北京化工大学：《过程控制工程》课程电子教案（讲义）第一章 过程控制的发展概况（负责人：李宏光）

讲新课 课程名称 过程控制工程 课 型 (过程控制的发展糊 况) 教师姓名 授课学时 1学时(50分钟) 过程控制发展概况 教学内容 基本概念 通过本节课的学习，使同学了解这门课程的大概情况，了解 教学目的 过程控制的发展概况及一些基本的概念。 教学重点 过程控制发展概况 教学难点 及相应的 难点：无 教学策略 教学方法 深究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合

- 1 - 课程名称 过程控制工程 课 型 讲新课 （过程控制的发展概 况） 教师姓名 授课学时 1 学时（50 分钟） 教学内容 过程控制发展概况 基本概念 教学目的 通过本节课的学习，使同学了解这门课程的大概情况，了解 过程控制的发展概况及一些基本的概念。 教学重点 过程控制发展概况 教学难点 及相应的 教学策略 难点：无 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合

时间 教学方法、 分配 教学过程 手段 课程性质 (1)控制理论与控制工程 (2)直接服务于工业生产过程的工程性技术 (3)考试课 (4)硕十研穷生初试课程 质与 (5)复试（面视）的主要内容 课程安排 57学时：授课学时，实验学时(4个实验) 地点：周三科101 周六教306 5 分钟 考核：期末闭卷考试 成绩：考试70%+实验20%+作业考勤10% 作业：全部完成 每次抽查部分同学（按学号） 早期：一干多年前：制壶滴漏计时器、指南车（中国西汉时期开环前馈）、各种 天文仪器。 十八世纪：风车定向装置(1750年)，蒸汽机调速装置（1784年) 30年代：黑箱子时期：凭经验，配仪表（经典控制理论1代+2代） 1948年：N.Wiener发表《控制论》 50年代：仪表化阶段：发展仪表硬件，基地式仪表（控制系统） 主理品单回路控生制系统 探究式 W.R.Evans提出根轨迹法，钱学森发表《工程控制论》 讲授法 过程 60年代：发展阶段（现代控制理论，第3代） 控制 单元组合仪表，电动、气动 发 ①化工动态学（建立数学模型） 概况 ②计算机发展 PD控制和复杂控制：（级、比值、前馈、均匀、择等） ④全局设计观念 70年代~：微电子技术的发展一计算机控制 钟 DDC (Direct Digital Control) DCS(Distributed Control System) 多媒体 PD控制及高级算法：推断，预测，自适应，最优 演示法 大系统理论 (第4代 80年代：多级优化控制 CIMS(Computer Integrated Manufacturing System) CIPS (Computer Integrated Process System) FCS (Field-bus Control System) 智能控制理论（第4代）：模糊控制、神经网络控制、专家控制、遗 传算法、灰色理论

- 2 - 时间 分配 教学过程 教学方法、 手段 课 程 性 质 与 安 排 5 分 钟 课程性质: （1）控制理论与控制工程 （2）直接服务于工业生产过程的工程性技术 （3）考试课 （4）硕士研究生初试课程、 （5）复试（面视）的主要内容 课程安排 57 学时：授课学时，实验学时（4 个实验） 地点： 周三 科 101 周六 教 306 考核：期末闭卷考试 成绩：考试 70%+实验 20%+作业考勤 10% 作业：全部完成 每次抽查部分同学（按学号） 探究式 讲授法 过程 控制 发展 概况 15 分 钟 早期：一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南车（中国西汉时期-开环前馈）、各种 天文仪器。 十八世纪：风车定向装置（1750 年），蒸汽机调速装置（1784 年） 30 年代~：黑箱子时期：凭经验，配仪表(经典控制理论 1 代+2 代) 1948 年：N. Wiener 发表《控制论》 50 年代~：仪表化阶段：发展仪表硬件，基地式仪表（控制系统） 主要是单回路控制系统 W. R. Evans 提出根轨迹法，钱学森发表《工程控制论》 60 年代~：发展阶段（现代控制理论，第 3 代） 单元组合仪表，电动、气动 ① 化工动态学（建立数学模型） ② 计算机发展 ③ PID 控制和复杂控制：(串级、比值、前馈、均匀、选择等） ④ 全局设计观念 70 年代~：微电子技术的发展→计算机控制 DDC（Direct Digital Control) DCS(Distributed Control System) PID 控制及高级算法：推断，预测，自适应，最优 大系统理论（第 4 代） 80 年代~：多级优化控制 CIMS (Computer Integrated Manufacturing System) CIPS (Computer Integrated Process System) FCS (Field-bus Control System) 智能控制理论（第 4 代）：模糊控制、神经网络控制、专家控制、 遗 传算法、灰色理论 探究式 讲授法 多媒体 演示法

过程控制发展概况 过程 自动化发展的两个特点： ()任务的需要、理论的开拓、技术手段的进展 概况 (2)一门综合性的技术 分钟 控制理论 本课 仪表与计算机。→过程控制系统。 →化学工程与工艺 程的 研究 对象 与任 综合与分析 务 任务：生产过程自控方案的设计 两个环节：实验、工程设计

- 3 - 过程 控制 发展 概况 3 分 钟 本 课 程 的 研 究 对 象 与 任 务 5 分 钟 过程控制发展概况 自动化发展的两个特点： (1)任务的需要、理论的开拓、技术手段的进展 (2)一门综合性的技术 任务：生产过程自控方案的设计 两个环节：实验、工程设计 仪表与计算机 过程控制系统 化学工程与工艺 综合与分析 控制理论

基本概念 ()过程(Process)-生产过程 历经 伴随物质能量变化 (2)过程(Process)的特点 连续过程(Continuous Process) 批量（间歇）过程(Batch Process)) 离散过程Diserete Process) 流程工业(Flow Manufacturing Industry) 离散制造业(Discrete Industry) (仔)过程控制(Process Control) 针对连续或半连续间歇）过程中的温度、压力、流量、液（物）位、化学成分 (如含氧量)、物性参数（如粘度、融溶指数）等变量而实现的自动控制系统 称为过程控制。 (④被控参数种类 温度 压力 流量 液位 成分（氧含量，产品组份等） 钟 物性（粘度，干点，冰点等） (⑤)过程控制领域 石油化工：输油、 炼油、乙烯、合成橡胶、合成氨 电力： 治金： 治金加热炉，热处理炉 生化： 啤酒，制药 轻工： 食品，漂染 环墙： 水处理，大气监测 其它 农业，养殖业 我国的控制工程相对落后 小结 1总结本次课所讲的主要内容。 2布重课后练习及下节课预习任务。 探究式 课后练习： 讲授法 预习： 4

- 4 - 基 本 概 念 20 分 钟 基本概念 (1) 过程（Process）--生产过程 历经一段时间 一般工业生产 伴随物质能量变化 (2) 过程（Process）的特点 连续过程(Continuous Process) 批量（间歇）过程(Batch Process) 离散过程(Discrete Process) 流程工业(Flow Manufacturing Industry) 离散制造业(Discrete Industry) (3) 过程控制(Process Control） 针对连续或半连续（间歇）过程中的温度、压力、流量、液（物）位、化学成分 （如含氧量）、物性参数（如粘度、融溶指数）等变量而实现的自动控制系统， 称为过程控制。 (4) 被控参数种类 温度 压力 流量 液位 成分（氧含量，产品组份等） 物性（粘度，干点，冰点等） (5) 过程控制领域 石油化工：输油、炼油、乙烯、合成橡胶、合成氨 电力： 火电厂 冶金： 冶金加热炉，热处理炉 生化： 啤酒，制药 轻工： 食品，漂染 环境： 水处理，大气监测 其它： 农业，养殖业 我国的控制工程相对落后 小结 2 分 钟 1.总结本次课所讲的主要内容。 2.布置课后练习及下节课预习任务。 课后练习： 预习： 探究式 讲授法

进断课 课程名称 过程控制工程 课 型 (单回路系统的结构组 成) 教师姓名 授课学时 1学时(50分钟) 教学内容 单回路系统的结构组成 教学目的 通过本节课的学习，使同学掌握单回路系统的结构组成 教学重点 单回路系统的结构组成 难点：单回路系统的结构组成 教学难点 策略 及相应的 通过举例分析讲解单回路系统的结构组成涉及的问题。 教学策略 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合

- 5 - 课程名称 过程控制工程 课 型 讲新课 （单回路系统的结构组 成） 教师姓名 授课学时 1 学时（50 分钟） 教学内容 单回路系统的结构组成 教学目的 通过本节课的学习，使同学掌握单回路系统的结构组成 教学重点 单回路系统的结构组成 教学难点 及相应的 教学策略 难点：单回路系统的结构组成 策略： 通过举例分析讲解单回路系统的结构组成涉及的问题。 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合

分配 教学过程 教学方法、 手段 课程 单回路系统的结构组成 单回路反馈控制系统 四个基本环节：被控对象、测量变送、控制器和控制阀 反馈控制中的最基本系统 探究式 特点：简单、有效、 应用最成熟、最普遍一占70%以上 讲授法 5 钟 例1：恒温箱的人工控制 温度计 人 控制 箱调 调压器 节过 加热电阻丝 220V- 人工控制的恒温箱 人工控制恒温箱调节过程 ● 观测恒温箱内的温度（被控制量〉 ● 与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度 0 偏差的大小和方向 ●根据偏差大小和方向调节调压器，按制加热电 多媒体 阻丝的电流以调节温度回复到要求值 演示法 人工控制过程的实质：检测偏差，调节操纵变量，缩小偏差 器婴大植]一手☐一调压图一恒强箱 实际 温度 眼晴 温度计 -6-

- 6 - 时间 分配 教学过程 教学方法、 手段 课 程 导 入 5 分 钟 单回路系统的结构组成 单回路反馈控制系统 四个基本环节：被控对象、测量变送、控制器和控制阀 反馈控制中的最基本系统 特点：简单、有效、 应用最成熟、最普遍 --- 占 70%以上 探究式 讲授法 人工 控制 恒温 箱调 节过 程 10 分 钟 例 1：恒温箱的人工控制 人工控制的恒温箱 加热电阻丝 ~220V~ 调压器 温度计 人工控制的恒温箱 加热电阻丝 ~220V~ 调压器 温度计 人工控制恒温箱调节过程 ● 观测恒温箱内的温度（被控制量） ● 与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度 偏差的大小和方向 ● 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电 阻丝的电流以调节温度回复到要求值 人工控制过程的实质：检测偏差，调节操纵变量，缩小偏差 期望 温度 眼睛 实际 温度 温度计 大脑 手 调压器 恒温箱 探究式 讲授法 多媒体 演示法

恒温箱自动控制谓节过程 恒温箱自 给定信号 比较！ 大 动控制调节 △ 又速器 ,执行 放大器电动机 调压器 板书、 加热电阻丝 互动法 220 恒温箱自动控制系统 恒温箱自动控制系统工作原理： 10 (1)恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压2 (2)恒温箱期望温度由电压1给定，并与实际温度 2比较得到温度偏差信号山三山12 3)温度偏差信号经电压、 用以驱动 腿通过代动壳格 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为 止，此时，偏差△u=O,电机停止转动

- 7 - 恒 温 箱 自 动 控 制 调 节 过 程 10 分 钟 恒温箱自动控制调节过程 恒温箱自动控制系统工作原理： (1)恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电 压 u2 (2)恒温箱期望温度由电压 u1 给定，并与实际温度 u2 比较得到温度偏差信号 Δu＝u1− u2 (3)温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为 止，此时，偏差 Δu＝0，电机停止转动。 探究式 讲授法 多媒体 演示法 板书、 互动法

例2：水槽液位控制系统 两 探究式 讲授法 LC ↓F2 2 工作过程： F1增加 →L增加→变送器输出信号增加一偏差（测量值设定值）为正 多媒体 系 增加 控制器输出增加→阀开度增加一F2增加一L降低： 演不法 给定+ 偏差 测量 控制器一控制阀一被控 液位 对象 测量 变 ☆ 给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。 ☆被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。 ☆输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进 行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程 称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号

- 8 - 水 槽 液 位 控 制 系 统 10 分 钟 例 2：水槽液位控制系统 F2 F1 L F1 A.C F2 ●+ LC sp L F1 A.C F2 ●+ LC sp F1 A.C F2 ●+ LC sp F1 A.C F2 ●+ LC sp A.C F2 ●+ LC A.C F2 ●+ LC sp L 工作过程： F1 增加 → L 增加 → 变送器输出信号增加 → 偏差（测量值-设定值）为正、 增加 → 控制器输出增加 →阀开度增加 → F2 增加 → L 降低； 控制器 控制阀 被控 对象 测量 变送 给定 + 偏差 测量 − 液位 ☆ 给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。 也称为参考输入量（信号）。 ☆ 被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。 ☆ 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进 行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程 称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。 探究式 讲授法 多媒体 演示法 自问自 答形式

控制系统的原理和作用（定值） ●维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好 ●偏差控制：纠正偏 过程工业中，此类系统占大多数 启发式 ●按被控参数分类： 课堂讨论 温度控制回路、压力控制回路、 流量控制回路、物位（液位）控制回路 方块图： 互动法 原油 T 燃料油 图1加热炉温度控制系统 受控对像 扰动D 千扰逼道 受控变量 设定值偏差：控制器 a + G. c,(s) ) 测量： G. 1、每个方块图代表控制系统的环节 2、方块图中连线为信号线，不是物料线。 3、箭头代表信号作用方向 4、控制系统具有单向性，输入性影响输出 5 信号沿箭头方向前进又回到原起点 闭环 特点：自控系统具有受控变量负反馈的闭合回路

- 9 - 方 块 图 10 分 钟 控制系统的原理和作用（定值） ●维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好 ●偏差控制：纠正偏差 过程工业中，此类系统占大多数 ●按被控参数分类： 温度控制回路、压力控制回路、 流量控制回路、物位（液位）控制回路 方块图： 图1 加热炉温度控制系统 T2 燃料油 T1 TCTC 原油 图1 加热炉温度控制系统 T2 燃料油 T1 TCTC 原油 T2 燃料油 T1 TCTC 原油 设定值r 扰动D 偏差e 受控对象 G ( )s c 控制器 G ( )s v 执行器 控制通道 G ( )s p 干扰通道 G ( )s D 测量变送 G ( )s m 受控变量 y + + 操纵变量 q 控制变量 u 测量值 z + − 设定值r 扰动D 偏差e 受控对象 G ( )s c 控制器 G ( )s v 执行器 控制通道 G ( )s p 干扰通道 G ( )s D 测量变送 G ( )s m 受控变量 y + + 操纵变量 q 控制变量 u 测量值 z + − 1、每个方块图代表控制系统的环节 2、方块图中连线为信号线，不是物料线。 3、箭头代表信号作用方向 4、控制系统具有单向性，输入性影响输出 5、信号沿箭头方向前进又回到原起点――闭环 特点：自控系统具有受控变量负反馈的闭合回路 启发式 课堂讨论 互动法

方块图中各环节 工业控制器：比较环节十控制器 控制阀：改变操作变量环节 3.测量变送器：测量元件如热偶、孔板 启发式 变送器：将测量信号变换为后续仪表所需信号类型的装置 4.被控对象：指系统中反映操纵变量、干扰变量、与受控变量之间的环节 课堂 3 5.干扰：引起被控变量变化的一切外界因素 讨论法 如：烟筒抽力，燃料油成分，雾化程度，原油温度 6 干扰通道：干扰至受控变量之间的信号联 .控制通道：操纵变量至变量之间的信号联系 8.设定值：被控变量的预定法 9.操纵变量：被控制装置操纵以使受控变量保持设定值的物料量或能量 10被控变量：过程内要求保持设定值的物理量 1.总结本次课所讲的主要内容。 2布置课后练习及下节课预习任务。 课后练习： 问题：分析F1减小时的控制过程 小结 FI LC 探究式 讲授法 F2 预习： -10-

- 10 - 3 分 钟 方块图中各环节 1．工业控制器：比较环节＋控制器 2． 控制阀：改变操作变量环节 3．测量变送器：测量元件如热偶、孔板 变送器：将测量信号变换为后续仪表所需信号类型的装置 4．被控对象：指系统中反映操纵变量、干扰变量、与受控变量之间的环节 5．干扰：引起被控变量变化的一切外界因素 如：烟筒抽力，燃料油成分，雾化程度，原油温度 6．干扰通道：干扰至受控变量之间的信号联系 7．控制通道：操纵变量至变量之间的信号联系 8．设定值：被控变量的预定法 9．操纵变量：被控制装置操纵以使受控变量保持设定值的物料量或能量 10．被控变量：过程内要求保持设定值的物理量 启发式 课堂 讨论法 小结 2 分 钟 1.总结本次课所讲的主要内容。 2.布置课后练习及下节课预习任务。 课后练习： 问题：分析 F1 减小时的控制过程 F1 LC F2 F1 LC F2 预习： 探究式 讲授法