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《过程控制系统设计》课程教学大纲
适用本科四年制自动化专业(64学时  4学分)
一、课程的目的和任务     
本课程的授课对象是四年制自动化专业本科生,属专业必修课。
生产过程自动化对一个国家的国民经济发展有着十分重大的意义。电站自动化是生产过程自动化的一个应用领域,它能使电力生产达到安全、可靠、高效和环保的目的。本课程结合我校的电力特色,以电站生产过程自动控制为基础,对自动控制系统设计和应用方面的相关知识进行了全面而详细的介绍。通过本课程的学习,学生可了解电力生产过程的动态特性,掌握其数学模型和建模方法,熟悉PID基本控制规律的特点,掌握简单控制系统的设计和整定方法,学会前馈控制、串级控制、大迟延补偿、比值控制、解耦控制等复杂控制手段的设计和应用,了解电站自动控制中用到的几种先进控制算法,为今后的工作和学习打下基础.
二、课程的基本要求和特点
本课程是一门非常实用且具有指导意义的专业技术课。通过本课程的学习,学生能掌握过程自动控制系统设计和应用的基本概念、基本方法、设计步骤、评估和实施的有关要求,并能用于实际被控对象的控制中。
课堂讲授:逐步完善电子教学手段,运用电子课件的形象教学和适度的理论推导,讲清自动控制系统设计中的概念、原理和方法;结合例题讲解和较大量的课外练习使学生理解和掌握各种设计方法的应用。由课程组每周安排一次答疑或通过网上答疑。
实验部分:逐步加强实验环节的作用。针对课程的重点、难点,通过开设多个相关实验,增加学生对实际被控对象和控制系统的感性认识,更深入地理解自动控制系统的设计原理和方法,同时使学生的动手能力得到增强。
作业方面:本课程需用到较多的数学知识和自动控制理论知识,因此在教学过程中要求学生能将以前学过的基础知识与本课程的具体内容有机地结合起来,并通过一定量的习题来帮助掌握重点,培养自学能力,增强独立分析问题和设计系统的能力。另外,在完成一定量的手算练习的前提下,鼓励学生用MATLAB的仿真软件进行编程,实现对控制系统的仿真设计,从而可进一步加强对概念和原理的理解,对设计方法的应用。每次作业批改后,在课堂上均进行作业讲评,指出共性问题,帮助掌握相关内容。
三、本课程与其它课程的联系
本课程的先修课为高等数学、线性代数、复变函数、积分变换、自动控制理论、检测原理及装置等,尤其对自动控制理论有较高要求。后续课为集散控制系统、电厂自动控制系统等.
四、课程的主要内容
“控制系统设计与应用”课程的主要教学内容包括:过程控制概述、生产过程的动态特性、PID控制规律的特点和应用、简单控制系统的整定、调节阀的结构及其结构特性和流量特性、串级控制和比值控制的设计和应用、利用补偿原理提高系统的控制品质、解耦控制的设计和应用、火电厂大型单元机组的自动控制等。
1   过程控制概述
教学要求
了解:自动控制技术的发展过程及今后发展趋势。
掌握:控制系统设计和应用的任务和要求。
教学要点
(1)       生产过程自动化几个发展阶段的特点、应用的理论和自动化装置
(2)       过程控制中的六大参数
(3)       工业生产对过程控制的要求
(4)       过程控制的任务
生产过程的动态特性
教学要求
了解:性能指标的定义,工业过程动态特性的特点,过程数学模型的分类。
掌握:被控对象动态特性的理论计算法;实验建模法的计算过程和每种方法的适用场合。
应用:能为实际的被控制对象建立数学模型。
熟悉:实验测试法的测试过程。
教学要点
(1)过程控制系统的性能指标
(2)被控对象的动态特性
(3)过程数学模型的理论计算
(4)过程数学模型的实验测试法
3  PID控制及其调节过程
教学要求:
了解:PID控制的应用,调节器正反作用的概念,积分饱和现象。
掌握:P、PI、PD、PID控制的动作规律、特点及其参数对控制过程的影响,抗积分饱和的措施,选择控制器的原则。
应用:能为实际的被控制过程选择合适的控制规律。
熟悉:用SIMULINK仿真软件对控制作用进行仿真,体会其参数变化对控制控制过程的影响。
教学要点:
(1)PID控制应用特点基本概念
(2)P、PI、PD、PID控制及其参数对调节过程的影响
(3)实际应用中控制规律的选择原则
4   简单控制系统的整定
教学要求
了解:调节器整定的概念,常用的性能指标,整定方法的分类,调节器参数自整定的概念和常用的实现方法。
掌握:用衰减频率特性法整定调节器的计算过程和公式,试验测试法整定时的测试过程及其计算公式。
应用:能运用所学的方法对实际控制系统进行整定。
熟悉:用SIMULINK仿真软件对实验测试法进行仿真,体会其整定步骤和计算过程。
教学要点
(1)       简单控制系统整定的基本要求
(2)       衰减频率特性法
(3)       工程整定法
(4)       调节器参数的自整定
5 调节阀
教学要求
了解:调节阀的分类,调节阀的结构,调节阀的流量系数。
掌握:调节阀的结构特性,调节阀的流量特性,调节的选型原则。
应用:能运用所学的知识为控制系统选配合适的调节阀。
熟悉:用SIMULINK仿真软件对实验测试法进行仿真,体会其整定步骤和计算过程。
教学要点
(1)       调节阀的分类和结构
(2)       流量系数的定义和物理意义
(3)       调节阀工作时流量特性
(4)       调节阀的选型
6 串级控制系统
教学要求
了解:串级控制系统的概念,串级控制系统的分析。
掌握:串级控制系统的结构,副回路的设计,主副回路工作频率的选择,防止调节器积分饱和的措施,调节器的选型和整定方法。
应用:能为具体的被控对象设计串级控制,提高系统的控制品质。
熟悉:用SIMULINK仿真软件搭建串级控制系统,整定其主副调节器,并测试它对系统品质的改进及不足之处。
教学要点
(1)       串级控制系统的构成
(2)       串级控制系统对控制品质的改进
(3)       调节器的选型和整定方法
7 比值控制系统
教学要求
了解:比值控制的概念,比值系统中的非线性特性
掌握:比值系数的计算,比制系统的整定,复杂比值控制的构成
应用:能运用所学的方法为实际对象设计比值控制并进行整定
熟悉:用SIMULINK仿真软件搭建比值控制系统,体会其控制特点
教学要点
(1)       比值系统的构成
(2)       比值系数的计算
(3)       比值系统的整定
(4)       复杂比值系统的设计
补偿原理的应用
教学要求
了解:不变性原理,几种不变性的定义,前馈控制的概念,大迟延对象的概念和特点,系统中非线性现象。
掌握:静态前馈的构成和整定,动态前馈的设计,超前滞后环节的作用和参数的确定,前馈---反馈控制系统的设计,史密斯补偿系统的设计,系统非线性增益的几种补偿方法。
应用:能运用所学的方法为实际系统设计前馈控制,为大迟延对象设计史密斯补偿系统,对具有非线性增益的系统进行为非线性增益补偿。
熟悉:用SIMULINK仿真软件搭建前馈控制系统,整定其参数,体会它对系统控制品质的改进;搭建史密斯补偿系统,观察其控制特点和不足之处。
教学要点
(1)       不变性原理
(2)       静态前馈和动态前馈的设计和整定
(3)       前馈与反馈的结合
(4)       史密斯补偿系统及其改进型的设计
(5)       克服系统非线性增益的方法
解耦控制
教学要求:
了解:耦合系统的特点,控制回路间的耦合影响,解耦系统的稳定性,解耦系统的简化。
掌握:相对增益的定义和计算方法,耦合系统中的变量匹配和调节器参数整定,解耦系统的设计,部分解耦。
应用:能运用所学的方法为实际耦合系统设计控制方案。
熟悉:用SIMULINK仿真软件搭建耦合控制系统,观察其控制特点,对解耦控制进行仿真。
教学要点
(1)       相对增益的物理意义和计算方法
(2)       耦合系统中变量匹配
(3)       解耦系统的设计
(4)       部分解耦
10   火力发电厂大型单元机组的自动控制及其先进算法
教学要求:
了解:火力发电的生产过程及其对控制的要求,主要控制系统中调节对象的动态特性,电站自动控制中的先进控制算法。
掌握:负荷控制系统的组成和常用的几种控制方案,燃烧过程控制系统的组成和控制方案,锅炉给水控制系统的组成和控制方案,蒸汽温度控制系统的组成和控制方案。
应用:能了解实际火电厂的控制系统原理。
熟悉:火电厂机组自动控制的几个主要系统。
教学要点:
(1)       火电厂机组调节对象的动态特性
(2)       火电厂机组主要自动控制系统的控制方案
(3)       几种先进算法
课内实验
实验一     对象动态特性测试及建模(4学时)
    实验性质:验证性实验
要求: 通过测试实际对象的动态特性,掌握阶跃响应或矩形脉冲相应的求取方法,并根据实验建模法的要求和计算公式,得出对象的传递函数。
实验二     简单控制系统的设计和整定 4学时)
    实验性质:验证性实验 (实验指导书见附录一)
    要求:设计简单控制系统,用不同的方法对其调节器进行整定,通过观察实际系统的响应特性,体会PID控制规律的控制特点,学习如何根据不同的应用场合选择控制规律,达到对简单控制系统设计和应用知识的全面掌握。
实验三    串级控制系统的整定 (2学时)
    实验性质:综合性实验
    要求:根据实际被控对象的特点设计串级控制系统,掌握主调和副调控制规律的选择原则,对学过的主调和副调整定方法进行实际应用,体会串级控制在改善系统控制品质方面的多种效果,达到对串级控制系统设计和应用知识的全面掌握。
实验四    利用补偿原理提高系统的控制品质 (任选一个)(2学时)
    实验性质:设计性实验
(1)前馈—反馈控制系统设计:根据实际被控对象的特点,设计前馈控制器。通过在实际控制系统中的应用,掌握静态前馈和动态前馈控制器的设计和整定方法,验证前馈—反馈控制对系统控制品质的改进,达到对前馈控制设计和应用知识的全面掌握。
(2)Smith预估控制系统设计:对大迟延对象采用Smith预估补偿法,通过实际控制系统输出响应的改变,体会Smith预估补偿法应用时的优缺点,掌握如何实现对大延迟对象的控制。
(3)解耦控制系统设计:对耦合对象采用解耦控制,通过相对增益进行控制量和被控量的匹配,实现控制器的整定,提高控制系统品质。
五、学时分配(总学时:64  学分:4

章  次
课 程 内 容
讲授学时
实验学时
学时小计
第一章
生产过程的动态特性
6
4
9
第二章
PID控制及其调节过程
4
 
4
第三章
简单控制系统的整定
4
4
7
第四章
控制器、调节阀
4
 
4
第五章
串级控制系统
6
2
9
第六章
比值控制系统
4
 
4
第七章
补偿控制原理的应用、分程控制、均匀控制
6
 
6
第八章
解耦控制
6
2
11
第九章
火电厂大型单元机组的自动控制
6
 
6
 
习题讲解
6
 
6
 
其它(期中考试)
 
 
6
 
课时合计
54
12
64

六、考核方式
期终考试(闭卷)
总评成绩根据平时成绩(包括考勤、作业、期中成绩及实验成绩等,占40 %)和期终考试成绩(占 60 %)综合确定。
七、教材及参考书
教科书:王再英等编.过程控制系统与仪表.北京:中国机械工业出版社.2006.2
参考书:
1.黄德先等编著.过程控制系统.北京:清华大学出版社.2011.5
2.孙洪程,翁维勤,魏杰编著.过程控制系统及工程(三版).北京.化学工业出版社.2010.7
3.邵裕森,戴先中主编.过程控制工程(第2版)机械工业出版社,2011.6.
4.边立秀等编.热工控制系统.北京.中国电力出版社.2012.8
5.杨平等编.自动控制原理.北京:中国电力出版社.2011.8
 
 
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