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1、序号2周次1授课形式讲授 授课章节名称 1-3 控制系统的过渡过程 1-4 工艺管道及控制流程图 教学目的 通过讲解，使同学们掌握自动控制系统过渡过程的基本形式及其质 量指标，基本掌握工艺管道及控制流程图。 教学重点 过渡过程的质量指标及其表示方法，工艺管道及控制流程图 教学难点 过渡过程的质量指标及其表示方法，工艺管道及控制流程图 使用教具 未使用教具。 课外作业 1复习所学内容 2P.17：2、6、8 课后体会 少部分学生对过渡过程的质量指标掌握得不够好，完成作业有困难， 需进一步讲解。 授 课 主 要 内 容 复习提问：自动控制系统的组成框图由哪几部分组成？如果干扰出现，系统将会这样 动
2、作？引入新课。 一、过渡过程和品质指标 （一）过渡过程 1. 控制系统的状态 （1）静态（稳态）：被控变量不随时间变化的平衡状态。 （2）动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。 （3）过渡过程：从原有平衡状态过渡到新的平衡状态的过程，即从干扰开始，经过控 制，直到系统重新达到新的平衡状态。也是控制作用不断克服干扰作用的过程。 （4）干扰作用：破坏系统平衡，使被控变量偏离设定值的各种外来因素。 2. 自动控制系统的过渡过程基本形式 （1）发散振荡：被控变量越来越偏离设定值，是不稳定状态，易引起事故。 （2）等幅振荡：被控变量始终在设定值附近上下波动，介于稳定和不稳定之间，是临 界状态。 （3）衰
3、减振荡：被控变量经振荡，越来越靠近设定值，是稳定状态。 （4）单调过程：属稳定状态，但变化过程过于缓慢。 （二）品质指标 1最大偏差 最大偏差是指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。它描述了被控变量偏离设定 值的程度。 超调量max： 被控变量最大指示值与新稳态值之差。即以稳态值为基准的第一个波峰。 max =B 2衰减比：过渡过程曲线上同向相邻两个波的振幅之比。 N=B/B 介于 4:110:1 之间 是动态指标。 3余差：过渡过程结束时的残余偏差，为设定值与稳态值之差。 余差是静态指标、精度指标。控制系统按有无余差分为有差控制系统（C0）和无差控 制系统（C=0） 。 4过渡时间：过渡
4、过程所经历的时间。是快速性指标。 控制系统受到干扰作用后，被控变量从原有稳定状态过渡到新稳态值的5%（或2%） 范围内，且不再越出时，所经历的时间。过渡时间越短，表示过渡过程进行得越迅速，越容 易克服扰动。 5振荡周期：过渡过程曲线上同向相邻两波峰间的时间间隔。 振荡周期越短，过渡过程时间越短，越易克服扰动。 （三）系统响应 从五个基本指标看系统的响应，可从稳定性、快速性、精确性三个方面考虑。 二、影响系统品质指标的因素 1. 对象特性 2. 自动化装置的性能 三、管道及控制流程图 1化工生产的基本流程： 原料输入设备前处理过程（分离或精制）化学反应过程后处理过程（提纯反应生成 物、回收未反应
5、原料及副产品）输出设备成品 2工艺管道及控制流程图（P 已知： EK (T,T1)=20 mv； 则：EK (T,0)=21 mv； 通过反查 K 型热电偶分度表 T=508.5 oC ； （2） 改用 E 型热电偶情况下： EE (T,0)= EE (T, T0)+ EE (T0,0) T0=25oC E 型热电偶； T=508.5 oC 查 E 型热电偶分度表 EE (T,0)=37.8 mv; T0=25oC 查 E 型热电偶分度表 EE (T0,0)=1.5 mv; 因此 EE (T,0)=36.3 mv; 6. 解：（1）最大绝对误差 （2）允许误差 （3）工艺要求 那么求得 根据工
6、艺要求选取，要选择等级高的精度等级 0.5；所以此温度计不符合要求。 7. 解：空气压缩机的缓冲器中的压力类型为平缓压力； 且只需要就地观察，不需要远传变送，所以选择普通单圈弹簧管压力计（类型） ； 测量上限： 工作压力范围 1.11.6MPa； 如果没有特殊要求，压力表下限选择 0 MPa； 所以该压力计的量程为 02.4 MPa； 且工作压力下限大于量程的 13，小于量程的 23，符合要求； 精度等级的确定： 满量程02.4 MPa 精度为 1.5； 扬 州 工 业 职 业 技 术 学 院 教 案扬 州 工 业 职 业 技 术 学 院 教 案 序号23周次12授课形式讲授 授课章节名称 第
7、七章典型生产过程的控制 7-1 传热过程的控制（串级、前馈） 教 学 目 的 通过讲解，使学生掌握串级和前馈控制系统的特点与工作过程。 教 学 重 点 串级、前馈控制系统工作过程。 教 学 难 点 串级、前馈控制系统的工作过程。 使 用 教 具 未使用教具。 课 外 作 业 复习所授内容； 课 后 体 会 大部分学生这部分内容掌握得较好，实现教学目的，完成教学任 务。 授 课 主 要 内 容 复习提问：几种简单控制系统控制器参数的工程整定方法；控制系统中各组成环节作用 方向的确定。 新课讲解：复杂控制系统有串级控制、前馈控制、选择性控制、分程控制、均匀控制、 比值控制、多冲量控制。 传热过程在
8、化工生产中非常普遍，主要采用间壁式换热器，其特点是流动的冷、热 流体之间以间壁隔绝。热流体的热量首先传给间壁，再由间壁传给冷流体。间壁式传热 设备分为加热炉、换热器、锅炉等几种主要设备，通常均具有较大的滞后，对控制带来 难度。 一、加热炉的串级、前馈控制 1. 加热炉的特点 管式加热炉：传热过程中具有较大的时间常数与纯滞后时间，考虑到操纵变量应可 控， 且应使得对象控制通道的放大倍数大于干扰通道的放大倍数， 并使控制通道的时间常 数和滞后时间较小。选择燃料油的流量作为操纵变量，并设置三个辅助控制系统 ： 燃料油 总压控制；工艺介质流量控制；雾化蒸汽压力控制系统 2. 串级控制系统 串级控制：系
9、统采用两个控制器制器和副控制器；同时存在两个被控对象 主、副对象；相应存在两个被控参数主、副被控变量。主变量为工艺最终要求控制 的被控变量。 此控制的目的：将系统中滞后对象一分为二，通过超前作用的副回路，将主要干扰 予以迅速克服。 以课本中炉出口温度对炉膛温度串级控制系统为例进行分析。 （1）串级控制系统的特点： 串级控制系统有两个闭合回路 ： 主回路和副回路，两个控制器，两个测量变送器， 两控制器串联工作，主控制器输出作为副控制器的给定值，系统通过副控制器的输出去 操纵执行器，实现对主变量的定值控制，主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制 系统；两个变量：主、副变量；系统特性：副回路的引入
10、，使控制过程加快，具有 超前控制作用，有效克服滞后，提高了控制质量； 增加了副回路，具有一定自适应能力，可用于负荷和操纵条件有较大变化的场合。 （2）工作过程 干扰进入副回路 干扰 F1不存在，只有 F2干扰，先引起炉膛温度变化，然后通过管壁传热才能引起 原料油出口温度变化；若采用简单控制，当原料油出口温度变化后，控制作用才能开始， 因此控制迟缓，滞后大，设置了副回路后，F2引起炉膛温度变化，T2C 及时控制，使其 很快稳定下来，一般影响不到原料油出口温度。 干扰作用于主对象 干扰 F2不存在，只有 F1干扰，F1作用使原料油出口温度升高，T1C 的输出降低， 即 T2C 的给定值降低，由于炉
11、膛温度暂时没变，即 T2C 测量值（炉膛温度）没变，T2C 的输出会降低，气开式阀门开度随之减小，促使原料油出口温度降低直至恢复到给定值， 整个过程中 T2C 的给定值不断变化，要求炉膛温度也随之变化，这是为了维持原料油出 口温度不变所必需的。 干扰同时作用于副回路和主对象 F1、F2同时存在，分下列两种情况讨论： a.干扰作用下主、副变量的变化方向相同，一方面燃料油压力增加（或热值增加） 使炉膛温度增加，同时由于原料油进口温度增加（或流量减少）而使原料油出口温度增 加。这时主控制器的输出由于原料油出口温度增加而减小。副控制器由于测量值（炉膛 温度）增加，给定值减小，此时给定值和炉膛温度之间的
12、差值更大，副控制器的输出也 大大减小，以使阀门关得更小，大大减少了燃料供给量，直至原料油出口温度回复到给 定值为止。 b.主、副变量的变化方向相反，一个增加一个减小，比如炉膛温度增加，原料油出 口温度降低，主控制器的输出增大，当两者增量恰好相等，则偏差为零，此时副控制器 输出不变，阀门无需动作；若增量不等，偏差其实也不大，稍微动作一点，即可使系统 达到稳定。 （3）串级控制系统中副回路的确定 主、副变量之间应有一定的内在联系； 要使系统的主要干扰被包围在副回路 中；在可能情况下，应使副环包围更多的次要干扰；副变量的选择应考虑到主、副 对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生 ； 当对象具有较大的
13、纯滞后而影响控制质量时， 在选择副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。 （4）控制器正、反作用的选择 副控制器的作用方向的选择：根据工艺安全等要求，选定执行器的型式后，按照 使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。方法与简单控制系统中控制器的正反 作用的选择方法相同，可不考虑主控制器的作用方向，只是将主控制器的输出作为副控 制器的给定就行了。 主控制器的作用方向由工艺情况决定， 与执行器的型式及副控制器的作用方向无 关，一般选择时，先副后主，当然也可以先主后副，先按工艺过程特性的要求确定主控 制器，再按一般单回路控制系统的方法再选定执行器的型式及副控制器的作用方向。 当由于工艺过
14、程的需要，控制阀由气开改为气关（或由气关改为气开时） ，只要 改变副控制器的正反作用而不需要改变主控制器的正反作用。 二、 前馈控制系统（开环控制系统） 该控制一般按干扰的大小和性质进行控制的。前馈控制系统不仅要考虑最终补偿结果能 使前馈作用与扰动作用恰好抵消，还应考虑在补偿过程中它们的动态相应保持一致。 （一）前馈控制的特点： 前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效； 前馈控制是根据干扰的变化产生控制作用。反馈控制的依据是被控变量与给定值的 偏差，检测的信号是被控变量，控制作用发生时间是在偏差出现以后。 前馈控制的依据是干扰的变化，检测的信号是干扰量的大小，控制作用的发生时间
15、是在干扰作用的瞬间而不需等到偏差出现之后。 前馈控制是属于“开环”控制系统； 反馈控制系统是一个闭环控制系统，而前馈控制系统是一个“开环”控制系统，这也是 它们两者的基本区别。 在前馈控制系统中，被控变量根本没有被检测。当前馈控制器按扰动量产生控制作 用后，对被控变量的影响并不返回来影响控制器的输入信号扰动量，所以整个系统 是一个开环系统。 前馈控制系统是一个开环系统，这一点从某种意义上来说是前馈控制的不足之处。 反馈控制由于是闭环系统，控制结果能够通过反馈获得检验。而前馈控制其控制效果并 不通过反馈来加以检验。 前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器； 一般的反馈控制系统均采用通用类
16、型的 PID 控制器，而前馈控制要采用专门的前馈 控制器（或前馈补偿装置） 。对于不同的对象特性，前馈控制器的控制规律将是不同的。 为了使干扰得到完全克服，干扰通过对象的干扰通道对被控变量的影响，应该与控制作 用（也与干扰有关）通过控制通道对被控变量的影响大小相等、方向相反。 一种前馈作用只能克服一种干扰。 其中，前馈控制的一个主要优点就是，干扰一旦出现，不需等到被控变量受其影响 产生变化，就会立即产生控制作用。 （二）前馈控制的主要形式 1单纯的前馈控制形式 根据对干扰补偿的特点，可分为静态前馈控制和动态前馈控制。 （1）静态前馈控制系统 前馈控制器的输出信号是按干扰大小随时间变化的，它是 干扰量和时间的函数。而当干扰通道和控制通道动态特性相同时，便可以不考虑时间函 数。只按静态关系确定前馈控制作用。 （2）动态前馈控制系统 静态前馈控制只能保证被控变量的静态偏差接近或等于 零，并不能保证动态偏差达到这个要求。故必须考虑对象的动态特性，从而确定前馈控 制器的规律，才能获
