《过程控制系统》教学大纲

《过程控制系统》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：05157041课程性质：专业选修课学分：3学分学时：48学时（理论40学时，实验8学时）先修课程：自动控制原理、现代控制理论、传感器与检测技术等后续课程：无适用专业：自动化开课单位：电气工程与自动化学院一、课程说明《过程控制系统》是自动化专业学生的专业选修课。本课程以单回路控制系统为主线，讲解单回路控制系统组成及其四大组成部分：被控对象建模方法，检测仪表、执行器、控制器的原理、类型、选型方法等，然后重点介绍单回路控制系统设计，并简要介绍复杂控制系统设计和实现特殊需求的过程控制系统。本课程注重基本理论知识的深入学习，重在培养运用基础理论知识解决生产实际中问题的能力，强调理论、分析设计方法、工程应用三者之间的协调，培养“厚基础、宽口径、高素质、强能力”的人才。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：理解过程控制系统的组成及其工作原理，掌握工业自动化装置和控制系统的有关基础知识，能建立简单被控过程的数学模型。课程目标2：能够对过程控制系统的各组成部分进行必要系统分析，并根据生产工艺特点合理选择过程检测仪表和变送器、执行器、控制器过程控制系统核心组成部分。课程目标3：具备从事工业过程控制系统方案设计、仪表选型、校验、调试、参数整定等工作的专业知识和能力，能对简单过程控制系统进行综合设计，能初步对复杂控制系统进行分析设计。课程目标4：具有坚定正确的政治方向，具有为国家富强昌盛而努力奋斗的坚强意志；形成良好的劳动习惯，能适应工业过程控制场合复杂、艰巨的劳动强度和恶劣的劳动环境；具有严谨的科学态度和现代社会的竞争意识、环境保护意识、价值效益意识、求实创新意识等专业素质。三、课程目标与毕业要求《过程控制系统》课程教学目标对自动化和自动化（专升本）毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识：能将数学、自然科学、工程基础和专业知识应用于解决自动化控制领域的复杂工程问题。1.4能够将自然科学、工程基础、专业知识和数学模型方法应用于自动控制领域复杂工程问题解决方案的比较与综合。课程目标1：理解过程控制系统的组成及其工作原理，掌握工业自动化装置和控制系统的有关基础知识，能建立简单被控过程的数学模型。H2.问题分析：能应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析自动控制领域中复杂工程问题，以获得有效结论。2.2能够运用所掌握的科学原理和数学模型的方法，表达出复杂工程问题中各环节和参数之间内在联系或关系。课程目标2：能够对过程控制系统的各组成部分进行必要系统分析，并根据生产工艺特点合理选择过程检测仪表和变送器、执行器、控制器过程控制系统核心组成部分。课程目标3：具备从事工业过程控制系统方案设计、仪表选型、校验、调试、参数整定等工作的专业知识和能力，能对简单过程控制系统进行综合设计，能初步对复杂控制系统进行分析设计。H4.研究：能够基于科学原理并采用科学方法对自动控制领域的复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。4.2能够基于科学原理并采用科学方法对自动控制领域相关的复杂工程问题选择研究路线，设计实验方案。课程目标4：具有坚定正确的政治方向，具有为国家富强昌盛而努力奋斗的坚强意志；形成良好的劳动习惯，能适应工业过程控制场合复杂、艰巨的劳动强度和恶劣的劳动环境；具有严谨的科学态度和现代社会的竞争意识、环境保护意识、价值效益意识、求实创新意识等专业素质。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标1.绪论1.1过程控制的要求与任务1.2过程控制系统的组成与特点1.3过程控制系统的性能指标1.4过程控制系统的设计1.5过程控制的发展与趋势教学要求：理解过程控制的基本概念；掌握过程控制系统的组成、分类、性能指标；了解过程控制系统的特点与发展概况。重点:过程控制的基本概念、控制系统的组成与特点。难点:过程控制系统的性能指标。201、42.被控过程的数学模型2.1过程模型概述2.2机理建模法2.3测试建模法教学要求：理解并掌握被控过程的动态特性、数学模型的表达形式；掌握单容对象建模方法，掌握用测试法建模的两种方法，掌握多容对象的传递函数；了解建模的基本要求和非线性环节的处理方法和阶跃响应的获取方法。重点:对象的动态特性、典型过程的数学模型，单容对象的几种建模方法、用测试法建模的两种方法。难点:典型过程的数学模型，非线性环节的处理，阶跃响应的获取。421、43.过程参数检测仪表及变送器3.1测量误差与仪表的基本技术指标3.2温度检测及变送3.3湿度检测及变送3.4压力检测及变送3.5流量检测及变送3.6物位检测及变送教学要求：理解测量误差；理解并掌握仪表的基本技术指标；掌握温度变送、湿度变送、压力变送、流量变送、物位变送。重点:仪表的基本技术指标，温度变送、湿度变送、压力变送、流量变送。难点:物位变送。401、2、34.执行器4.1气动调节阀的结构4.2调节阀结构特性与流量特性4.3气动调节阀的选型教学要求：理解气动调节阀的结构；理解并掌握气动调节阀的四种结构特性、工作流量特性、气动调节阀气开、气关与流开、流闭的组合；掌握调节阀的气开、气关选择方法；了解调节阀的理想流量特性。重点:气动调节阀的结构，气动调节阀的工作流量特性，调节阀的气开、气关选择。难点:气动调节阀气开、气关与流开、流闭的组合，调节阀的气开、气关选择。601、2、35.控制器5.1比例积分微分（PID）控制5.2DDZ-III控制器5.3数字控制器5.4KMM可编程调节器功能模块及编程方法教学要求：理解PID控制、数字控制器的特点；理解并掌握三种常用反馈控制规律的原理及特点；掌握PID控制器的选取及参数整定方法；理解数字式PID控制算法及其改进算法；了解DDZ-III控制器和KMM可编程调节器的功能、特点及使用。重点:积分参数对调节规律的影响、PID控制规律及PID参数对系统调节过程的影响、

数字PID的改进算法。难点:比例度的意义、积分饱和现象、微分的作用、采样周期对控制规律的影响。601、2、36.单回路控制系统设计6.1简单控制系统的分析6.2简单控制系统的设计6.3简单控制系统的整定6.4简单控制系统的投运教学要求：掌握控制系统的组成，了解离散控制系统的组成；理解并熟练掌握被控变量的选择、检测仪表的选择和控制器的选型；理解并掌握动态特性参数法，理解稳定边界法、衰减曲线法和等效控制器；了解控制系统投运方法。重点:控制系统的组成、控制器的选型、动态特性参数法、控制系统投运。难点:控制器正反作用的确定、等效调节器和广义对象的确定。842、3、47.复杂控制系统设计复杂控制系统设计7.1串级控制系统分析7.2前馈控制系统7.3大滞后过程控制系统教学要求：掌握串级控制系统的基本原理、结构、特点及工作过程；掌握副回路的选择方法和投运步骤，理解主副工作频率的选择和主副控制器的选择方法；理解补偿控制和前馈过程控制系统的原理、方法及特点，掌握前馈、反馈控制系统；了解大滞后控制系统的原理、方法及特点。重点:串级控制系统工作过程、串级控制系统性能分析、副回路的选择，前馈反馈控制系统。难点:串级控制系统工作过程、动态特性、副回路的选择，不变性原理。628.特殊控制系统设计8.1比值控制系统8.2均匀控制系统8.3分程控制系统8.4选择性控制系统教学要求：理解比值控制、均匀控制、分程控制和选择性控制的概念；理解单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值比值控制系统；掌握比值控制系统的设计、比值控制系统的实施，了解均匀控制系统的设计，掌握分程控制系统和选择性控制系统的类型。重点:比值控制系统的设计、比值系数的计算、分程控制系统的设计。难点:变比值控制系统的设计。403、4合计4082.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.双容水箱液位特性测试实验实验内容：测定双容水箱的数学模型。实验要求：掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法，根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数。21、22.双容水箱液位定值控制实验实验内容：实现对双容水箱下水箱液位定值控制。实验要求：研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响，定性研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。22、33.锅炉内胆水温定值控制系统实验实验内容：实现对锅炉内胆水温的定值控制。实验要求：掌握单回路温度控制系统的组成与工作原理。研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。23、44.水箱液位串级控制实验实验内容：实现对三容水箱下水箱液位的串级控制。实验要求：理解水箱液位串级控制系统组成原理；掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。23、4合计8五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，结合讨论、案例、视频资源共享、实验等教学手段完成课程教学任务和相关能力的培养。通过本课程学习使学生理解工业过程控制系统的结构和组成，掌握工业自动化装置和控制系统的有关专业基础知识；使学生具备从事工业过程控制系统方案设计、仪表选型、校验、调试、参数整定等工作的专业知识和能力。在实验教学环节中，采用教师讲授和学生动手操作的方法，通过启发式教学、讨论式教学进一步培养学生过程控制系统分析设计的基本理论、基本知识和基本技能。培养学生自主学习能力、实际动手能力，激发学生的创新思维。在实验前学生应复习和掌握与本实验有关的教学内容、认真阅读实验指导书；在实验中要严格遵守实验纪律，按操作规程使用仪器；实验结束后，按规定对仪器进行维护保养；每完成一项实验，要认真完成一份实验报告。六、课程资源1.教材：彭秀艳,韩云涛,梁洪.《工业过程控制》.北京:高等教育出版社.2019.2.参考书：（1）薄翠梅.过程控制[M].北京:机械工业出版社.2020.（2）利昂.乌尔巴斯.过程控制系统工程[M].北京:机械工业出版社.2018.（3）齐卫红.过程控制系统（第3版）[M].北京:电子工业出版社.2018.（4）贺代芳.过程控制技术[M].北京:机械工业出版社.2019.（5）鲁照权.过程控制系统[M].北京:机械工业出版社.2018.3.期刊：（1）王启航.基于PID对角优势补偿阵的过程多变量控制系统设计[J].化工学报.2018（3）:69-72.（2）张亚军.一类非线性离散时间动态系统的交替辨识算法及应用[J].自动化学报.2018（1）:43-45.（3）葛亚明.基于LabVIEW的过程控制实验系统设计[J].实验技术与管理.2019（4）:32-35.（4）柴天佑.复杂工业过程运行优化与反馈控制[J].自动化学报.2013（11）:39-42.（5）\t"/kcms2/article/_blank"岳向波.石化项目过程控制要点和思路[J].\t"/kcms2/article/_blank"当代化工研究.\t"/kcms2/article/_blank"2022（4）:180-182.（6）MingjieHe;WeiyeLi;JunPeng;JiangtaoYang.\o"Multi-layerQuasiThree-dimensionalEquivalentModelofAxial-FluxPermanentMagnetSynchronousMachine"\t"/kcms2/article/_blank"Multi-layerQuasiThree-dimensionalEquivalentModelofAxial-FluxPermanentMagnetSynchronousMachine.\o"CESTransactionsonElectricalMachinesandSystems"\t"/kcms2/article/_blank"CESTransactionsonElectricalMachinesandSystems[J].,\o"2021"\t"/kcms2/article/_blank"2021ControlEngineering.2021(12):278-281.4.网络资源：（1）中国自动化网./．（2）中国大学MOOC（慕课）.工业过程控制./course/HRBEU-1002529018.七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标1234过程性考核课堂表现4（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√√1111实验12（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√√2352作业12（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√√2451期中测试12（1）学期期中进行一次期中测试，满分100分。（2）以测试成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√√2451期末考核60（1）卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核过程控制系统的组成及其工作原理，过程对象建模，测量变送器、执行器和控制器的选用，单回路控制系统的分析设计，负责控制系统的分析。（3）考试题型为：选择题、填空题、判断题、分析计算题和设计题等。√√√√1515255合计：100分22274110八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、实验、作业、期中考试、期末考试等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末试卷成绩和过程性考核成绩组成。其中：期末试卷成绩为100分（权重60%），试题类型为填空题、选择题、判断题、简答题、计算题、分析题和设计题等类型中的五种，试卷中基本知识、基本理论、基