化工與環境學院《過程裝備與控制工程》專業陳祥光2014年3月——過程控制原理——前言◆本專業的培養目標（適合于本科工程教育專業認證）多年來，根據我國社會經濟發展對人才的需求和行業、企業界相關技術人員的交流，對本專業的培養目標作了適當修改，其論述如下：

培養目標：適應社會主義現代化建設需要，德智體美等全面發展，基礎扎實、理工結合、素質全面、實踐能力和創造能力強的研究發展型人才。本專業培養具備控制工程、化學工程、機械工程等方面的知識，能在石油化工、生物化工、火化工、能源環保、食品輕工、冶金建材等領域，從事過程測控系統設計、自動化儀表開發、微計算機應用及過程信息管理等方面的高級工程技術人才。

——前言一、本課程的性質和地位《過程控制原理》是“過程裝備與控制工程”專業一門必修的專業基礎課程。

重點：在于學習分析和構建反饋控制系統的基本理論和基本方法，它不僅為后續課程的學習奠定基礎，而且又是直接為解決實際控制系統問題提供理論和方法的課程。二、本課程的主要任務

能夠比較系統地理解和掌握分析與構建自動控制系統的基本理論和方法,并對系統的運動規律有深入的認識和正確的理解。通過本課程的學習，應做到：1．掌握經典控制理論和現代控制理論的基本概念、控制系統的基本分析方法和設計方法。2．培養學生對于目前在工業過程中廣泛應用的反饋控制有寬厚的理論基礎。3．為學生在生產實踐中進一步研究和設計控制系統打下扎實的基礎。4．理論聯系實際,跟蹤新技術的發展，增強創新能力。

——前言三、教學內容及學時分配

本教學內容分為經典控制理論和現代控制理論兩大部分，共10章，96學時(經典控制部分48學時,現代控制部分48學時)。四、考核與成績評定

本課程采用單獨命題閉卷考試。要求學生做一定數量的練習題。考核成績根據筆試成績、完成作業情況以及課堂學習(基本概念測試)情況進行綜合評定。——前言——前言五、本課程的具體要求

★掌握經典控制理論和現代控制理論的基本概念、控制系統的基本分析方法和設計方法。

★在上課時，認真聽講、積極回答問題；課后按時完成一定數量的練習題。

★勤于思索、敢于提問、理論聯系實際,樹立開拓進取、勇攀科學高峰的精神。——前言六、教科書、參考書

[1]陳祥光，黃聰明，何恩智.自動控制原理[M].北京：高等教育出版社,2009.11[2]陳祥光，黃聰明.自動控制原理及應用[M].清華大學出版社,2011.11[2]張愛民主編.自動控制原理[M].北京：清華大學出版社,2006.[3]R.C.Dorf,R.H.Bishop著,謝紅衛等譯.現代控制系統[M].北京:高等教育出版社,2002[4]G.F.Franklin,J.D.Powellel.FeedbackControlofDynamicsystem[M].Addision-Wesley,2002——前言六、教科書、參考書[5]胡壽松主編.自動控制原理[M].北京:科學出版社，2001[6]王詩宓等編著.自動控制理論例題習題集[M].北京:清華大學出版社，2002

—本專業的特色1.以廣義化工（包括火炸藥化工、石油化工、生物化工、冶煉、造紙、水泥、醫藥、食品、紡織等對物料進行各種物理、化學加工處理過程）為對象；2.研究廣義化工過程參數（如溫度、壓力、流量、液位、界面等）和特殊參數（如成份、濕度、密度、粘度、組份、金屬含量、非金屬含量等）在線檢測和控制；3.研究廣義化工生產過程（大系統）故障檢測、安全保護、動態數學模型、最優化方法，研制開發工業自動化儀器儀表,實現生產過程自動化、智能化及網絡化；4.確保廣義化工生產過程運行在安全、高效、低耗、節能和低污染的最佳狀態。—本專業的特色——化工生產過程（過程控制）——化工生產過程（過程控制）——聚合反應器控制系統（化學化工）—帶控制點的賴氨酸發酵工藝流程圖（生物化工）—某抗生素發酵罐工藝流程圖（過程控制）——第1章自動控制的基本概念

1.1簡述自動控制理論的發展1.2控制系統工作原理1.3自動控制系統的類型

1.4基本術語與概念——1.1簡述自動控制理論的發展

自動化技術的發展歷史是一部人類以自己的聰明才智延伸和擴展的歷史﹐自動化是現代科學技術和現代工業發展的結晶﹐也是信息科學發展的重要標志,它的發展充分體現了科學技術的綜合作用。

古代人類在長期生產和生活中﹐為了減輕自己的勞動強度﹐逐漸產生利用自然界動力代替人力、畜力﹐以及用自動裝置代替人的部分繁難的腦力活動的愿望﹐經過漫長歲月的探索﹐他們互不相關地創造出一些原始的自動裝置。

1770年，瓦特(James.Watt)發明的蒸汽發動機離心式調速機構,也是一個很好的反饋控制系統,如圖1-1a所示。——1.1簡述自動控制理論的發展圖1-1a蒸汽發動機離心式調速機構流量增大流量減小轉速增大轉速減小圖1-1b蒸汽發動機離心式調速機構——1.1簡述自動控制理論的發展圖1-1c水位浮球調節器浮球上升，閥門關小；浮球下降，閥門開大。

1868年,麥克斯威爾（J.C.Maxwell）發表了“論調節器”一文,利用線性微分方程對離心式調速機構的動態性能進行了分析和研究。普遍認為,這是有關反饋控制理論的第一篇正式發表的研究論文。

——1.1簡述自動控制理論的發展

在1895年，勞斯（Routh）和赫爾維茨（Hurwits），把這種思想擴展到高階微分方程描述的更為復雜的系統，他們獨立的發現了，兩種著名的代數判據，以用于判斷由任意階線性定常微分方程所描述的系統穩定性。

在1932年，奈奎斯特（H.Nyquist）提出一種基于系統開環頻率特性判別系統穩定與否的判據，它能夠給出一個穩定系統趨于不穩定的程度的一種簡單度量方法，稱為奈奎斯特穩定判據。在1948年，伊文思（W.R.Evans）根據反饋系統開環、閉環傳遞函數之間的內在聯系，提出了由開環傳遞函數尋求閉環特征根（即閉環極點）的根軌跡法。——1.1簡述自動控制理論的發展把第二次世界大戰前后形成的、基于Laplace變換獲取系統（或環節）傳遞函數，基于方塊圖方法獲系統獲取系統數學模型，以頻率響應和根軌跡作為設計方法的控制理論，稱為經典控制理論。而把在1960年前后形成的、以系統的狀態變量描述作為數學模型，以最優控制和卡爾曼濾波作為設計方法的控制理論，稱為現代控制理論。——1.1簡述自動控制理論的發展——1.1簡述自動控制理論的發展——1.1簡述自動控制理論的發展表1-1續

自動控制就是利用各類自動控制裝置和儀表代替人的操作,使生產過程或機器設備自動地按預定的規律運行,或使它的某些參數（如溫度壓力、流量、成分、電流、電壓、轉數等）按預定要求變化或在一定的精度范圍內保持恒定。

一些實例如下圖所示。——1.2控制系統的工作原理圖1-2儲槽液位比例控制系統——1.2控制系統的工作原理圖1-3室內加熱控制系統圖1-4閉環控制系統原理圖溫度測量部件室內環境調節器執行裝置——1.2控制系統的工作原理圖1-5防空雷達跟蹤控制系統——1.2控制系統的工作原理圖1-6某一溫度控制系統控制器被控對象執行裝置測量部件——1.2控制系統的工作原理——1.2控制系統的工作原理(d)控制器轉換器執行裝置被控對象(1)一種基于人工的反饋控制系統——1.2控制系統的工作原理圖1-7基于人工操作的液位控制系統設定值目測值——1.2控制系統的工作原理(2)一種基于控制器的反饋控制系統圖1-8基于控制器的液位自動控制系統——1.2控制系統的工作原理圖1-7基于人