系统易于振荡。因此生产上都是将比例作用与积分作用组合成比例积分控制规律来使用。（2）比例积分控制规律与积分时间比例积分控制器的输入与输出特性曲线（大屏

43、幕投影）讲解微分控制、比例微分和比例积分微分微控制的特点，微分时间定义、意义、测定选取范围。&不变时TI对过渡过程的影响般情况下Ti的大致范围如下：T=0.43.压力控制：imin；T二011流量控制：imin；温度控制：-彳min；液位控制：一般不需积分作用。微分控制（1）微分控制规律及其特点数学表达式：Au=TdeddtTd为控制器的微分时间。微分控制是根据偏差的变化趋势进行动作的，从而避免产1生较大的偏差，还可以缩短控制7时间。*o帀理想微分控制器输出特性（2）比例微分控制规律及微分时间数学表达式：比例微分控制器输出特性Au二KA+KA（K-1）eccD微分作用与比例作用结合，构成比例微

44、分控制规律（PD）（3）比例微分控制系统的过渡过程微分时间TD的大小对系统过渡过程的影响若Td取得太小，则对系统的控制指标没有影响或影响甚微，如图中曲线所示；选取适当的TD，系统的控制指标将得到全面的改善，如图中曲线所示；但若Td取得过大，即引入太强的微分作用，反而可能导致系统产生剧烈的振荡，如图中曲线所示。（4）比例积分微分控制数学表达式：理想PID1deAu=K(e+Jtedt+T)cToddtqi实际PIDAu=K（e+J1edt+e（K一1）ecTod比例控制是基本的控制方可以消除纯比例控制无法消除的余差；而加入微分控制，则可以在系统受到快速变化干扰的瞬间，及时加以抑制，增加系统的比例

45、积分微分控制器输出特性式，自始至终起着与偏差相对应的控制作用；引入积分控制后，稳定程度。将三种方式组合在一PID控制器各种组合控制效果图各类生产过程对象常用的控制规律如下：液位：一般要求不高，用P或PI控制规律；流量：时间常数小，测量中混有干扰，用PI或加反微分控制规律；压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用P或PI控制规律；温度：容量滞后较大，用PID控制规律。5分钟小结。作业：思考题与习题3.1。对课程内容进行总结，加深学生的印象。过程控制与自动化仪表课程教案NO.8授课班级周次日期任课教师复习提问典型的控制规律学习模块模块四过程参数检测与变送学习任务任务1过程参数检测

46、仪表概述授课内容过程参数检测仪表概述课时2教学目标知识目标：了解过程参数检测仪表信号制与传输方式；掌握误差的计算方法掌握变送器的量程调整、零点调整和零点迁移方法。能力目标：1通过分组合作完成教学任务，让学生知道如何运用所学知识进行实践操作，加强学生的动手、动脑能力；2.培养学生自主学习能力和分工合作、团结协作共同寻求解决问题的能力。素质目标：1培养学生实事求是的科学态度、严谨的工作作风和勇于进取的精神。重点难点重点：变送器的量程调整、零点调整和零点迁移方法。难点：误差的计算。授课过程步骤内容方法、资源运用1传感器与变送器启发式、多媒体课件、分组讨论2检测仪表的信号制与传输方式启发式、多媒体课件

47、、分组讨论3误差概念及表述启发式、多媒体课件、分组讨论4变送器的量程调整、零点调整和零点迁移启发式、多媒体课件、分组讨论5检测仪表分类启发式、多媒体课件、分组讨论授课方式讲授的教学方式教学地点多媒体教室教学资源设备、工具等：投影系统、PPT电子课件教学时间教学内容注释5分钟回顾上节课内容，进行复习提问。七、相关知识（大屏幕投1传感器与变送器影）过程参数检测仪表通常由传感器和变送器组成。讲解传感器（1）传感器与变送器的能感受规定的被测量，并按照一定规律将其转换为可用电量的器件组成。或装置就是传感器。传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成，如图所示。非电量非电量电参量1电量右=敏感

48、兀件*传感兀件测量转换电路一-（被测量）传感器组成框图1）敏感元件是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件。2）传感元件的作用是将敏感元件的输入转换为电路参量，如电阻、电感、电容、电流、电压等。803）测量转换电路的作用是将传感元件输出的电路参量转换为便于分钟传输和处理的电量。（2）变送器变送器是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号的转换器。（大屏幕投2检测仪表的信号制与传输方式影）为了方便有效地把自动化系统中各类现场仪表与控制室内的仪表逐一解说检和装置连接起来，构成各种各样的控制系统，仪表之间应有统一的标准测仪表的信信号进行联络和传输。号制与传输（1）信号制方式，必要时

49、信号制是指在成套仪表系列中，各个仪表的输入输出之间采用何种可用图片或统一的标准信号进行联络和传输的问题。实物展示，让过程控制仪表使用的联络信号一般可分为气压信号和电信号学生加深印1）标准气压信号气动控制仪表统一使用20lOOkPa的模拟气压象。信号。2）标准电动信号电动控制仪表联络与传输信号主要分模拟信号和数字信号两大类。电动模拟信号的统一标准信号制是420mADC或0-10mADC。电动模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流、交流电压四种。为什么采用直流电流信号。一是由于直流信号不受传输线路中的电感、电容及负荷性质的影响，抗干扰能力强、不存在相移问题，且便于进行模数转换。因此，在过程控制仪表

50、及装置中直流信号得到了广泛的应用。而使用电流信号的原因主要是电流信号比电压信号更适用于远距离传输。（2）检测仪表的传输方式检测仪表的信号传输方式一般有两种：串联型和并联型。）串联型当使用直流电流信号作为传输信号时，一台发送仪表的输出电流同时传输给几台接收仪表，则所有接收仪表均应串联。接收仪表2）并联型并联型传输通常需要使用标准电压信号，标准电压信号有1-5V和0-10V两种，分别与4-20mA和1-10mA对应。当使用直流电压作为传输信号，且电压接收信号时，一台发送仪表的输出电压要同时送给几台接收仪表，则这些接收仪表均应并联。接收仪表当使用直流电流作为传输信号，且电压接收方式时，接收的各台仪表

51、也应并联，如图所示。接收仪表电流传输电压接收时仪表之间的连接（3）变送器的信号传送与供电方式变送器是现场仪表，其供电电源来自控制室，而输出信号又要传送到控制室去。变送器的信号传送和供电方式通常以下三种。）四线制如果采用四线制传输，则供电电源和输出信号分别用两根导线传输，电源供电多为220VAC或24VDC。）两线制如果采用两线制传输，则变送器与控制室之间仅用两根导线传输，这两根导线既是电源线，又是信号线，电源供电为24VDC。（大屏幕投影）误差的概念，四线制传输两线制传输三线制传输采用两线制变送器，不仅可节省大量电缆线和安装费用，而且有利于安全防爆，因此这种变送器得到了较快的发展。）三线制如果

52、采用三线制传输，则电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，电源供电为24VDC。误差概念及表述所谓误差是指仪表实测值与被测物理量自身真实（或客观）取值的差异，误差按出现的规律来可分为系统误差、过失误差和随机误差三类。误差的表示方法主要有绝对误差、相对误差及引用误差。（1）绝对误差绝对误差是指仪表的实测示值x与真值xa的差值，表示为Ax，即x=xxa（2）相对误差相对误差是绝对误差Ax与真值xa的比值，表示为ya,即/、Axy（x）=aXa必要时可用图片展示，让学生加深印象。（3）引用误差引用误差是绝对误差Ax与检测仪表量程BX的比值，即Axy（x）二x100%b0B

53、X它是将检测仪表的量程引入的误差表达式。（4）准确度准确度又称为精度，主要用于反映仪表的准确程度。为了正确地反映仪表的准确程度，准确度采用引用相对误差来表示，即仪表的准确度是指仪表允许的最大绝对误差与仪表量程之百分比，表示为-x）准确度=仪表允许的最大绝对误差x100%=x100%a一b仪表的量程举例分析：某台测温仪表的测温范围为200700C,校验该表时得到的最大绝对误差为+4C,试确定该仪表的精度等级。某台测温仪表的测温范围为01000C。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过7C,试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？变送器的量程调整、零点调整和零点迁移（大屏幕投影，演示视频）

54、逐一解说变送器的量程调整、零点调整和零点迁移，同学们掌握比较困难。教师边讲解变送器的构成原理图如图所示。边示范演示，让同学们加深印象。变送器输出输入关系图（1）变送器的量程调整量程调整的目的是使变送器的输出信号的上限值ymax与测量范围的上限值x相对应。变送器量程调整前后的输入输出特性如图4-10max所示，量程调整相当于改变输入输出特性曲线的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号z之间的比例系数。变送器量程调整前后的输入输出特性量程调整的方法，通常是改变反馈部分的反馈系数0。匕愈大，量程就愈大；0愈小，量程就愈小。有些变送器还可以用改变测量转换部分的转换系数Ki来调整量程。（2）变送器的

55、零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移的目的。都是使变送器输出信号的下限值ymi与测量信号的下限值xmin相对应。在xmin=0时为零点调整（如图4-11所示）；在x.0时为零点迁移调整。/min/min|11111OXmaxX变送器零点调整前后的输入输出特性将测量的起始点迁移到某一数值(正值或负值)，这就是所谓的零点迁移。在未加迁移时。测量起始点为零；当测量的起始点由零变为某一正值。称为正迁移；反之。当测量起始点由零变为某一负值，称为负迁移。变送器零点迁移前后的输入输出特性如图所示。max卜7，max7尹max”pl1U_UL_OmaxXOminmaxxminOmaxxa)未迁移b)正迁移c)

56、负迁移变送器零点迁移前后的输入输出特性5.检测仪表分类检测仪表种类很多，分类不尽相同。常用的分类方法有：(1)按被测量分类。(2)按测量原理分类。(3)按输出信号分类。(4)按采用换能分类。5分钟小结。作业：思考题与习题4.3、4.4、4.5。对课程内容进行总结，加深学生的印象。过程控制与自动化仪表课程教案NO.9授课班级周次日期任课教师复习提问系统校正的方式学习模块模块四过程参数检测与变送学习任务任务2温度检测仪表授课内容温度检测仪表课时4教学目标知识目标：了解温度测量的基本物理量；掌握热电偶、热电阻的测温原理，掌握温度与热电势计算方法；了解测量温度仪表的选择和安装。能力目标：1培养学生自主

57、学习能力；2.培养学生解决问题的能力。素质目标：1培养学生实事求是的科学态度、严谨的工作作风和勇于进取的精神。重点难点重点：热电偶、热电阻的测温原理，热电势计算方法。难点：热电偶、热电阻的测温原理，热电势计算方法。授课过程步骤内容方法、资源运用1温度概述启发式、多媒体课件2热电偶启发式、多媒体课件3热电阻启发式、多媒体课件4温度变送器启发式、多媒体课件5温度测量仪表的选择和安装启发式、多媒体课件授课方式讲授的教学方式教学地点多媒体教室教学资源设备、工具等：投影系统、PPT电子课件教学时间教学内容注释5分钟回顾上节课内容，进行复习提问。八、相关知识温度是表征物体冷热程度的物理量，通常用t来表示。

58、温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。1.概述测温仪表的分类及性能比较170分钟帖库计好单JR甩反H附剽爼毎囲按-11XJ-颂弋仰他.唯确|堕轮岛.楼审性好眠金X克ft农划处热时建扎棉底示WL沾世，机耀事尿力式製止卄掘包内的佯就懂事囲受搭而a：灾压力价l*L血皆就堆虫中枪話花细怦机慎粥也琳.热龟NL融电肌fl导井城T：彳评加电阳妣蔺址-2i-rtOflCIBHt唯瞒,可用干皑泪吹ftM总酒帝电两阿不同氽属小障拽成受博产生焙Hi

59、功势51*L呦比RLfllLE富喪.建沪越冲端时应补快.在|:搖耐.时血站悴的而变fL7W-32Wt消詡虹酣广.極用Wfr枷格剋宜Mlfel1测埼慕练1懾測卅比轻爪切的EJWj光学応SJ廿相时51）%20flOT：顷应述腔快.训書円岀址ifl棉為&卄.111册怀的轴时惟飛航盜腔高低術应it巫应2.热电偶热电偶是基于热电效应原理测量温度的。a）测温系统（大屏幕投影）讲解温度的有关概念（大屏幕投影）简单解说测温仪表的分类及性能，必要时可用图片或实物展示，让学生加深印象。（大屏幕投影，演示视频或动画）解说热电偶工作原理，必要时可用图片或实物展示，让学生加深印象。A、B-热电偶；C-导线；D-显示仪表

60、；t-热端温度；t-冷端温度热电偶测温(1)热电偶工作原理当两端所处的温度不同时，在热电偶回路内就会产生热电势，设热端温度为t，冷端温度为t0，则在两金属A和B的接触点处接触电动势分别为eAB(t)eAB(t0),这种物理现象称为热电效应。热电偶回路的热电势只与热电极材料及测量端和冷端的温度有关，记作EAB(t，t0)E(t,t)=e(t)一e(t)AB0ABAB0由于热电偶的分度值都是以自由端温度等于0C时为基准的，所以当自由端温度不为0C而为t0时，温度与热电势之间的关系可用下式进行计算。E(t,t)二E(t,0)-E(t,0)00举例分析：用一只镍铬一镍硅热电偶(分度号为K)测量炉温，已