《過程控制工程》課程教學(xué)大綱（本科）

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1、《過程控制工程》課程教學(xué)大綱 課程編號： 課程名稱：過程控制工程 英文名稱：Process Control Engineering 課程類型：專業(yè)課 課程要求：必修 學(xué)時/學(xué)分：5弟.5 （講課學(xué)時：48實(shí)驗(yàn)學(xué)時：8上機(jī)學(xué)時：0） 適用專業(yè)：自動化 一、 課程性質(zhì)與任務(wù) 1. 課程性質(zhì)：《過程控制工程》是自動化專業(yè)的專業(yè)課，是關(guān)于生產(chǎn)過程自動控制的課 程，是一門基礎(chǔ)知識綜合應(yīng)用能力要求較高且專業(yè)性強(qiáng)的專業(yè)課。 2. 課程任務(wù)：開拓學(xué)生的視野，培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合應(yīng)用基礎(chǔ)知識以及學(xué)習(xí)、掌握新 理論和新技術(shù)的能力。 生產(chǎn)過程自動控制是自動控制應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，也是先進(jìn)自動控

2、制理論和技木應(yīng)用 最多的領(lǐng)域"通過這門課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生全面掌握過程對象的特點(diǎn)及多變的控制結(jié)構(gòu)及 先進(jìn)控制策略，系統(tǒng)、深入地學(xué)習(xí)生產(chǎn)過程自動控制的基本理論和實(shí)現(xiàn)方法；掌握-些典 型生產(chǎn)過程的整體控制方案及設(shè)計方法，學(xué)習(xí)利用自動控制相關(guān)理論和技術(shù)分析和解決復(fù) 雜過程控制的工程問題，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力；了解過程控制領(lǐng)域的前沿 理論與技木，開拓學(xué)生視野，以提高學(xué)生的創(chuàng)新和環(huán)保意識能力。 二、 課程與其他課程的聯(lián)系 本課程是自動化專業(yè)大學(xué)本科四年級學(xué)生的專業(yè)必修課，是對《自動控制原理》、《檢 測與轉(zhuǎn)換》課程知識的綜合應(yīng)用和延伸。 三、 課程教學(xué)目標(biāo) 課程學(xué)習(xí)的總體目標(biāo)

3、：不僅要使學(xué)生能夠掌握過程控制對象的特點(diǎn)及一般控制要求，掌 握不同控制對象及控制要求下應(yīng)采用何種控制結(jié)構(gòu)及控制策略，學(xué)習(xí)各種基于反饋控制理論 的控制結(jié)構(gòu)的原理，掌握各種控制結(jié)構(gòu)的分析及設(shè)計方法。掌握過程控制中存在的非線性問 題、大滯后問題、多變量耦合問題的產(chǎn)生原因、對控制性能的影響及常規(guī)的解決方案；掌握 一些典型過程控制工程的設(shè)備狀況、工作原理、控制要求，學(xué)習(xí)復(fù)雜控制過程的分析與控制 系統(tǒng)設(shè)計方法。 1. 通過本課程的學(xué)習(xí)，理解溫度、壓力、流量、液位、成分等過程控制對象的特點(diǎn)， 掌握單元組合儀表的分類；了解過程對象的數(shù)學(xué)模型的機(jī)理建模法、掌握1-3種實(shí)驗(yàn)建模法, 達(dá)成畢業(yè)要求1

4、.4、6.1、6.3。 2. 學(xué)習(xí)單回路控制系統(tǒng)，了解過程控制系統(tǒng)評價指標(biāo)：掌握該控制結(jié)構(gòu)的基本原理， 分析及設(shè)計方法；掌握被控量/操縱量的選擇原則：掌握常用調(diào)節(jié)閥的分類、結(jié)構(gòu)、工作原理、性能指標(biāo)及選擇原則；掌握過程控制系統(tǒng)中控制器的作用、分類、儀表；掌握控制器的 選擇方法及參數(shù)整定方法，使學(xué)生可以對適用于單回路控制的過程控制系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計和 系統(tǒng)深入分析。達(dá)成畢業(yè)要求2.2、3.1、3.4、3.5、4.1、4.3、4.4、4.5。 3. 學(xué)習(xí)串級、比值、前饋-反饋、均勻、選擇、分程等復(fù)雜控制結(jié)構(gòu)，掌握各種控制結(jié) 構(gòu)的特點(diǎn)、工作原理、適用場合、設(shè)計和分析方法；使學(xué)生初步具備根據(jù)

5、被控過程的特點(diǎn)及 控制要求，分析和設(shè)計滿足性能要求的控制系統(tǒng)的能力。達(dá)成畢業(yè)要求3.1、3.4、3.5、4.1、 4.3、 4.4、4.5。 4. 了解過程控制中非線性問題、大滯后問題、多變量耦合問題的產(chǎn)生原因、掌握非線 性、大滯后、多變量耦合問題對控制性能的影響，掌握一些常規(guī)的解決方案。使學(xué)生初步具 有采用古典及現(xiàn)代控制理論解決過程控制系統(tǒng)中一些疑難問題的能力。達(dá)成畢業(yè)要求2.2、 2.4、 3.3、5.1、5.2、5.3、5.4。 5. 在課堂教學(xué)過程中適時補(bǔ)充本先進(jìn)理論在過程控制領(lǐng)域應(yīng)用，及過程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 的前沿技術(shù)，使學(xué)生對過程控制領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢有-?定的了解，

6、達(dá)成畢業(yè)要求3.2、 3.3。 6. 培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生掌握各種儀表的使用及設(shè)置方法，通過各種 控制系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作能力及針對問題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計能力。達(dá)成畢業(yè)要求 4.1, 4.3, 4.4, 4.5 ° 7. 注重培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)資料查詢能力，課堂講授時有針對性的提出與課程前沿技術(shù)相 關(guān)的思考題，有針對性地推薦學(xué)生閱讀一些專業(yè)文獻(xiàn)，并鼓勵學(xué)生圍繞思考題等課堂教學(xué)內(nèi) 容，充分利用互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字圖書館等現(xiàn)代化手段，自主搜尋和查閱相關(guān)參考資料，從而提高 學(xué)生快速獲取新知識和新信息的能力，達(dá)成畢業(yè)要求2.4, 10.5, 12.2。 8. 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考

7、、深入鉆研問題的習(xí)慣，鼓勵學(xué)生對同一控制目標(biāo)從經(jīng)濟(jì)性、技 術(shù)可行性等方面提出多種控制策略或解決方案，鼓勵學(xué)生用批判的眼光看問題，培養(yǎng)學(xué)生 勇于創(chuàng)新，鍛煉自己的研究創(chuàng)新能力，達(dá)成畢業(yè)要求7.3, 10.4, 11.1, 11.2。 9. 部分章節(jié)安排自學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，達(dá)成畢業(yè)要求12.2, 12.3 。 四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配 序 號 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)要求 學(xué) 時 教學(xué) 方式 對應(yīng)課 程教學(xué) 目標(biāo) 1 一、過程控制概述 1. 過程控制概述 2. 單元組合儀表概述 3. 過程控制系統(tǒng)評價指標(biāo) 4. 過程控制的發(fā)展與前景展望 5. 過程對象

8、的機(jī)理建模 1.掌握過程控制與傳動控制的 區(qū)別，過程對象的分類及特 點(diǎn)； 2掌握.單元組合儀表的分類、 各類儀表的性能指標(biāo)、應(yīng)用方 法簡介； 6 講授 討論 1、7  6.過程對象的實(shí)驗(yàn)建模 3. 掌握過程控制系統(tǒng)的各種評 價指標(biāo)； 4. 了解過程控制在應(yīng)用領(lǐng)域、 控制策略、實(shí)現(xiàn)手段方面的發(fā) 展歷程、現(xiàn)狀及趨勢。 5. 以液位對象為例，掌握機(jī)理 建模方法 6. 掌握1-2種基本的實(shí)驗(yàn)建模 方法 2 二、單回路控制系統(tǒng) 1. 單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2. 被控量及控制量的選擇原則 3. 常用調(diào)節(jié)閥的分類、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn) 及選擇原則

9、 4. 測量變送環(huán)節(jié) 5. PID控制器調(diào)節(jié)原理及選擇原則 6. 控制器參數(shù)整定 7. 單回路控制系統(tǒng)分析及設(shè)計 實(shí)驗(yàn)1：智能儀表編程與單回路控 制 1. 掌握單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 及控制原理； 2. 掌握.被控量及控制量的選 擇原則； 3. 了解常用調(diào)節(jié)閥的分類、結(jié) 構(gòu)、特點(diǎn)，掌握氣動調(diào)節(jié)閥的 選用原則； 4. 了解測量變送儀表的選擇方 法及測量變送環(huán)節(jié)對控制性 能的影響； 5. 掌握PID控制器的控制原理， 掌握控制器參數(shù)對系統(tǒng)性能 的影響； 6. 掌握試湊法整定參數(shù)，了解 集中其他的參數(shù)整定方法； 7. 掌握單回路的適用條件，掌 握單回路控制系

10、統(tǒng)的分析與 設(shè)計方法 實(shí)驗(yàn)1：智能儀表編程與單回 路控制 6 4 講授 討論 自學(xué) 實(shí)驗(yàn) 2、 5、 6、 7、8、9 3 三、復(fù)雜控制結(jié)構(gòu) 1.串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及分 析與設(shè)計方法 掌握： 1.串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理 和特點(diǎn)，掌握副變量的選擇原 18 講授 討論 自學(xué) 3、6、7、 8、9  2. 前饋?反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原 理及分析與設(shè)計方法 3. 比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及分 析與設(shè)計方法 4. 均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及分 析與設(shè)計方法 5. 選擇性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及 分析與設(shè)計方法 6. 分程控制

11、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及分 析與設(shè)計方法 實(shí)驗(yàn)2：復(fù)雜控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真 實(shí)驗(yàn) 貝IJ,掌握串級控制系統(tǒng)分析與 設(shè)計方法，了解串級控制系統(tǒng) 的參數(shù)整定方法： 2. 掌握前饋控制與反饋控制的 區(qū)別及各自特點(diǎn)，掌握前饋? 反饋控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計 方法，了解前饋控制器的設(shè)計 與參數(shù)整定； 3. 掌握比值控制系統(tǒng)分類、結(jié) 構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方案，了解比值系數(shù) 計算方法，掌握單閉環(huán)比值控 制系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法，了 解比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定； 4. 了解均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、 原理及分析與設(shè)計方法 5. 了解選擇性控制系統(tǒng)的工作 原理與適用場合，掌握選擇性 系統(tǒng)的分析與設(shè)計

12、6. 了解分程控制系統(tǒng)的工作 原理與適用場合，掌握選擇性 系統(tǒng)的分析與設(shè)計 實(shí)驗(yàn)2：復(fù)雜控制系統(tǒng)計算機(jī) 仿真實(shí)驗(yàn) 4 實(shí)驗(yàn) 4 四、過程控制系統(tǒng)存在的特殊問題 及解決方案 1. 非線性問題及解決方案 2. 大滯后問題及解決方案 3. 耦合問題及解決方案 1. 通過實(shí)例分析是學(xué)生了解非 線性問題的產(chǎn)生原因及對控 制系統(tǒng)性能的影響，了解幾種 基本的非線性控制策略；了解 前沿的非線性控制方案； 2. 了解大滯后問題的產(chǎn)生原因 及對控制系統(tǒng)性能的影響，掌 握史密斯預(yù)估補(bǔ)償算法的原 8 講授 討論 查資料 自學(xué) 4、 7、 8、 9 

13、 理與設(shè)計方法及存在的問題， 了解前沿的大滯后解決方案； 3.了解耦合問題的產(chǎn)生原因 及對控制系統(tǒng)性能的影響，掌 握解耦原則，了解兒種基本的 解耦控制方法，了解前沿的耦 合解決方案： 5 五、典型控制工程 1. 流體輸送過程的控制 2. 傳熱過程的控制 3. 精館過程的控制 4. 化學(xué)反應(yīng)過程的控制 1. 了解氣、液流體的輸送設(shè)備 及其常規(guī)控制方案，掌握壓縮 機(jī)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計方 法，查閱資料了解目前壓縮機(jī) 控制方法的現(xiàn)狀； 2. 了解傳熱過程常用設(shè)備及 其常規(guī)控制方案，掌握鍋爐控 制系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法，查 閱資料了解目前鍋爐控制方

14、 法的現(xiàn)狀；； 3. 了解精饞塔結(jié)構(gòu)、分類及其 常規(guī)控制方案，查閱資料了解 目前精餡塔控制方法的現(xiàn)狀； 4. 了解化學(xué)反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)、分 類及其常規(guī)控制方案，查閱資 料了解目前化學(xué)反應(yīng)裝置控 制方法的現(xiàn)狀； 10 講授 討論 查資料 自學(xué) 5、7、8^ 9 五、 其他教學(xué)環(huán)節(jié)（課外教學(xué)環(huán)節(jié)、要求、目標(biāo)） 無 六、 教學(xué)方法 本課程重點(diǎn)講授各種過程控制結(jié)構(gòu)。課程講授從控制兌現(xiàn)特點(diǎn)與控制要求的多樣化出 發(fā)，以單恒I路控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)、深入講授多種復(fù)雜控制結(jié)構(gòu)的原理與應(yīng)用，使學(xué)生熟 練掌握過程控制系統(tǒng)的基本設(shè)計方法；同時通過分析過程控制存在的傳統(tǒng)控制方

15、案難以解決 的非線性、大滯后、強(qiáng)耦合問題，講授一些基本的解決思路，配合學(xué)生查閱資料與討論，使 學(xué)生了解傳統(tǒng)方案存在的問題，并掌握一些基本的解決思路；最后通過講授幾種典型生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與控制方案設(shè)計，時合學(xué)生查閱資料與討論，使學(xué)生了解過程控制的 應(yīng)用情況，掌握綜合利用所學(xué)知識，分析及解決工程問題的能力。 本課程以課堂教學(xué)為主，結(jié)合作業(yè)、自學(xué)、討論和文獻(xiàn)檢索閱等教學(xué)手段和形式完成課 程教學(xué)任務(wù)。 注重對學(xué)生學(xué)習(xí)方法的指導(dǎo)。在傳授知識的同時，擔(dān)負(fù)改變學(xué)生傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法的責(zé)任， 力求教會學(xué)生如何以工程的觀點(diǎn)學(xué)習(xí)專業(yè)課程。教師不但教給學(xué)生知識，更重要的是教給學(xué) 生如何將所學(xué)到

16、的知識進(jìn)行系統(tǒng)分析和靈活應(yīng)用。應(yīng)盡量教會學(xué)生怎樣理解問題，避免死記 硬背，提高分析和解決問題的能力。 重視教學(xué)過程，多次考核取平均值，避免期末突擊。 在白學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)中，對課程中某些有助于進(jìn)一步拓寬控制系統(tǒng)理論知識的內(nèi)容，通過教 師的指導(dǎo)，由學(xué)生自學(xué)完成。 七、 考核及成績評定方式 最終成績由平時作業(yè)成績、平時考核成績和期末考試成績等組合而成。各部分所占比例 如下： 平時成績：10%,主要通過作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、考勤進(jìn)行考核。 期末考試成績：90%O主要考核課程要求掌握的概念、基本分析、計算、設(shè)計方法的掌握程 度。書面考試形式。 八、 教材及參考書目 1. 教材： [1]過程控制工程.孫洪程等編著.高等教育出版社，2010. 2. 參考書目： [1] 過程控制工程（第4版）.俞金壽，顧幸生.高等教育出版社，2013. [2] 生產(chǎn)過程檢測與控制技術(shù).孫洪程.高等教育出版社，2015.