1、過程控制與自動化儀表課程教案NO.1授課班級周次日期任課教師復習提問學習模塊模塊一緒論學習任務任務1說課授課內容課程介紹課時2教學目標知識目標：了解自動控制及過程控制的定義；了解過程控制開環、閉環的概念；了解過程控制系統發展史；了解過控控制系統的特點與要求。能力目標：培養學生自主學習能力；培養學生解決問題的能力。素質目標：1培養學生實事求是的科學態度、嚴謹的工作作風和勇于進取的精神。重點難點重點：過彳難點：過彳程控制系統開環、閉環的概念；程控制系統開環、閉環的判斷。授課過程步驟內容方法、資源運用1自動控制及過程控制的定義啟發式、多媒體課件、分組討論2開環、閉環的概念多媒體課件、實例演示、3過程

2、控制系統發展史多媒體課件、實例演示、4過控控制系統的特點與要求啟發式、多媒體課件、分組討論5授課方式講授的教學方式教學地點多媒體教室教學資源設備、工具等：投影系統、PPT電子課件教學時間教學內容注釋一、相關知識1.自動控制定義是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加設備或控制裝置使生產過程或被控對象中的某一物理量或多個物理量自動地按照期望的規律運行或變化。這種外加的設備或控制裝置就稱為自動控制裝置。(大屏幕投影)講解過程控制的基本概4念85分鐘2.過程控制定義是指根據工業生產過程的特點，采用測量儀表、執行機構和計算機等自動化工具，應用控制理論，設計工業生產過程控制系統，實現工業生產過程的自動化。

3、3發展過程(1)20世紀50年代，單輸入單輸出的單回路定值控制系統，多采用基地式儀表、氣動組合儀表和氣動儀表控制器來完成簡單控制。(2)20世紀60年代，集中控制及直接數字控制。電動儀表開始使用，并逐步取代氣動儀表，單元組合式儀表和組裝式儀表。(3)20世紀70年代，集散控制系統(DCS)先進控制技術、數字化儀表、計算機，特別是網絡通信技術的進一步發展，體現“分散控制，集中管理”的理念。(4)20世紀70年代，集散控制系統(DCS)先進控制技術、數字化儀表、計算機，特別是網絡通信技術的進一步發展，體現“分散控制，集中管理”的理念。4.開環與閉環的概念(1)開環控制系統輸入量開環控制是最簡單的一

4、種控制方式。它的特點是，僅有從輸入到輸出的前向通路，而沒有從輸出到輸入的反饋通路。缺點：控制精度取決于組成系統的元件的精度，因此對元器件的要求比較高。由于輸出量不能反饋回來影響控制部分，所以輸出量受擾動信號的影響比較大，系統抗干擾能力差。案例分析：(大屏幕投影)解說開環控制系統，舉例分析，讓學生加深印象功率放大器4Jr-一-0-圖1-2直流電動機轉速開環控制示意圖（2）閉環控制系統輸入量偏差反饋量輸出量控制器被控對象反饋元件（大屏幕投影）解說閉環控制系統，舉例分析，讓學生加深印象不僅有一條從輸入端到輸出端的前向通路還有一條從輸出端到輸入端的反饋通路。輸出量通過一個測量變送元件反饋到輸入端，與輸

5、入量比較后得到偏差信號來作為控制器的輸入，反饋的作用是減小偏差,以達到滿意的控制效果。閉環控制又稱為反饋控制。如果輸入量和反饋量相減則稱為負反饋；反之，若二者相加，則稱為正反饋。控制系統中一般采用負反饋方式。輸入量與反饋量之差稱為偏差信號。系統的輸出量能夠自動地跟蹤輸入量，減小跟蹤誤差，提高控制精度，抑制擾動信號的影響。案例分析：功率ono電位器圖1-3直流電動機轉速閉環控制示意圖5過程控制系統的特點（1）系統由被控對象與系列化生產的自動化儀表組成。（2）被控對象復雜多樣，通用控制系統難以設計。（3）控制方案豐富多彩，控制要求越來越高。（4）控制過程大多屬于慢變過程與參量控制。(5)定值控制系

6、統是過程控制系統的主要形式。6.過程控制系統的要求(1)安全性(2)穩定性(3)經濟性(大屏幕投影)解說過程控制系統的特點及要求。5分鐘小結。作業：思考題與習題1.1對課程內容進行總結，加深學生的印象。過程控制與自動化儀表課程教案NO.2授課班級周次日期任課教師復習提問開環與閉環的特點學習模塊模塊一緒論學習任務任務2過程控制系統的組成及品質指標授課內容過程控制系統中的相關概念課時2教學目標知識目標：1具備分析過程控制系統的組成能力；熟悉過程控制系統的分類；熟悉過程控制系統的品質指標。能力目標：培養學生自主學習能力；培養學生解決問題的能力。素質目標：1培養學生實事求是的科學態度、嚴謹的工作作風和

7、勇于進取的精神。重點難點重點：過彳難點：過彳程控制系統的組成分析；程控制系統的品質指標。授課過程步驟內容方法、資源運用1過程控制系統的組成啟發式、多媒體課件、實例演示2過程控制系統的分類多媒體課件、實例演示、3過程控制系統的過渡過程多媒體課件、實例演示、4過程控制的品質指標啟發式、多媒體課件、分組討論5授課方式講授的教學方式教學地點多媒體教室教學資源設備、工具等：投影系統、PPT電子課件教學時間教學內容注釋回顧上節課內容，進行復習提問。開環和閉環的特點。5分鐘（大屏幕投影）逐一解說過程控制系統部分組成，案例分析讓學生加深印象。80分鐘二、相關知識過程控制系統的組成過程控制系統一般由自動化裝置及

8、生產裝置兩部分組成。自咖優裝賈生產匏暫（1）被控對象：又稱為被控過程。它是控制系統的主體，在過程控制系統中，是指需要控制其工藝變量的生產設備或機器。（2）變送器：其作用是將被控制的物理量檢測出來并轉換成工業儀表間的標準統一信號。（3）控制器：又稱為調節器。其作用是根據反饋量與輸入量比較得出的偏差，按一定的規律運算后對執行器發出相應的控制信號或指令的裝置。（4）執行器：其作用是依據控制器發出的控制信號或指令，改變操縱變量，從而對被控對象產生直接的控制作用。系統的各種作用量有以下幾個：（1）被控變量：是表征生產設備或過程運行狀況，需要加以控制的變量，也是過程控制系統的輸出量，（2）設定值：又稱給定

9、值，是工藝要求被控變量需要達到的目標值，也是過程控制系統的輸入量。（3）測量值：是檢測元件與變送器的輸出信號值，也稱反饋量，如液位控制系統的變送器的輸出信號值就是測量值。（4）操縱變量：受執行器操縱，具體實現控制作用的變量稱為操縱變量。（5）擾動量：又稱干擾或“噪聲”，通常是指引起被控變量發生變化的各種因素。（6）偏差：通常把設定值與測量值之差稱為偏差。舉例分析：貯槽液位控制過程控制系統的分類(1)定值控制系統隨動控制系統程序控制系統過程控制系統的過渡過程過程控制系統從一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過程稱為過程控制系統的過渡過程。(大屏幕投影)逐一解說過程控制系統分類和過渡過程。卑調宜減4

10、.過程控制系統的品質指標評價指標可概括為“穩”、“準”、“快”(大屏幕投影)逐一解說過程控制系統評價指標的穩”、“準”、“快”和過程控制系統的品質指標。教師講解演示，讓同學們加深印象。5分鐘對課程內容進行總結，加深學生的印象。余差c衰減比n最大偏差A或超調量o(4)過渡過程時間(調整時間)ts(5)峰值時間tp(6)振蕩周期T小結。作業：思考題與習題1.2、1.3、1.6。過程控制與自動化儀表課程教案NO.3授課班級周次日期任課教師復習提問過程控制系統組成學習模塊模塊二自動控制基本原理學習任務任務1自動控制系統的數學模型授課內容自動控制系統的數學模型課時8教學目標知識目標：1具備自動控制系統數

11、學建模的能力；2.具備自動控制系統框圖變換與化簡的能力。能力目標：1.通過完成教學任務，讓學生知道如何運用所學知識進行實踐操作，加強學生的動手、動腦能力；2培養學生自主學習能力和分工合作、團結協作共同尋求解決問題的能力。素質目標：1.培養學生實事求是的科學態度、嚴謹的工作作風和勇于進取的精神。重點難點重點：自動控制系統數學建模；自動控制系統框圖變換與化簡。難點：自動控制系統數學建模；自動控制系統框圖變換與化簡。授課過程步驟內容方法、資源運用1微分方程啟發式、多媒體課件、分組討論2傳遞函數啟發式、多媒體課件、分組討論3系統框圖啟發式、多媒體課件、分組討論4典型環節的傳遞函數和功能框啟發式、多媒體

12、課件、分組討論5框圖的變換與化簡啟發式、多媒體課件、分組討論授課方式講授的教學方式教學地點多媒體教室教學資源設備、工具等：投影系統、PPT電子課件教學時間教學內容注釋5分鐘回顧上節課內容，進行復習提問。一、相關知識（大屏幕投在經典控制理論中，常用的數學模型有微分方程、傳遞函數和系統影）框圖。它們反映了系統的輸入量.、輸出量和內部各種變量間的關系，也逐一解說系反映了系統的內在特性。統微分方程1.微分方程（85分鐘）的一般步驟，系統微分方程建立的步驟建立微分方程的一般步驟如下：案例分析讓（1）全面了解系統的工作原理、結構組成和支配系統運動的物理學生加深印規律，確定系統的輸入量和輸出量。象。（2）從

13、系統的輸入端開始根據各兀件或環節所遵循的物理規律，依次列寫它們的微分方程。（3）將各兀件或環節的微分方程聯立起來消去中間變量，求取一個僅含有系統輸入量和輸出量的微分方程，這就是系統的微分方程。（4）將該方程整理成標準形式。即把與輸入量有關的各項放在方程的右邊，把與輸出量有關的各項放在方程的左邊，各導數項按降冪排350列，并將方程中的系數化為具有一定物理意義的表示形式，如時間常數分鐘等。舉例分析：R口11y11+iQ+uc二i-uo2.傳遞函數（90分鐘）（大屏幕投（1）拉氏變換影）1)拉氏變換的概念F(s)=LifQLjsfC)e一stdt逐一解說拉氏變換、02）拉氏變換的概念拉氏變換的運算定

14、理値加定理心Q土f（t）=心（t）（t）拉氏變換的運算定理、系統傳遞函數，案例分析讓金比例定理微分定理4積分定理延遲定理4終值定理LKLLf(n)C止SnF(S)SnL【fJ=estF(s)limf)=limsFstsSTO（2）傳遞函數的定義佯、泊疋粉輸出量的拉氏變換式C（s）傳遞函數G*丿二=輸入量的拉氏變換式Rs丿舉例分析：:-c-sii)C=+-uoOR+u1）多項式形式（）輸出量的拉氏變換式C（S）傳遞函數G）=輸入量的拉氏變換式Rs丿2）零極點形式學生加深印象。G(s)=H(s-z)i幵(s-p)jj=1b(s-z)(s-z)(s-z)012ma(s-p)(s-p)(s-p)012

15、n3系統框圖（90分鐘）框圖由信號線、引出點、比較點和功能框等部分組成。吟（大屏幕投影）逐一解說系統框圖組成，案例分析讓學生加深印象。（1）功能框框左邊向內箭頭為輸入量（拉氏式），框右邊向外箭頭為輸出量（拉氏式），框內為系統中一個相對獨立單元的傳遞函數。（2）信號線信號線表示信號流通的途徑和方向。流通方向用箭頭表示。（3）引出點表示信號由該點取出，從同一信號線上取出的信號，其大小和性質完全相同。（4）比較點其輸出量為各輸入量的代數和。因此在信號輸入處要注明它們的極性。舉例分析：4.典型環節的傳遞函數和功能框（1）比例環節微分方程c(t)=Kr(t)傳遞函數（大屏幕投影）逐一解c0(T2G(s)

16、ed廠di功能框K(tj+1)傳遞函數傳遞函數功能框(6)振蕩環節微分方程(7)延遲環節(又稱純滯后環節)微分方程(5)比例微分環節微分方程傳遞函數CG)=口+1c(t)二r(t-T0)嚴+27?4亡(t)二r(i)/?0)C心十iRs1cwr-s2+R(s)C(s)*5框圖的變換與化簡(85分鐘)(1)串聯變換規則(2)并聯變換規則(大屏幕投影)逐一解說系統框圖串聯、并聯、反饋和引出點和比較點的移動變換(3)反饋聯接變換規則(4)引出點和比較點的移動規則變換的原則：變換前后應保持信號等效。回ARCIIIII象mbi引出直計移1)比牧點后舂舉例分析：對課程內容進行總結，加小結。5分鐘作業：思考

17、題與習題2.1、2.4、2.6。深學生的印AUffla)那:札鬲）過程控制與自動化儀表課程教案NO.4授課班級周次日期任課教師復習提問自動控制系統的數學模型學習模塊模塊二自動控制基本原理學習任務任務2典型被控對象特性及建模授課內容典型被控對象特性及建模課時4教學目標知識目標：1具備典型被控對象特性及建模的能力；2.具備實驗法建立被控對象的數學模型的能力。能力目標：1培養學生自主學習能力、尋求解決問題的能力；2.通過教學任務，讓學生知道如何運用所學知識進行實踐操作，加強學生的動手、動腦能力。素質目標：1培養學生實事求是的科學態度、嚴謹的工作作風和勇于進取的精神。重點難點重點：典型被控對象特性及建

18、模。難點：實驗法建立被控對象的數學模型。授課過程步驟內容方法、資源運用1單容對象的特性及建模啟發式、多媒體課件、分組討論2雙容對象的特性及建模啟發式、多媒體課件、分組討論3時滯（純滯后）對象的特性及建模啟發式、多媒體課件、分組討論4實驗法建立被控對象的數學模型啟發式、多媒體課件、實踐操作5授課方式講授的教學方式教學地點多媒體教室教學資源設備、工具等：投影系統、PPT電子課件教學時間教學內容回顧上節課內容，進行復習提問。自動控制系統的數學模型有哪些？5分鐘H(s)（大屏幕投影）逐一解說單三、相關知識1單容對象的特性及建模無自衡特性水槽Adhdt寫成一般形式dhdt2訂hoA有自衡的信號傳遞方框圖

19、Q(s)ARs+1Q.(s)Ts+1i（大屏幕投影）逐一解說雙容對象的特性及建模，讓學生加深印象。雙容對象TOC o 1-5 h zH(s)RR1=1=1Q(s)ARs+1Ts+1iiiiH(s)Q(s)H(s)1R2=o12=2Q(s)Q(s)Q(s)ARs+1ARs+1iio11122H(s)K2Q(s)TTs2+(T+T)s+1i1212b階躍響戒曲線在二階對象階躍響應曲線上，過拐點C作切線，與時間軸相交于D點，交點D與被控變量開始變化的起點之間的時間間隔，稱為容量滯后時間。由切線與時間軸的交點到切線與穩定值KA線的交點之間的時間間隔為時間常數T。容量滯后是多容對象的固有屬性，是因為物料

20、或能量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的。3時滯（純滯后）對象的特性及建模LT=0v（大屏幕投影）逐一解說時滯（純滯后）對象的特性及建模，讓學生加深印象。重量傳感器對流量變化的響應純滯后環節的信號傳送（大屏幕投影）逐一解說實驗法建立被控對象的數學模型，讓學生加深印象。G(s)=e-p(j實驗法建立被控對象的數學模型實驗方法研究對象特性測定對象動態特性的實驗方法主要有三種：時域測定方法、頻域測定方法和統計研究方法。時域測定方法將以階躍響應曲線法來說明。（1）實驗注意事項1）實驗測試前，被控對象應處于相對穩定的工作狀態。2）在相同條件下應重復多做幾次實驗。3）分別對正、反方向的階躍輸入信號進行實驗，

21、并進行比較。4）每完成一次實驗后，應將被控對象恢復到原來工況，穩定后再做第二次實驗。輸入的階躍信號幅度不能過大，階躍變化的幅值一般取正常輸入信號最大幅值的10%左右。(2)模型結構確定在完成階躍響應實驗后應根據實驗所得的響應曲線確定模型的結構。對于大多數控制對象來說，其數學模型常常可近似為一階慣性、二階慣性的結構。(3)模型參數的確定t=0時的曲線斜率最大，隨后斜率逐漸減小，上升到穩態值c(Q時斜率為零，該響應曲線可用無時延的一階慣性環節近似，需要確定的參數有K和T。00階無時延環節的階躍響應曲線設所示對象的傳遞函數為G(s)=oTs+10則C(S)二十R(S)Ts+10當輸入信號r(t)有一

22、階躍變化r0時，對上式求解，可得c(t)=Kr(1一e-1/T0)00當tfg時，c(=K0r0,因而有K-c(s)0r當t二T0時，則有c(T)=Kr(1-e-1)=0.632Kr=0.632c(s)000005分鐘小結。對課程內容進行總結，加深學生的印象。過程控制與自動化儀表課程教案NO.5授課班級周次日期任課教師復習提問典型被控對象特性特點學習模塊模塊二自動控制基本原理學習任務任務3自動控制系統的基本分析方法授課內容自動控制系統的基本分析方法課時14教學目標知識目標：具備時域分析法分析自動控制系統性能指標的能力；具備頻域分析法分析自動控制系統性能指標的能力。能力目標：培養學生自主學習能力

23、；培養學生解決問題的能力。素質目標：1.培養學生實事求是的科學態度、嚴謹的工作作風和勇于進取的精神。重點難點重點：時域分析法、頻域分析法分析自動控制系統性能。難點：時域分析法、頻域分析法分析自動控制系統性能。授課過程步驟內容方法、資源運用1時域分析法啟發式、多媒體課件、分組討論2頻域分析法啟發式、多媒體課件、分組討論345授課方式講授的教學方式教學地點多媒體教室教學資源設備、工具等：投影系統、PPT電子課件、計算機、MATLAB軟件教學時間教學內容注釋5分鐘回顧上節課內容，進行復習提問。典型被控對象有哪些？有什么特性？四、相關知識（大屏幕投1。時域分析法（355分鐘）影）（1）典型輸入信號逐一

24、解說應1）單位脈沖信號用時域分析P0,tH0法分析系統5(t)血r(t)=5(t)=JF4-tAtT02）單位階躍信號40,t01(t)r(t)=1(t)=0V62011s分鐘R(s)=0t3）單位斜坡信號r(t)J4/r(t)二0,t001tR(s)=s2（2）穩定性分析系統穩定性是系統設計與運行的首要條件。1）系統穩定性概念系統的穩定性是指自動控制系統在受到擾動作用使平衡狀態破壞后，經過調節，能重新達到平衡狀態的性能。穩定系統與不穩定系統a）相對穩定性好b）相對穩定性差自動控制系統的相對穩定性2）系統穩定的充要條件系統穩定的必要和充分條件是:特征方程的所有的根的實部都必須是負數。亦即所有的

25、根都在復平面的左側。對穩定的系統，若a的絕對值卜愈大，即負實根或具有負實部的復根離虛軸愈遠，指數曲線衰減得愈快，則系統的調整時間愈短，系統的相對穩定性愈好。若系統特征根有多個，那么，最靠近虛軸的極點，對系統穩定性（衰減慢）的影響最大，因此通常把最靠近虛軸的閉環極點，稱為閉環主導極點。（3）動態性能分析1）一階系統的動態性能分析為一個典型的一階系統的結構框圖由此可以求出一階系統的閉環傳遞函數為：1Ts+1R(s)1C(s)+iLTs（大屏幕投影）逐一解說各檢修項目和檢修工具，必要時可用圖片或實物展示，讓學生加深印象典型一階系統的結構框圖系統的單位階躍響應的拉氏變換式為：C(s)=0(s)-R(s

26、)=1Ts+11_1T_11ssTs+1ss+1/T對上式進行拉氏反變換，可求得系統的單位階躍響應為：c（t）=1e_Trtf)0T2TAT57（大屏幕投影，演示視頻或動畫）立式光學計的檢定方法和步驟為難點部分，同學們掌握比較困難。教師邊講解邊示范演示，讓同學們加深印象。設系統的輸入信號r（t）為單位階躍信號，即R（S）=1S，則一階階系統的單位階躍響應曲線階系統的性能指標通常用以下幾個指標來衡量：H上升時間tr。對于無振蕩的單調系統，上升時間定義為輸出量c（t）從CS）的10%上升到90%所需的時間。t=tt=2.2Tr21o2調整時間。=3T（5%誤差帶）=4T（2%誤差帶）3最大超調量&

27、%。因為一階系統的階躍響應是單調上升的，沒有超調，所以一階系統的最大超調量&%=0。2）二階系統的動態性能分析圖所示為一個典型的二階系統的結構框圖，由此可以求出二階系統的閉環傳遞函數為：幣()=C(s)=2(s)=nR(s)s2+2gs+2nnR(s)K+2ns(s+2g)n典型二階系統的結構框圖設系統的輸入信號r（t）為單位階躍信號，即R（s）=1/s,則二階系統的單位階躍響應的拉氏變換式為：由上式，可得典型二階系統的特征方程為：s2+s+2=0nn的兩個根為：從而可以解得系統s=gi1,2nn（V下面給出欠阻尼二階系統在單位階躍輸入時的性能指標計算公式。H最大超調量：b%=eT-E2x10

28、0%2上升時間：冗Qv1_g2t=（申=arctan,二屮_g2）rgdnd3峰值時間：t=一pd4調整時間：3或4t沁=（6或8）T（對應誤差帶6=5%或2%）sgwn舉例分析：已知某控制系統結構圖如圖2-28所示，其中，T=2,K=5，試求該系統單位階躍響應性能指標。R(s)kKC(s)AkJ+Is(Ts+1)（4）穩態誤差穩態性能的優劣，一般以穩態誤差的大小來度量。典型系統框圖1）系統穩態誤差的概念亡匕）輸山笛）Er（S）輸入量產生的誤差（拉氏式）（又稱跟隨誤差）Ed（S）擾動量產生的誤差（拉氏式）er（t）為跟隨動態誤差，ed（t）為擾動動態誤差。兩者之和即為系統動態誤差給定穩態誤差（

29、又稱跟隨穩態誤差）擾動穩態誤差于是系統的穩態誤差有2）系統穩態誤差與系統型別、系統開環增益間的關系系統的跟隨穩態誤差為誡3K2otIa系統的擾動穩態誤差為2頻率特性法（265分鐘）線性系統的頻率特性響應示意圖用時域分析G（j=|G（j|ZG（妙）Gj）=G（s）s=j（2）頻率特性的表示方式1）數學式表示方式法分析系統穩定性、穩態性能和動態性能，讓學生加深印象。（大屏幕投影）解說頻率特性。逐一解說應心31）（小i+&（小&）/（苫）舉例分析：已知系統的結構圖，已知輸入信號廠（t）=t，擾動信號d（t）=0.5，試計算系統的穩態誤差。（1）頻率特性的基本概念頻率特性又稱頻率響應，它是系統（或元件

30、）對不同頻率正弦輸入信號的響應特性。IDL：0rs賓際曲線-20dD/dec岳頻漸近繼何(rail熾一好慣性環節的伯德圖5)比例微分環節傳遞函數頻率特性對數頻率特性伯德圖低擷漸近線/I甌ft(rad/s)C(jw)=(jrw+1)=d圧+#曲曲做工)=20g/.甲(oi)=arctanrte交接頻率it)i/T6）振蕩環節傳遞函數aw/(rad/s)40dBdec-I80振蕩環節的伯德圖7）延遲環節傳遞函數頻率特性對數頻率特性伯德圖L(e)=201gl=0p()=G(s)二e%sG(j)二e-jo延遲環節的伯德圖（4）開環對數頻率特性曲線的繪制控制系統一般都是由一些典型環節串聯組成的若各環節的

31、傳遞函數已知，則可參照典型環節的頻率特性曲線，繪制出系統的開環頻率特性曲線。若系統的開環傳遞函數G（s）為G（5=（$）（）其對應的開環頻率特性則為二陸（少）腌（3）%（4川八加宀琢山由上式可得其對數幅頻特性為=201g.V（紉+201（m）+201g?Wf（3）L（.d）+Sd+L3（co-）對數相頻特性為歲（）=爭I（）+y空（畑）+卩）由此可見串聯環節總的對數幅頻特性等于各串聯環節對數幅頻特性的和，其總的對數相頻特性等于各串聯環節對數相頻特性的和。直接畫出串聯環節的總的漸近對數幅頻特性。其步驟如下：1）分析系統是由哪些典型環節串聯組成的，將這些典型環節的傳遞函數都化成標準形式（分母常數項

32、為1）根據比例環節的K值，計算20lgK。）在半對數坐標紙上，找到橫坐標為3=1、縱坐標為L（w）=20lgK的點，過該點作斜率為-20vdB/dec的斜線，其中v為積分環節的數目。4）計算各典型環節的交接頻率，將各交接頻率按由低到高的順序進行排列，并按下列原則依次改變L（w）的斜率：若過慣性環節的交接頻率，斜率減去20dB/dec;若過比例微分環節的交接頻率，斜率增加20dB/dec;若過振蕩環節的交接頻率，斜率減去40dB/dec。5）如果需要，可對漸近線進行修正，即可得到較精確的對數幅頻特性曲線。舉例分析：某自動控制系統的框圖如所示，圖中已標明系統的有關參數，試畫出該系統的開環頻率特性（

33、伯德圖）（5）最小相位系統與非最小相位系統的概念若傳遞函數的極點和零點均在s復平面的左側的系統稱為最小相位系統。若傳遞函數的極點或零點有在s復平面右側的系統稱為非最小相位系統。最小相位系統的特點是：它的對數相頻特性和對數幅頻特性間存在著確定的對應關系，或者，對于最小相位系統，只需根據其對數幅頻特性就能寫出其傳遞函數。（6）控制系統性能的頻域分析1）系統穩定性的頻域分析吐對數頻率穩定判據的內容若系統開環是穩定的，則閉環系統穩定的充要條件是：當L）線過0dB線時，對應的申在180線的上方；或當9（）二180時，對應的L）在0dB線的下方。c稱為增益穿越頻率，簡稱穿越頻率。2)開環對數頻率特性與系統

34、性能的關系H低頻段2穩定裕量相位穩定裕量丫可定義為：由上述定義可見：當c時，這時的相位角(180)的“距離”，就是相位穩定裕量丫。若系統的開環傳遞函數的形式為即系統可簡化成由比例環節組成的，則其對應于c時的相位低頻段通常是指開環對數幅頻特性曲線在第一個轉折頻率以前的區段。這一頻段的形狀完全由系統開環傳遞函數中所含積分環節的個數”和開環放大倍數K決定。因此，開環對數幅頻特性曲線的低頻段反映了系統的穩態性能。2中頻段中頻段是指開環對數幅頻特性曲線在幅值穿越頻率附近的一段區域。在這一段區域的特征量為相位穩定裕量丫和穿越頻率c。因此，系統的開環對數幅頻特性的中頻段表征著系統的動態性能。3高頻段高頻段是

35、指開環對數幅頻特性曲線在中頻段以后的一段區域。系統開環對數幅頻特性在高頻段的幅值，直接反映了系統對輸入端高頻干擾信號的抑制能力。5分鐘小結。作業：思考題與習題2.7、2.8、2.10、2.11、2.13、2.15。對課程內容進行總結，加深學生的印象。過程控制與自動化儀表課程教案NO.6授課班級周次日期任課教師復習提問自動控制系統的基本分析方法學習模塊模塊三控制規律學習任務任務1控制系統的校正授課內容控制系統的校正課時2教學目標知識目標：了解校正的概念；熟悉校正的方式和常用校正裝置具備分析系統校正性能比較的能力。能力目標：培養學生自主學習能力；培養學生解決問題的能力。素質目標：1培養學生實事求是

36、的科學態度、嚴謹的工作作風和勇于進取的精神。重點難點重點：自動控制系統性能校正。難點：自動控制系統性能校正。授課過程步驟內容方法、資源運用1校正的概念啟發式、多媒體課件、分組討論2校正的方式啟發式、多媒體課件、分組討論3常用校正裝置啟發式、多媒體課件、分組討論45授課方式講授的教學方式教學地點多媒體教室教學資源設備、工具等：投影系統、PPT電子課件教學時間教學內容5分鐘回顧上節課內容，進行復習提問。自動控制系統基本分析方法有哪些？注釋80分鐘五、相關知識校正的概念當自動控制系統的性能不能滿足所要求的性能指標時首先可以考慮調整系統中的可以調整的參數；若通過調整參數仍無法滿足要求時，則可以在原有的

37、系統中，有目的地增添一些裝置和元件，人為地改變系統的結構和性能，使之滿足所要求的性能指標，我們把這種方法稱為系統校正。增添的裝置和元件稱為校正裝置和校正元件。校正的方式根據校正裝置在系統中所處地位的不同，一般分為串聯校正、反饋校正和復合校正。（1）串聯校正（2）反饋校正C(s).（3）復合校正舟引入給定輸入信號補償的虹合栓正（大屏幕投影）講解校正的基本概念。（大屏幕投影）逐一解說各種校正方式，用圖片展示，讓學生加深印象b）引入擾動輸入信號補償的復合校正無源校正裝置通常是由一些電阻和電容組成的兩端口網絡。b）相位超前校正c）相位滯后（大屏幕投影）逐一解說不同的校正裝置，用圖片分析，舉例分析讓學生

38、加深印象。在控制系統設計中，常用的校正方式是串聯校正和反饋校正。常用校正裝置校正裝置根據本身是否有電源，可分為無源校正裝置和有源校正裝置。（1）無源校正裝置a）相位滯后校正-超前校正（2）有源校正裝置有源校正裝置是由運放器組成的調節器。舉例分析:串聯校正G(s)(1)使系統的相對穩定性改善，超調量下降，振蕩次數減少。(2)增益降低為原來的1/2，系統的穩態精度變差。圖中G1(s)為隨動系統的固有部分。現對其進行串聯校正，串聯個比例調節器，比例系數Kc二0.5系統固有部分5分鐘小結。對課程內容進行總結，加深學生的印象。過程控制與自動化儀表課程教案NO.7授課班級周次日期任課教師復習提問系統校正的

39、方式學習模塊模塊三控制規律學習任務任務2典型的控制規律授課內容典型的控制規律課時4教學目標知識目標：1了解常用的典型控制規律；2.熟悉典型控制規律控制特點；3具備自動控制系統典型控制規律校正的能力。能力目標：1通過分組合作完成教學任務，讓學生知道如何運用所學知識進行實踐操作，加強學生的動手、動腦能力；2培養學生自主學習能力和分工合作、團結協作共同尋求解決問題的能力。素質目標：1培養學生實事求是的科學態度、嚴謹的工作作風和勇于進取的精神。重點難點重點：自動控制系統典型控制規律校正。難點：自動控制系統典型控制規律校正。授課過程步驟內容方法、資源運用1位式控制啟發式、多媒體課件2比例控制啟發式、多媒

40、體課件3微分控制啟發式、多媒體課件4積分控制啟發式、多媒體課件5授課方式講授的教學方式教學地點多媒體教室教學資源設備、工具等：投影系統、PPT電子課件注釋教學教學內容時間5分鐘回顧上節課內容，進行復習提問。六、相關知識1.位式控制(1)雙位控制理想雙位控制規律的數學表達式為當e0時，u(t)=umax;當e0時，u(t)=umin。imaxomin(大屏幕投影)講解位式控制的特點，并用案例進行分析，讓學生加深印象。同時進一步理解位式在工程上的作用及意義。案例分析：個溫度雙位控制系統示意圖。170分鐘溫度雙位控制系統示意圖(2)具有中間區的雙位控制Himax斷minnaxmin通O實際雙位控制輸

41、出特性()實際雙位控制的過程曲線比例控制TOC o 1-5 h z(1)比例控制規律及其特點數學表達式：叭Au(t)=Ke(t)c,U是控制器輸出變化量；Kc是控制器的放大倍數，即心比例增益；e是控制器的輸入，即偏差。KZA(大屏幕投影)講解比例控制的特點上匕例度定義、意義及選取范圍。Oi偏差作用下的比例控制器的開環輸出特性(2)比例度通常用比例度表示控制輸出與偏差成線性關系的比例控制器輸入(偏差)的范圍。比例度5定義為：乂(ZZ)1nnc75=maxminX100%Au(u-u)maxmin此時比例度表示為：式中，K=cAue15二x100%Kc(3)比例增益對過渡過程的影響比例控制是有余差

42、的控制。比例度&對閉環系統穩定性的影響。oo通常，工業上常見系統的比例度5的參考選取范圍如下:壓力控制系統為30%70%;流量控制系統為40%100%;液位控制系統為20%80%;溫度控制系統為20%60%。積分控制(大屏幕投影)講解積分控制和比例積分控制的特點，積分時間定義、意義、測定選取范圍。(1)積分控制規律及其特點開環輸出特性雖然可以消除余差是積分控制的顯著優點，但積分作用的落后性，結果往往超調，使被控變量波動得很厲害，引入積分作用后會使系統易于振蕩。因此生產上都是將比例作用與積分作用組合成比例積分控制規律來使用。（2）比例積分控制規律與積分時間比例積分控制器的輸入與輸出特性曲線（大屏

43、幕投影）講解微分控制、比例微分和比例積分微分微控制的特點，微分時間定義、意義、測定選取范圍。&不變時TI對過渡過程的影響般情況下Ti的大致范圍如下：T=0.43.壓力控制：imin；T二011流量控制：imin；溫度控制：-彳min；液位控制：一般不需積分作用。微分控制（1）微分控制規律及其特點數學表達式：Au=TdeddtTd為控制器的微分時間。微分控制是根據偏差的變化趨勢進行動作的，從而避免產1生較大的偏差，還可以縮短控制7時間。*o帀理想微分控制器輸出特性（2）比例微分控制規律及微分時間數學表達式：比例微分控制器輸出特性Au二KA+KA（K-1）eccD微分作用與比例作用結合，構成比例微

44、分控制規律（PD）（3）比例微分控制系統的過渡過程微分時間TD的大小對系統過渡過程的影響若Td取得太小，則對系統的控制指標沒有影響或影響甚微，如圖中曲線所示；選取適當的TD，系統的控制指標將得到全面的改善，如圖中曲線所示；但若Td取得過大，即引入太強的微分作用，反而可能導致系統產生劇烈的振蕩，如圖中曲線所示。（4）比例積分微分控制數學表達式：理想PID1deAu=K(e+Jtedt+T)cToddtqi實際PIDAu=K（e+J1edt+e（K一1）ecTod比例控制是基本的控制方可以消除純比例控制無法消除的余差；而加入微分控制，則可以在系統受到快速變化干擾的瞬間，及時加以抑制，增加系統的比例

45、積分微分控制器輸出特性式，自始至終起著與偏差相對應的控制作用；引入積分控制后，穩定程度。將三種方式組合在一PID控制器各種組合控制效果圖各類生產過程對象常用的控制規律如下：液位：一般要求不高，用P或PI控制規律；流量：時間常數小，測量中混有干擾，用PI或加反微分控制規律；壓力：介質為液體的時間常數小，介質為氣體的時間常數中等，用P或PI控制規律；溫度：容量滯后較大，用PID控制規律。5分鐘小結。作業：思考題與習題3.1。對課程內容進行總結，加深學生的印象。過程控制與自動化儀表課程教案NO.8授課班級周次日期任課教師復習提問典型的控制規律學習模塊模塊四過程參數檢測與變送學習任務任務1過程參數檢測

46、儀表概述授課內容過程參數檢測儀表概述課時2教學目標知識目標：了解過程參數檢測儀表信號制與傳輸方式；掌握誤差的計算方法掌握變送器的量程調整、零點調整和零點遷移方法。能力目標：1通過分組合作完成教學任務，讓學生知道如何運用所學知識進行實踐操作，加強學生的動手、動腦能力；2.培養學生自主學習能力和分工合作、團結協作共同尋求解決問題的能力。素質目標：1培養學生實事求是的科學態度、嚴謹的工作作風和勇于進取的精神。重點難點重點：變送器的量程調整、零點調整和零點遷移方法。難點：誤差的計算。授課過程步驟內容方法、資源運用1傳感器與變送器啟發式、多媒體課件、分組討論2檢測儀表的信號制與傳輸方式啟發式、多媒體課件

47、、分組討論3誤差概念及表述啟發式、多媒體課件、分組討論4變送器的量程調整、零點調整和零點遷移啟發式、多媒體課件、分組討論5檢測儀表分類啟發式、多媒體課件、分組討論授課方式講授的教學方式教學地點多媒體教室教學資源設備、工具等：投影系統、PPT電子課件教學時間教學內容注釋5分鐘回顧上節課內容，進行復習提問。七、相關知識（大屏幕投1傳感器與變送器影）過程參數檢測儀表通常由傳感器和變送器組成。講解傳感器（1）傳感器與變送器的能感受規定的被測量，并按照一定規律將其轉換為可用電量的器件組成。或裝置就是傳感器。傳感器通常由敏感元件、傳感元件及測量轉換電路三部分組成，如圖所示。非電量非電量電參量1電量右=敏感

48、兀件*傳感兀件測量轉換電路一-（被測量）傳感器組成框圖1）敏感元件是直接感受被測物理量，并以確定關系輸出另一物理量的元件。2）傳感元件的作用是將敏感元件的輸入轉換為電路參量，如電阻、電感、電容、電流、電壓等。803）測量轉換電路的作用是將傳感元件輸出的電路參量轉換為便于分鐘傳輸和處理的電量。（2）變送器變送器是把傳感器的輸出信號轉變為可被控制器識別的信號的轉換器。（大屏幕投2檢測儀表的信號制與傳輸方式影）為了方便有效地把自動化系統中各類現場儀表與控制室內的儀表逐一解說檢和裝置連接起來，構成各種各樣的控制系統，儀表之間應有統一的標準測儀表的信信號進行聯絡和傳輸。號制與傳輸（1）信號制方式，必要時

49、信號制是指在成套儀表系列中，各個儀表的輸入輸出之間采用何種可用圖片或統一的標準信號進行聯絡和傳輸的問題。實物展示，讓過程控制儀表使用的聯絡信號一般可分為氣壓信號和電信號學生加深印1）標準氣壓信號氣動控制儀表統一使用20lOOkPa的模擬氣壓象。信號。2）標準電動信號電動控制儀表聯絡與傳輸信號主要分模擬信號和數字信號兩大類。電動模擬信號的統一標準信號制是420mADC或0-10mADC。電動模擬信號有直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓四種。為什么采用直流電流信號。一是由于直流信號不受傳輸線路中的電感、電容及負荷性質的影響，抗干擾能力強、不存在相移問題，且便于進行模數轉換。因此，在過程控制儀表

50、及裝置中直流信號得到了廣泛的應用。而使用電流信號的原因主要是電流信號比電壓信號更適用于遠距離傳輸。（2）檢測儀表的傳輸方式檢測儀表的信號傳輸方式一般有兩種：串聯型和并聯型。）串聯型當使用直流電流信號作為傳輸信號時，一臺發送儀表的輸出電流同時傳輸給幾臺接收儀表，則所有接收儀表均應串聯。接收儀表2）并聯型并聯型傳輸通常需要使用標準電壓信號，標準電壓信號有1-5V和0-10V兩種，分別與4-20mA和1-10mA對應。當使用直流電壓作為傳輸信號，且電壓接收信號時，一臺發送儀表的輸出電壓要同時送給幾臺接收儀表，則這些接收儀表均應并聯。接收儀表當使用直流電流作為傳輸信號，且電壓接收方式時，接收的各臺儀表

51、也應并聯，如圖所示。接收儀表電流傳輸電壓接收時儀表之間的連接（3）變送器的信號傳送與供電方式變送器是現場儀表，其供電電源來自控制室，而輸出信號又要傳送到控制室去。變送器的信號傳送和供電方式通常以下三種。）四線制如果采用四線制傳輸，則供電電源和輸出信號分別用兩根導線傳輸，電源供電多為220VAC或24VDC。）兩線制如果采用兩線制傳輸，則變送器與控制室之間僅用兩根導線傳輸，這兩根導線既是電源線，又是信號線，電源供電為24VDC。（大屏幕投影）誤差的概念，四線制傳輸兩線制傳輸三線制傳輸采用兩線制變送器，不僅可節省大量電纜線和安裝費用，而且有利于安全防爆，因此這種變送器得到了較快的發展。）三線制如果

52、采用三線制傳輸，則電流輸出可以與電源公用一根線（公用VCC或者GND），可節省一根線，電源供電為24VDC。誤差概念及表述所謂誤差是指儀表實測值與被測物理量自身真實（或客觀）取值的差異，誤差按出現的規律來可分為系統誤差、過失誤差和隨機誤差三類。誤差的表示方法主要有絕對誤差、相對誤差及引用誤差。（1）絕對誤差絕對誤差是指儀表的實測示值x與真值xa的差值，表示為Ax，即x=xxa（2）相對誤差相對誤差是絕對誤差Ax與真值xa的比值，表示為ya,即/、Axy（x）=aXa必要時可用圖片展示，讓學生加深印象。（3）引用誤差引用誤差是絕對誤差Ax與檢測儀表量程BX的比值，即Axy（x）二x100%b0B

53、X它是將檢測儀表的量程引入的誤差表達式。（4）準確度準確度又稱為精度，主要用于反映儀表的準確程度。為了正確地反映儀表的準確程度，準確度采用引用相對誤差來表示，即儀表的準確度是指儀表允許的最大絕對誤差與儀表量程之百分比，表示為-x）準確度=儀表允許的最大絕對誤差x100%=x100%a一b儀表的量程舉例分析：某臺測溫儀表的測溫范圍為200700C,校驗該表時得到的最大絕對誤差為+4C,試確定該儀表的精度等級。某臺測溫儀表的測溫范圍為01000C。根據工藝要求，溫度指示值的誤差不允許超過7C,試問應如何選擇儀表的精度等級才能滿足以上要求？變送器的量程調整、零點調整和零點遷移（大屏幕投影，演示視頻）

54、逐一解說變送器的量程調整、零點調整和零點遷移，同學們掌握比較困難。教師邊講解變送器的構成原理圖如圖所示。邊示范演示，讓同學們加深印象。變送器輸出輸入關系圖（1）變送器的量程調整量程調整的目的是使變送器的輸出信號的上限值ymax與測量范圍的上限值x相對應。變送器量程調整前后的輸入輸出特性如圖4-10max所示，量程調整相當于改變輸入輸出特性曲線的斜率，也就是改變變送器輸出信號y與輸入信號z之間的比例系數。變送器量程調整前后的輸入輸出特性量程調整的方法，通常是改變反饋部分的反饋系數0。匕愈大，量程就愈大；0愈小，量程就愈小。有些變送器還可以用改變測量轉換部分的轉換系數Ki來調整量程。（2）變送器的

55、零點調整和零點遷移零點調整和零點遷移的目的。都是使變送器輸出信號的下限值ymi與測量信號的下限值xmin相對應。在xmin=0時為零點調整（如圖4-11所示）；在x.0時為零點遷移調整。/min/min|11111OXmaxX變送器零點調整前后的輸入輸出特性將測量的起始點遷移到某一數值(正值或負值)，這就是所謂的零點遷移。在未加遷移時。測量起始點為零；當測量的起始點由零變為某一正值。稱為正遷移；反之。當測量起始點由零變為某一負值，稱為負遷移。變送器零點遷移前后的輸入輸出特性如圖所示。max卜7，max7尹max”pl1U_UL_OmaxXOminmaxxminOmaxxa)未遷移b)正遷移c)

56、負遷移變送器零點遷移前后的輸入輸出特性5.檢測儀表分類檢測儀表種類很多，分類不盡相同。常用的分類方法有：(1)按被測量分類。(2)按測量原理分類。(3)按輸出信號分類。(4)按采用換能分類。5分鐘小結。作業：思考題與習題4.3、4.4、4.5。對課程內容進行總結，加深學生的印象。過程控制與自動化儀表課程教案NO.9授課班級周次日期任課教師復習提問系統校正的方式學習模塊模塊四過程參數檢測與變送學習任務任務2溫度檢測儀表授課內容溫度檢測儀表課時4教學目標知識目標：了解溫度測量的基本物理量；掌握熱電偶、熱電阻的測溫原理，掌握溫度與熱電勢計算方法；了解測量溫度儀表的選擇和安裝。能力目標：1培養學生自主

57、學習能力；2.培養學生解決問題的能力。素質目標：1培養學生實事求是的科學態度、嚴謹的工作作風和勇于進取的精神。重點難點重點：熱電偶、熱電阻的測溫原理，熱電勢計算方法。難點：熱電偶、熱電阻的測溫原理，熱電勢計算方法。授課過程步驟內容方法、資源運用1溫度概述啟發式、多媒體課件2熱電偶啟發式、多媒體課件3熱電阻啟發式、多媒體課件4溫度變送器啟發式、多媒體課件5溫度測量儀表的選擇和安裝啟發式、多媒體課件授課方式講授的教學方式教學地點多媒體教室教學資源設備、工具等：投影系統、PPT電子課件教學時間教學內容注釋5分鐘回顧上節課內容，進行復習提問。八、相關知識溫度是表征物體冷熱程度的物理量，通常用t來表示。

58、溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數值的標尺叫溫標。它規定了溫度的讀數起點（零點）和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標有華氏溫標、攝氏溫標、熱力學溫標和國際實用溫標。1.概述測溫儀表的分類及性能比較170分鐘帖庫計好單JR甩反H附剽爼毎囲按-11XJ-頌弋仰他.唯確|墮輪島.樓審性好眠金X克ft農劃處熱時建扎棉底示WL沾世，機耀事尿力式製止卄掘包內的佯就懂事囲受搭而a：災壓力價l*L血皆就堆蟲中槍話花細怦機慎粥也琳.熱龜NL融電肌fl導井城T：彳評加電陽妣藺址-2i-rtOflCIBHt唯瞞,可用干皚淚吹ftM總酒帝電兩阿不同氽屬小障拽成受博產生焙Hi

59、功勢51*L呦比RLfllLE富喪.建滬越沖端時應補快.在|:搖耐.時血站悴的而變fL7W-32Wt消詡虹酣廣.極用Wfr枷格剋宜Mlfel1測埼慕練1懾測卅比輕爪切的EJWj光學応SJ廿相時51）%20flOT：頃應述腔快.訓書円岀址ifl棉為&卄.111冊懷的軸時惟飛航盜腔高低術應it巫應2.熱電偶熱電偶是基于熱電效應原理測量溫度的。a）測溫系統（大屏幕投影）講解溫度的有關概念（大屏幕投影）簡單解說測溫儀表的分類及性能，必要時可用圖片或實物展示，讓學生加深印象。（大屏幕投影，演示視頻或動畫）解說熱電偶工作原理，必要時可用圖片或實物展示，讓學生加深印象。A、B-熱電偶；C-導線；D-顯示儀表

60、；t-熱端溫度；t-冷端溫度熱電偶測溫(1)熱電偶工作原理當兩端所處的溫度不同時，在熱電偶回路內就會產生熱電勢，設熱端溫度為t，冷端溫度為t0，則在兩金屬A和B的接觸點處接觸電動勢分別為eAB(t)eAB(t0),這種物理現象稱為熱電效應。熱電偶回路的熱電勢只與熱電極材料及測量端和冷端的溫度有關，記作EAB(t，t0)E(t,t)=e(t)一e(t)AB0ABAB0由于熱電偶的分度值都是以自由端溫度等于0C時為基準的，所以當自由端溫度不為0C而為t0時，溫度與熱電勢之間的關系可用下式進行計算。E(t,t)二E(t,0)-E(t,0)00舉例分析：用一只鎳鉻一鎳硅熱電偶(分度號為K)測量爐溫，已