《过程控制与自动化仪表》课程标准、习题及答案倪志莲.docx

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1、“过程控制与自动化仪表”课程标准招生对象：高中毕业生及同等学力者教学时数：66H学历层次：高职课程代码：修业年限：全日制三年学分数：3.5适用专业：电气自动化技术类专业制订人：一、课程概述1 .课程定位“过程控制与自动化仪表”是电气自动化技术专业的核心课程，是针对电气自动化设备装配调试岗位的典型工作任务而设置的课程。通过本课程学习，使学生掌握过程控制基本知识和常用变送器、控制器、执行器的基本应用，熟悉常用生产过程自动化设备和典型过程控制系统，具有过程控制系统的集成、组装、调试、运行、维护、管理等职业能力。本课程的前导课程有“电子技术”、“电机与电气控制”、“PLC控制技术”等，后续主要是“岗位

2、综合实训”、“顶岗实习”等实践教学环节。2 .设计思路（1）内容设计根据电气设备装配调试员岗位中的仪表校准与参数调整、过程控制系统装配与调试等典型工作任务，选择来源于企业且涵盖温度、流量、压力、物位等参量控制的典型过程控制系统，结合行业标准，选取液位定值控制系统、温度定值控制系统等真实产品作为课程教学项目。遵循学生认知规律，按照由浅入深、由简单到复杂的原则，进行项目序化，将自动控制系统的建模、自动控制系统的分析及校正无缝融合到项目教学过程中。按控制系统建模、分析及校正、变送器类型与选择、执行器设计与选型、控制器方案设计与调试等系统调试与运行维护的工作过程，组织精选教学内容。（2）教学设计项目教

3、学以教师为主导、学生为主体，采用“理论+实践”的方法组织实施。教学过程采用多媒体教学法、实践操作法等教学方法相结合，在课堂教学、仿真教学与实验操作教学等多种教学手段的配合下，经过理论考核、综合平时表现及实验考核对学生进行综合评价，以实现本课程教学。二、课程目标1.掌握典型控制系统建模、性能分析及校正的方法；2 .具备常用带控制点工艺流程图的识图与制图能力；3 .具备根据工艺与控制要求，合理选择变送器、执行器的选型及调试能力；4 .具备根据工艺和控制要求，合理整定智能PID控制器参数能力；5 .掌握DCS和FCS控制系统安装与调试方法；6 .具有技术资料编写能力；7 .具有一定的沟通能力和团结协

4、作精神。三、内容标准及实施建议1 .课题/项目安排及学时分配在设计思路基础上，按照自动控制基础到过程控制系统的原则确定项目及学时，见表Io表1课题安排表课题序号课题名称学时H1控制系统对象建模162控制系统分析方法143控制系统校正及控制规律64自动化仪表185控制系统方案设计及工程整定86计算机控制系统4合计662.课题/项目内容及实施在设计思路基础上，从教学目标、教学内容、重点难点、教学实施建议、教学资源、教学方法等方面进行教学设计，形成课题教学设计表。课题1控制系统对象建模学时H16教学目标1 .了解过程控制基本组成及评价指标；2 .掌握微分方程建模方法；3 .掌握拉氏变换和传递函数建模

5、方法；4 .掌握框图建模及化简方法；5 .能对过程控制典型对象进行建模；6 .能使用实验法进行建模。教学内容1 .过程控制系统组成及评价指标；2 .微分方程、传递函数及系统框图；3 .典型环节传递函数；4 .框图变换及化简；5 .典型被控对象特性及建模；6 .实验法建模。重点难点重点：典型环节传递函数、对象建模方法难点：框图变换及化简教学实施建议步骤内容方法、费源运用课时1过程控制系统组成及评价指标多媒体教学法42微分方程、传递函数及系统框图多媒体教学法43典型环节传递函数多媒体教学法24框图变换及化简多媒体教学法仿真教学法25典型被控对象特性及建模多媒体教学法26实验法建模（实验一：对象的特

6、性测定）实践操作法2采用“理论+实践”的教学方法开展教学，对理论分析过程尽量简化，结合MATLAB辅助分析软件进行教学。教学资源场地：多媒体教室、过程控制实训室设备、工具等：多媒体设备、电脑及MATLAB软件资料：教材、PPT、视频等考核评价重点：对象模型建立内容：微分方程分析建模、传递函数化简、典型环节传递函数标准：理论+实操方式：平时成绩+期末考核课题2控制系统分析方法学时H14教学目标1 .掌握常用典型输入信号及表示方法；2 .掌握控制系统稳定性的判断方法；3 .掌握控制系统动态性能的判断方法；4 .掌握稳态误差的计算方法；5 .能使用MATLAB仿真软件进行性能分析。教学内容1 .典型

7、输入信号；2 .时域分析法分析稳定性；3 .时域分析法分析动态性能；4 .稳态误差计算；5 .频率特性表示方法及典型环节频率特性；6 .开环频率特性绘制；7 .频率特性分析控制系统性能。重点难点重点：稳定性分析、动态性能分析难点：稳态误差计算教学实施建议步骤内容方法、资源运用课时1控制系统时域分析（实验二：MATLAB的基本使用、时域分析）多媒体教学法实践操作法42控制系统稳定性分析多媒体教学法仿真教学法23稳态误差计算多媒体教学法仿真教学法24控制系统频率特性及伯德图多媒体教学法25控制系统频率特性分析多媒体教学法26频率特性分析控制系统性能（实验三：MATLAB在频域分析中的应用）多媒体教

8、学法实践操作法2采用“理论+实践”的教学方法开展教学，对理论分析过程尽量简化，结合MATLAB辅助分析软件进行教学。教学资源场地：多媒体教室、过程控制实训室设备、工具等：多媒体设备、电脑及MATLAB软件资料：教材、PPT、视频等考核评价重点：时域和频率分析法内容：稳定性分析、动态性能分析、稳态误差计算标准：理论+实操方式：平时成绩+期末考核课题3控制系统校正及控制规律学时H6教学目标1 .掌握系统校正的基本概念；2 .掌握双位控制及特点；3 .掌握比例控制及特点；4 .掌握积分控制和比例;积分控制及特点；5 .掌握微分控制和比例二微分控制及特点；6 .掌握PID控制及特点。教学内容1 .校正

9、方式及校正装置；2 .双位控制及适用条件；3 .比例、积分、微分控制及适用条件；4 .PLPD调节及仿真效果分析；5 .PID调节及仿真效果分析。重点难点重点：PlD调节难点：PID调节教学实施建议步骤内容方法、费源运用课时1校正基本概念多媒体教学法仿真教学法22控制规律多媒体教学法仿真教学法23实验四：MATLAB在系统校正中的应用实践操作法2采用“理论+实践”的教学方法开展教学，对理论分析过程尽量简化，结合MATLAB辅助分析软件进行教学。教学资源场地：多媒体教室、过程控制实训室设备、工具等：多媒体设备、电脑及MATLAB软件资料：教材、PPT、视频等考核评价重点：PID调节内容：校正基本

10、概念、PID调节标准：理论+实操方式：平时成绩+期末考核课题4自动化仪表学时H18教学目标1 .能进行仪表的连接及准确度选择；2 .掌握温度测量仪表的种类及选型；3 .掌握压力测量仪表的种类及选型；4 .掌握流量测量仪表的种类及选型；5 .掌握物位测量仪表的种类及选型；6 .掌握数字调节器的使用方法；7 .掌握调节阀的类型及使用方法。教学内容1 .仪表基本概念（信号制、连接方法及准确度）；2 .各种温度检测仪表的种类及使用；3 .各种压力检测仪表的种类及使用；4 .各种流量检测仪表的种类及使用；5 .各种物位检测仪表的种类及使用；6 .AI818的使用；7 .气动与电动调节阀的使用。重点难点重

11、点：各种仪表的选型难点：调节器的使用教学实施建议步赛内容方法、资源运用课时1自动化仪表概述多媒体教学法22温度变送器多媒体教学法43差压变送器（实验五：压力变送器的调校）多媒体教学法实践操作法44流量变送器多媒体教学法25液位变送器多媒体教学法26控制器多媒体教学法27执行器多媒体教学法2采用“理论+实践”的教学方法开展教学，对理论分析过程尽量简化，结合图片等多媒体教学工具进行教学。教学资源场地：多媒体教室、过程控制实训室设备、工具等：多媒体设备、电脑及MCGS组态软件资料：教材、PPT、视频等考核评价重点：各种仪表的选型及使用内容：仪表的选型、数字调节器及执行器使用标准：理论+实操方式：平时

12、成绩+期末考核课题5控制系统方案设计及工程整定学时H8教学目标1 .掌握带控制点的工艺流程图的识图方法；2 .掌握简单控制系统设计及参数整定的方法；3 .了解复杂控制系统设计及参数整定的方法；4 .掌握典型控制单元的控制方案。教学内容1 .工艺流程图绘制与识图；2 .简单控制系统方案设计及参数整定；3 .复杂控制系统方案设计；4 .典型单元控制方案的分析与设计。重点难点重点：简单控制系统方案设计及参数整定难点：复杂控制系统方案设计教学实施英议步骤内容方法、费源运用课时1工艺流程图绘制与识图多媒体教学法22简单控制系统及工程整定（实脸六：单回路液位定值控制系统）多媒体教学法实践操作法43复杂控制

13、系统多媒体教学法实践操作法2采用“理论+实践”的教学方法开展教学，对理论分析过程尽量简化，结合MATLAB仿真工具进行教学。教学资源场地：多媒体教室、过程控制实训室设备、工具等：多媒体设备、电脑及MCGS组态软件资料：教材、PPT、视频等考核评价重点：简单控制系统方案设计内容：工艺流程图识图、简单控制系统方案设计及参数整定标准：理论+实操方式：平时成绩+期末考核课题6计算机控制系统学时H4教学目标1 .了解计算机控制系统结构与分类；2 .掌握集散控制系统体系及软硬件功能；3 .掌握PLC液位控制系统的安装与调试；教学内容1 .计算机控制系统结构与分类；2 .集散控制系统体系结构；3 .PLC液

14、位控制系统；重点难点重点：集散控制及现场总线控制难点：系统组建教学实施建议步骤内容方法、费源运用课时1计算机控制系统概述多媒体教学法12集散控制系统多媒体教学法23现场总线控制系统多媒体教学法1采用“理论+实践”的教学方法开展教学，对理论分析过程尽量简化，结合集散控制系统及现场总线控制系统实训装置进行教学。教学资源场地：多媒体教室、过程控制实训室设备、工具等：多媒体设备、电脑资料：教材、PPT、视频等考核评价重点：集散控制及现场总线控制内容：计算机控制系统分类、集散控制及现场总线控制系统组建方法。标准：理论+实操方式：平时成绩+期末考核四、考核评价课程考核分平时成绩考核和学期期末考核两部分。平

15、时成绩考核包括作业、出勤率和实验报告三部分。学期期末考核包括应知考核和应会考核两部分，采用集中考核的方式。课程考核内容如表8所示。表8课程考核内容考核形式考核内容分值比例平时考核作业10出勤10实验报告10学期考核应知考核40应会考核30合计100五、教学实施条件1.师资基本条件教师应具有企业经历，熟悉本行业技术动态，具有扎实的专业知识和熟练的过程控制系统设计及调试技能，具备较强的语言表达能力及教学组织能力。2 .实践教学条件为配合课程教学目标的实现，配有过程控制实训室作为教学场地。过程控制实训室配有“THJ-4型高级过程控制系统实验平台”4套及各类控制对象，可实现智能仪表、PLC和DDC三种

16、控制。通过流量控制系统安装与调试、液位控制系统安装与调试、锅炉温度串级控制系统安装与调试等项目实训，可培养工业测量仪表应用、过程控制系统安装调试技能，同时使学生能熟悉相关岗位工作技能、学习标准和规范、培养职业素质。3 .教学资源条件（1）教材的编写与使用建议教材编写以本课程标准为依据，遵循知识够用为度，重点培养学生实践能力。知识内容应与教学项目紧密相关，并适当拓宽知识面。（2）其他教学资源课程配有网络教学资源，不仅教师可以利用这些资源进行教学，学生也可以通过课程资源进行自主学习。课程网络教学资源应包括：课程标准、任务书、电子课件、电子教材、在线测试、视频动画库、图片库、虚拟仿真库等内容。六、其

17、它建议和说明1 .教学建议（I）课程教学建议尽量降低理论知识难度，用MATLAB辅助分析软件进行仿真教学。(2)本课程对实践经验及操作技能要求较高，建议由专业技能熟练的骨干教师或企业技术人员担任主讲教师。(3)在教学过程中，适当安排学生去企业实地参观学习，提高感性认识。通过认识企业生产流程，掌握过程控制系统组建方法，提高教学效果。2 .参考手册：(1) PCS7过程控制集成软件使用手册(2) MCGS组态软件使用手册(3)化工装置工艺系统工程设计国家标准3 .参考教材(1)倪志莲过程控制与自动化仪表，机械工业出版社，2014.1(2)侯志林过程控制与自动化仪表，机械工业出版社2007.8(3)

18、张李冬过程控制技术及其应用，机械工业出版社2007.1(4)唐继英现场总线技术，天津工业大学出版社2008.7第一章思考题与习题1.1下列系统中哪些属于开环控制，哪些属于闭环控制？家用电冰箱家用空调器家用洗衣机抽水马桶普通车床电饭煲多速电风扇高楼水箱调光台灯开环控制：家用洗衣机普通车床多速电风扇调光台灯闭环控制：家用电冰箱家用空调器抽水马桶电饭煲高楼水箱1.2图1-14所示为一压力自动控制系统，试分析该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量和扰动变量是什么？画出该系统的框图。图1-14压力自动控制系统被控对象：容器P被控变量：罐内压力操纵变量：物料输入流量扰动变量：出口流量图1-15加热炉温度自

19、动控制系统系统框图如下:出口流量1.3 图1-15所示是一加热炉温度自动控制系统,试分析该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量和扰动变量是什么？画出该系统的框图。被控对象：加热炉被控变量：炉内温度操纵变量：燃料流量扰动变量：进料量系统框图如下：1.4 按设定值的不同情况，过程控制系统分为哪几类？过程控制系统分为三类：定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。1.5 什么是过程控制系统的过渡过程？有哪几种基本形式？过程控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为过程控制系统的过渡过程。控制系统过渡过程有五种基本形式：发散振荡、单调发散、等幅振荡、衰减振荡和单调衰减。1.6 某换热器的温度

20、控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-16所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和调整时间(设定值为2(Xrc)。图1/6题1.6图最大偏差：30余差：59衰减比：5：1振荡周期：15min调整时间：22min第二章思考题与习题，(s)K(*+l)JS)=a) 4(三)V1(由分压公式求取)K=餐C小/C+G)上式中号+火2,i-+1)10(0.25+1)(0.1255+1)(小+)(T4s+1)(1.255+1)(0.015+1)2.10 已知某系统的开环传递函数为/X0.001(1+100s)2,一(1+1OS)(I+0.125S)(I+0.05S)试绘出系统的开环对

21、数幅频特性。该传递函数由一个比例环节、两个积分环节、两个比例微分环节及三个惯性环节组成。低频段：K=0.001,lfGl=zpk(-100,-100,0,0,-0.1,-8,-20,0.016)margin(G1)Bode DiagramGm Inf, Pm = -93.1 deg (at 0.995 rad/sec) 200O O O O O O 5 O 5 O O 0008271s 1 123(1 Z 233p) SseodFrequency(rad/sec)2.11 已知系统框图如图2-58所示,试用开环对数频率特性曲线判断闭环系统的稳定性。图258习题2.11图、401010,-S(S

22、2+s+4)-s(0.25s2+0.255+1)5(0.525+20.250.55+1)K=10,L(0)e=2OlgK=2(WB,有一个积分环节，斜率为-20dBdecT=0.5s,交接频率=2rads,=0.25o由开环对数频率特性曲线可知，当L()过OdB线时，(3)在-180。线的下方，即GI=tf(40,l,lA0)margin(Gl)Bode DiagramGm = -20 dB (at 2 rad/sec), Pm = -69.5 deg (at 3.74 rad/sec) 502.12 已知单位负反馈系统的开环传递函数为G(S) =5(0.15 + 1)(0.55 + 1)10

23、试绘制系统的对数频率特性曲线，并求出幅值穿越频率牝和相位裕量了。K=10,L(GLg=201gK=2(W3,有一个积分环节，斜率为-20dBdecT=0.5s,则交接频率=2rads;T2=O.ls,则交接频率(02=1Orad/s。由图可知穿越频率c4radSo则相位裕量=180o-90o-arctan(0.54)-arctan.l4)=90o-63.4o-21.8=4.8MATLAB求解：10200一S(OOS+l)(0.5s+1)-S(S+IOXS+2)输入：G1=zpk(O,O,O,-l0,-2J200)margin(GI)mp) BPn=UBBWap)SEUdBode Diagram

24、Gm = 1.58 dB (at 4.47 rad/sec), Pm 3.94 deg (at 4.08 racVsec)10101102103Frequency (rad/sec)2.13 已知某系统框图如图2-59所示，试用MATLAB分析该闭环系统的动态性能。R45-G5(5 + 1)C(三)图2-59习题2.13图在MATLAB中依次输入以下指令：num=4den=1,1,0Gl=tf(num,den)G2=feedback(G1,1)step(G2)可得到阶跃响应曲线如下：pn=Q.UlV则系统各项动态性能指标为：上升时间tr=0.943s,峰值时间tp=1.61s,超调量%=44.

25、4%,调整时间b=7.06s（2%误差带）。2.14 某最小相位系统的开环对数幅频特性的渐近特性如图2-60所示，试写出系统开环传递函数，并求此系统的相位稳定裕量了。由交接频率=0.1rads,得T1=IOs;由交接频率2=20rads,得T2=0.05s;穿越频率c=lrads、10G(s)=5(0.055+1)(105+1)=180o-900-arctan(0.051)-arctan(l0I)=90-2.86-84.29=2.852.15 已知某系统框图如图2-61所示，设输入量为“，)=6，(将尸改成.),扰动量为单位阶跃信号，试求系统的稳态误差及稳态值c。)。图2-61习题2.15图由

26、系统的结构图可知：K=2,v=O,鼠=10,v2=1fa=,R(三)=乌，O(三)=S-S则在输入信号作用下的稳态误差为1. sRs)Iim-$-0klk2a1 + 7-Jcr1 c(vi+v2)jIim0r 20 l + = 0.3在扰动信号作用下的稳态误差4d为q(H+l) Iim s0 k(xcIZ)(三)=Iim=0.5so2s总稳态误差为=6皿+4sd=03+0.5=0.8叫=-0.8=82.16 如图2-62所示，已知系统I和H的开环对数幅频特性，试比较这两个系统的性能。(图中原L(O折=40dB改为lcoftl=I=30(JB,c=70rads改为c=62rads)Gs)=2s(

27、0.02s+l)=180o-arctan(0.162)-arctan(0.0262)=180o-80.8o-51.lo=48.1y2=180o-90-arctan(O.O230)=90o-31o=59o稳态性能：从系统I到系统II,系统由0型变为I型，对阶跃信号由有静差转变为无静差，稳态性能明显改善。稳定性：从系统I到系统11,增益减小，使相位裕量Y有所增加(由48.lo59.0o),稳定性改善，。与N均有减小。快速性：从系统I到系统11,他由62rads-30rads,调整时间小快速性变差。第三章思考题与习题3.1 图3-31为某单位负反馈系统校正前、后的开环对数幅频特性曲线，比较系统校正前

28、后的性能变化。I三3-31习题3.1图加入串联P校正装置，提高系统增益后：1）使系统的相对稳定性降低，超调量增加。2）增益提高，系统的稳态精度改善。3.2 什么是比例控制规律、积分控制规律和微分控制规律？它们各有什么特点？当控制器的输出变化量与输入变化量（即设定值和测量值之间的偏差）成比例时，这就是比例（P）控制。比例控制能实现被控变量在过渡过程结束后，能稳定在某一个值上。积分控制是控制器的输出变化量M与输入偏差值6随时间的变化成正比的控制规律，亦即控制器的输出变化速度与输入偏差值成正比。在积分控制时，余差最终会等于零。理想微分控制是指控制器的输出变化量A与输入偏差e的变化速度成正比的控制规律

29、。微分控制却是根据偏差的变化趋势进行动作的。从而有可能避免产生较大的偏差，且可以缩短控制时间。3.3 什么是比例度、积分时间和微分时间？它们对过渡过程有什么影响？比例度S就是指控制器输入的相对变化量与相应的输出相对变化量之比的百分数。比例度S来衡量比例控制作用的强弱。使用比例控制器控制系统时，控制器在闭环运行下比例度5对系统过渡过程的影响。1）比例控制是有余差的控制，余差的大小与比例度S有关，与负荷的变化量有关。在同样的负荷变化扰动下，比例度越小，比例增益越大，余差越小；在相同比例度下，负荷变化量越大，余差越大。2）不论是在设定值变化还是负荷（扰动）变化的情况下，比例度S越小，系统的振荡也越剧

30、烈，稳定性越差。当方太小时，系统可能出现等幅振荡，甚至发散振荡；反之，则系统越稳定。积分时间式定义为：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的时间。积分时间不对系统过渡过程的影响。随着方减小，积分作用增强，消除余差较快，但控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降；方过小，可能导致系统不稳定。7;小，扰动作用下的最大偏差下降，振荡频率增加。微分时间加是时间常数T的Kd倍。微分时间久的大小对系统过渡过程的影响。若取兀太小，则对系统的控制指标没有影响或影响甚微；选取适当的A，系统的控制指标将得到全面的改善；但若A取得过大，即引入太强的微分作用，反而可能导致系统产生剧烈的振荡。34某混合器

31、出口温度控制系统如图3-32a所示，系统框图如图3-32b所示，其中Ki=5.4,K1=1,Kd=1.48,7；=5min,=2.5min,调节器比例增益为K0,F为一扰动信号，利用SimUIink仿真辅助分析：1）当AF=10,KC分别为2.4和0.48时系统的干扰阶跃响应（f）。2）当?；=2时的系统设定值阶跃响应3）分析调节器比例增益KC对设定值阶跃响应和干扰阶跃响应的不同影响。a）混合器出口温度控制系统示意图b）系统框图图332习题3.4图1）当b=10,KC为2.4时系统的干扰阶跃响应47-i：f:?：-IJ：l:I:;8-s:二：!*:-/；:5l.:：；-I4-I:：:*:-H3：；：,;：2:；:；:-I：j；：；1-；?/II：QIiIIIIIIIO5101520253035404550当b=10,KC为0.48时系统的干扰阶跃响应。25/*-wIIII1I-20:I.fTIy1510II:,/,:J:I：I：I：s,J:I50iI，、-H051015202530354045502)当A(=2,KC为2.4时的系统设定值阶跃响应”当?；=2,KC为0.48时的系统设定值阶跃响应3）比例增益KC不管对设