湖南工业职业技术学院教案

湖南工业职业技术学院
教案
部门电气系
课程过程控制技术
任课教师
讲课班级电气S2003-1,2,3,4
2005 年下学期
湖南工业职业技术学院教课设计
教研室主任〔署名〕备课日期2005年9月17日讲课班级电气S03-3、4班电气S03-1、2班
礼拜11
讲课日期
周
44
课题
过程控制系统的构成和分类
教课准备
看书
写教课设计
教课目标
与要求
认识过程控制在生活中的认识
掌握过程控制的根本观点
掌握过程控制系统的框图
认识过程控制系统的分类
讲课方式
讲解
教课过程〔检查复习，教授听课，牢固复习，讲堂小结，安排作业〕
教授听课
讲堂小结
前言
一、本课程的特色和重要性
1．自动化专业的重要专业课，是自动化专业差别于其余专业的主要课程。

2．波及知识面广，需要计算机、电子技术、自控理论、电气控制技术灯多方面
的知识。

3．能产生比自己本钱高几十倍的效益
二、学习方法
1．联系生活实质、增添知识面
2．多作实验
第一章绪论
过程控制一般是指冶金、石油、化工、机械、电子、轻工、建材等工业部门的
生产过程的自动化，跟着经济的展开，高层楼宇不停浮现，过程控制技术在民用行业中应用也愈来愈广。

第一节过程控制系统的构成和分类
过程控制系统是指自动控制生产过程中的温度、压力、流量、料位等这样一些
变量，且使这些变量稳固在某一范围或按预约的规律变化的系统。

一、过程控制系统的构成
1．冰箱自控系统表示图
冰箱的控制系统简图以下：
2．恒稳室自控系统表示图
恒稳室的控制系统简图以下：
TC
M
回风
二、过程控制系统的框图
为了能更清楚地表示一个自动控制系统各构成局部之间的互相影响和信号关
系，一般都用框图来表示控制系统的构成。

一般一个单回路的控制系统可用以下框图表示：
框图中各局部的解说以下：
被控对象：简称对象，指自动控制系统中要进行控制的设备或生产过程的一局部或所有。

比如：空调房间，冰箱，锅炉，自来水。

被控变量：被控对象中要务实现自动控制的物理量，比如温度、湿度、压力等。

设定值：又称给定值，即经过控制作用，使被控变量抵达要求的数值。

传感器：或称变送器，将被控〔测〕量按必定的规律变换成便于办理和传输的另一种物理量〔一般为电量〕的物理量的元件，如热电偶、热电阻等。

变送器的作用是将传感器测出的被控量，变换成一致标准的信号形式。

如温度变送器、差压变送器。

控制器：又称调理器，是将被控变量的实测值信号与设定值信号比较，检测偏差并对偏差进行运算，依据预约的规律发出控制指令的零件。

所以，它一般拥有设定、比较、指示、运算和操作功能。

履行器：未来自控制器的控制信号，转变为操作量的零件，由履行机构和调理机构构成。

比如，电动调理阀是由电动履行机构〔电动机、减速器〕和调理阀构成。

操作量：是为了是被控变量遇到扰乱后，再恢复到新稳固值而需要经过调理机构向对象输入的物理量或能量。

扰乱：惹起被控量发生变化的外面原由。

三、过程控制系统的分类
依据系统设定值的不一样，可分为以下几类：
定值控制系统
程序控制系统
随动控制系统
湖南工业职业技术学院教课设计
教研室主任〔署名〕备课日期2005年9月19日讲课班级电气S03-3、4班电气S03-1、2班
礼拜55
讲课日期
周
45
课题
tkgk-1实验装置的根本操作
教课准备
看书
写教课设计
教课目标
与要求
认识tkgk-1实验装置的根本操作
掌握tkgk-1实验装置的仪表调校
讲课方式
讲解
教课过程〔检查复习，教授听课，牢固复习，讲堂小结，安排作业〕
教授听课
讲堂小结
实验装置的根本操作与仪表调试
一、实验目的
1〕、认识本实验装置的结构与构成。

2〕、掌握液位、压力传感器的使用方法。

3〕、掌握实验装置的根本操作与变送器仪表的调整方法。

二、实验设备
TKGK-1型过程控制实验装置：沟通变频器GK-07-2
直流调速器GK-06
PID调理器GK-04
2)万用表
三、实验装置的结构框图
图1-1、液位、压力、流量控制系统的结构框图
四、实验内容
1、设备组装与检查：
1〕、将GK-07-2、GK-06、GK-04挂件由左至右挨次挂于实验屏上。

并
将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中。

2〕、检查挂件的电源开关能否封闭。

3〕、用万用表检查挂件的电源保险丝能否完满。

2、系统接线
1〕、直流局部：将一台GK04的PID调理器的自动/手动切换开关拨到“手动〞地点，并将其“输出〞接GK06的控制电压“输入〞；GK06的“电枢电压〞和“励磁电压〞输出端分别接
GK01的直流他励电动机的“电枢电压〞和“励磁电压〞输入端。

2〕、沟通局部：将另一台GK04的PID调理器的自动/手动切换开关拨到“手动〞地点，并将其“输出〞端接GK-07-2变频器的“2〞与“5〞接线端；将GK-07-2变频器的输出“A、B、C〞接GK-01上三相异步电机的“A、B、C〞输入端；将三相异步电机接成三角形，即“A〞接“Z〞、“B〞接“X〞、“C〞接“Y〞；GK-07-2的“SD〞接“STR〞使电机正转取水，〔假定此时电机为反转那么“SD〞接“STF〞〕。

3、启动实验装置：
1〕、将实验装置电源插头接到~220V市电电源。

2〕、打开电源空气开关与电源总钥匙开关。

3〕、按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源，沟通电压表指示220V。

4、仪表调整：〔仪表的零位与增益调理〕
在GK-02装置结构展现屏的左边，有五组传感器检测信号输出：LT1、PT、LT2、FT、TT〔输出标准信号 DC0~5V〕，它们旁边分别设有数字显示器，以显示相应的
输出值。

在LT1、PT、LT2数字显示器的右侧各有二个电位器，可经过这些电位器调整相应传感器的零位和增益，在每次实验进行以前，一定作好这些准备工作。

调试步骤以下：
1)、将三根?6的橡皮导气管〔约长〕的一端分别竖直地插入上、下水箱
底部〔上水箱两根，下水箱一根〕，再将它们的另一端接到三个差压传感器
MPX2021DP〕的正压室。

2〕、打开阀1、阀3，封闭阀7、阀8，〔或许打开阀7、阀8，封闭阀1、阀3〕
封闭阀2、阀4、阀5、阀6，而后开启变频器〔或直流调速器〕，启动一个齿轮泵，给上、下水箱供水，使其液面均上涨至10cm高度，封闭变频器〔或直流调速器〕。

3〕、将各增益调理电位器置于中间地点，而后调理零位调理电位器，使LT1
两头的输出电压为 3.33V(显示器显示10.00)，LT2两头的输出电压为 3.33V(显示器显示10.00)，PT两头的输出电压为〔显示器显示980〕。

4〕、零位调理
a、打开阀2、阀4，排空上、下水箱中的水，封闭阀2、阀4。

b、调理“零位调理〞电位器，使LT1、LT2和PT输出为零伏，显示器显
示为。

注：稳固几分钟后进入下一步。

5〕、开始增益调理：
a、启动齿轮泵，使上、下水箱水位上涨至于 10cm高度，而后再封闭齿轮
泵。

b、调理“增益调理〞电位器，使LT1、LT2显示器显示，Pa显示
器显示980Pa。

6〕、重复实验步骤4、5，频频调整零位和增益，使上、下水箱水位为零时，LT1、LT2、PT输出都为0V〔显示器显示〕；上、下水箱水位上涨至于10cm高度时，
LT1两头的输出电压为3.33V(显示器显示10.00)，LT2两头的输出电压为3.33V(显示器显示10.00)，PT两头的输出电压为〔显示器显示980〕。

湖南工业职业技术学院教课设计
教研室主任〔署名〕备课日期2005年9月24日讲课班级电气S03-3、4班电气S03-1、2班
礼拜11
讲课日期
周
55
课题
过程控制参数丈量仪表
教课准备
看书
写教课设计
教课目标
与要求
掌握温度丈量仪表的原理和使用
掌握湿度丈量仪表的原理和使用
讲课方式
讲解
教课过程〔检查复习，教授听课，牢固复习，讲堂小结，安排作业〕
教授听课
讲堂小结
第二章过程控制参数丈量仪表
第一节温度丈量仪表
一、概括
温度是供热、供燃气、通风和空调系统中最广泛而重要的参数之一，很多工艺
过程要在必定温度条件下才能顺利进行。

选择某一个物体和被测物体相接触来丈量它的温度。

当二者抵达热均衡时，通
过丈量被选物体随温度变化的物理量，能够定量地测出被测物体的温度数值。

1．温标
2．温度丈量仪表的分类
可分为膨胀式、压力表式、热电阻、热电偶及辐射式五类。

二、膨胀式温度计
1．玻璃管液体温度计
2．固体膨胀式温度计
3．压力式温度计
三、热电偶温度计
1．热电偶测温原理
热电偶是应用最宽泛的一种测温元件，往常与显示仪表和连结导线构成测温系统。

热电偶将被测温度t变换成热电动势E，经连结导线传达给显示仪表进行丈量
并指示或记录出相应的温度。

假如使自由端温度恒定，回路总的热电动势与工作端温度成单值函数关系。

只
要用仪表测出电动势，便可求出被测温度。

2．常用热电偶
标准热电偶：七种。

3．热电偶结构
4．热电偶的冷端温度赔偿
四、热电阻温度计
1．热电阻测温原理
2．常用金属热电阻
3．半导体热敏电阻
五、温度丈量仪表的选择与安装
湖南工业职业技术学院教课设计
教研室主任〔署名〕备课日期2005年9月30日讲课班级电气S03-3、4班电气S03-1、2班
礼拜55
讲课日期
6,87,10
周
课题
单容水箱液位控制
教课准备
看书
写教课设计
教课目标
与要求
掌握P、PI和PID调理器的参数变化对系统性能的影响讲课方式
讲解
教课过程〔检查复习，教授听课，牢固复习，讲堂小结，安排作业〕
教授听课
讲堂小结
单容水箱液位PID控制系统
一、实验目的
1〕、经过实验熟习单回路反应控制系统的构成和工作原理。

2〕、研究系统分别用P、PI和PID调理器时的阶跃响应。

3〕、研究系统分别用P、PI和PID调理器时的抗扰动作用。

4〕、定性地剖析P、PI和PID调理器的参数变化对系统性能的影响。

二、实验设备
1〕、THGK-1型过程控制实验装置：
GK-04 GK-06 GK-07-2
2〕、万用表一只
3〕、秒表一只
4〕、计算机系统
三、实验原理
1、单容水箱液位控制系统
图6-1、单容水箱液位控制系统的方块图
图6-1为单容水箱液位控制系统。

这是一个单回路反应控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；减小或除去来自系统内部或外面扰动的影响。

单回路控制系统因为结构简单、投资省、操作方便、且能知足一般生产过程
的要求，故它在过程控制中获取宽泛地应
用。

当一个单回路系统设计安装就绪之
后，控制质量的利害与控制器参数的选择
有着很大的关系。

适合的控制参数，能够
带来满意的控制成效。

反之，控制器参数
选择得不适合，那么会致使控制质量变坏，甚
至使系统不可以正常工作。

所以，当一个单
回路系统构成此后，怎样整定好控制器的
参数是一个很重要的实质问题。

一个控制
系统设计好此后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

系统由本来的手动操
作切换到自动操作时，一定为无扰动，这就要求调理器的输出量能及时地追踪手动
的输出值，并且在切换时应使丈量值与给定值无偏差存在。

一般言之，用比率〔P〕调理器的系统是一个有差系统，比率度δ的大小不单会影响
到余差的大小，并且也与系统的动向性能亲密有关。

比率积
分〔PI〕调理器，因为
积分的作用，不单能实现系统无余差，并且只需参数δ，Ti选择合理，也能使系统
.
T(c
)
2
拥有优秀的动向性能。

3
1
ess 比率积分微分〔PID〕调理器
是在PI调理器的根基上再引1
入微分D的作用，从而使系
t(s)统既无余差存在，又能改良图6-3、P、PI和PID调理的阶跃响应曲线系统的动向性能〔快速性、稳固性等〕。

在单位阶跃作用下，P、PI、PID调理系统的阶跃响应分别如图6-3中的曲线①、②、③所示。

四、实验内容与步骤
〔一〕、比率〔P〕调理器控制
1〕、按图6-1所示，将系统接成单回路反应系统〔接线参如实验一〕。

此中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度h1。

2〕、启动工艺流程并开启有关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。

3〕、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过
程曲线作好准备。

4〕、在开环状态下，利用调理器的手动操作开关把被控制量“手动〞调到等于给定
值〔一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处〕。

5〕、察看计算机显示屏上的曲线，待被调参数根本抵达给定值后，即可将调理器切换到纯比率自动工作状态〔积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关〞的地点，比率度设置于某一中间值，“正-反〞开关拔到“反〞的地点，调理器的“手动〞开关拨到“自动〞地点〕，让系统投入闭环运转。

6〕、待系统稳固后，对系统加扰动信号〔在纯比率的根基上加扰动，一般可经过改
变设定值实现〕。

记录曲线在经过几次颠簸稳固下来后，系统有稳态偏差，并记录余
差大小。

7〕、减小δ，重复步骤6，察看过渡过程曲线，并记录余差大小。

8〕、增大δ，重复步骤6，察看过渡过程曲线，并记录余差大小。

9〕、选择适合的δ值就能够获取比较满意的过程控制曲线。

10〕、注意：每当成完一次试验后，一定待系统稳固后再做另一次试验。

〔二〕、比率积分调理器〔PI〕控制
1〕、在比率调理实验的根基上，参加积分作用〔即把积分器“I〞由最大处“关〞旋
至中间某一地点，并把积分开关置于“开〞的地点〕，察看被控制量能否能回到设定
值，以考证在PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。

2〕、固定比率度δ值〔中等大小〕，改变PI调理器的积分时间常数值Ti，而后察看
加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不一样Ti值时的超调量σp。

表二、δ值不变、不一样Ti时的超调量σp
积分时间常数Ti 大中小
超调量σp
3〕、固定积分时间Ti于某一中间值，而后改变δ的大小，察看加扰动后被调量输出的动向波形，并列表记录不一样δ值下的超调量σp。

表三、Ti值不变、不一样δ值下的σp
比率度δ大中小
超调量σp
4〕、选择适合的δ和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡
过程曲线。

此曲线可经过改变设定值〔如设定值由50%变为60%〕来获取。

〔三〕、比率积分微分调理〔PID〕控制
1〕、在PI调理器控制实验的根基上，再引入适当的微分作用，即把D打开。

而后加
上与前面实验幅值完好相等的扰动，记录系统被控制量响应的动向曲线，并与实验
步骤〔二〕所得的曲线对比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。

2〕、选择适合的δ、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线〔阶
跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现〕。

3〕、用计算机记录实验时所有的过渡过程及时曲线，并进行剖析。

五、实验报告要求
1〕、绘制单容水箱液位控制系统的方块图。

2〕、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并表达无扰动切换的方法。

3〕、P调理时，作出不一样δ值下的阶跃响应曲线。

4〕、PI调理时，分别作出Ti不变、不一样δ值时的阶跃响应曲线和δ不变、不一样Ti 值时的阶跃响应曲线。

5〕、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并剖析微分D的作用。

6〕、比较P、PI和PID三种调理器对系统余差和动向性能的影响。

六、本卷须知
1〕、实验线路接好后，一定经指导老师检查认同前面可接通电源。

2〕、一定在老师的指导下，启动计算机系统和单片机控制屏。

3〕、假定参数设置不妥，可能致使系统失控，不可以抵达设定值。

湖南工业职业技术学院教课设计
教研室主任〔署名〕备课日期2005年10月30日讲课班级电气S03-3、4班电气S03-1、2班
礼拜11
讲课日期
1010
周
课题
简单控制系统的设计
教课准备
看书
写教课设计
教课目标
与要求
掌握简单控制系统参数的设置
讲课方式
讲解
教课过程〔检查复习，教授听课，牢固复习，讲堂小结，安排作业〕
教授听课
讲堂小结
第四节简单控制系统的设计
简单控制系统由被控对象、检测变送元件、调理器和履行器等环节构成，是对被控变量进
行控制的单回路反应闭环控制系统。

其结构简单、投资少、易于调整和投运，能知足一般工业
生产过程的控制要求。

简单控制系统剖析、设计方法是其余各种控制系统剖析和设计的根基。

在选择控制方案时，只有当简单控制系统不可以知足控制要求时，才考虑采纳其余教复杂的控制方案。

一、过程控制系统设计概括
第一要确立控制过程，而后才进行系统设计。

控制过程是由工艺决定的，一定联合过程特
征的剖析，明确被控变量、操控变量及主要扰动。

控制系统设计时，从设计任务的提出到系统投入运转，一般都要经过从理论设计到实践，
再依据实践修正设计方案的频频频频。

1．过程控制系统设计的主要内容
．控制方案的设计
包含带控制点的工艺流程图、设计说明书。

带控制点的工艺流程图是描绘
生产过程控制系统的图纸文件。

在工艺流程图上反应出被控变量、丈量点的位
置和控制手段的实现方法，以及各个控制系统互相之间的关系。

设计说明书包
括设计指导思想、工艺流程和环境特色、自动化水平易控制方案的确定、安全
技术举措等内容。

B．工程设计
包含仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电系统设计、信号及连锁保护系统设计。

工程设计时要联合实质经济状况、从简单、适用出发。

C．工程安装和仪表调校
过程控制系统中，仪表和电气设备的安装、信号线路的连结一定正确。

D．调理器参数整定
一定将调理器参数整定适合，保证系统运转在最正确状态。

2．过程控制系统设计步骤
．成立系统的数学模型
被控过程的数学模型是过程控制系统设计的根基。

B．选择控制方案
C．成立系统框图
D．进行系统静态、动向特征剖析计算
E．实验和仿真
二、控制方案设计
1．被控变量的选择
2．操控变量的选择
控制通道特征对控制质量的影响：
A．放大系数K0的影响
B．时间常数T0的影响
C．纯滞后的影响
操控变量选择的原那么：
A．操控变量应是控制通道的放大系数K0教大者。

B．应使扰动通道的时间常数越大越好，而控制通道的时间常数适合小一些。

C．控制通道纯滞后的时间越小越好。

D．须考虑工艺上的合理和方便。

3．检测变送环节对控制系统的影响
检测元件及变送器在控制系统中是丈量结果获取和传递的重要环节。

4．控制器调理作用的选择
．控制规律的选择
主要依据过程特征和要求来选择：位式控制、比率控制、比率积分控制、
比率微分控制、比率积分微分控制。

B．调理器作用方向
三、调理器参数的工艺整定
简单控制系统能够看作由广义过程和控制器所构成。

调理器参数整定主要有理论整定法和工程整定法。

1．经验法
第一把比率作带确立，待过渡过程根本稳固，再参加积分作用除去静差，最后参加微分作用提升控制质量。

大概步骤为：
A．在TI=无量大、TD=0时，比率适合时投入运转。

B．曲线震荡屡次，那么减少比率度；否那么增大比率度。

C．参加积分作用。

D．参加微分作用。

2．衰减曲线法
3．邻界比率度法
湖南工业职业技术学院教课设计
教研室主任〔署名〕备课日期2005年11月05日讲课班级电气S03-3、4班电气S03-1、2班
礼拜11
讲课日期
1111
周
课题
计算机在过程控制中的应用
教课准备
看书
写教课设计
教课目标
与要求
认识计算机在过程控制中的技术
讲课方式
讲解
教课过程〔检查复习，教授听课，牢固复习，讲堂小结，安排作业〕
教授听课
讲堂小结
第五章计算机在过程控制中的应用
计算机在过程控制中肩负控制系统中控制器〔调理器〕的任务，实现全天候地对生产中的各样参数，如温度、压力、流量、液位等进行采样，快速进行复杂的数据办理、打印和显示生产工艺过程的统计数据和参数，输出各样控制命令。

一、过程控制系统设计概括
第一要确立控制过程，而后才进行系统设计。

控制过程是由工艺决定的，一定联合过程特征的剖析，明确被控变量、操控变量及主要扰动。

控制系统设计时，从设计任务的提出到系统投入运转，一般都要经过从理论设计到实践，再依据实践修正设计方案的频频频频。

3．过程控制系统设计的主要内容
．控制方案的设计
包含带控制点的工艺流程图、设计说明书。

带控制点的工艺流程图是描绘
生产过程控制系统的图纸文件。

在工艺流程图上反应出被控变量、丈量点的位
置和控制手段的实现方法，以及各个控制系统互相之间的关系。

设计说明书包
括设计指导思想、工艺流程和环境特色、自动化水平易控制方案的确定、安全
技术举措等内容。

B．工程设计
包含仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电系统设计、信号及连锁保护系统设计。

工程设计时要联合实质经济状况、从简单、适用出发。

C．工程安装和仪表调校
过程控制系统中，仪表和电气设备的安装、信号线路的连结一定正确。

D．调理器参数整定
一定将调理器参数整定适合，保证系统运转在最正确状态。

4．过程控制系统设计步骤
．成立系统的数学模型
被控过程的数学模型是过程控制系统设计的根基。

B．选择控制方案
C．成立系统框图
D．进行系统静态、动向特征剖析计算
E．实验和仿真
二、控制方案设计
5．被控变量的选择
6．操控变量的选择
控制通道特征对控制质量的影响：
A．放大系数K0的影响
B．时间常数T0的影响
C．纯滞后的影响
操控变量选择的原那么：
A．操控变量应是控制通道的放大系数K0教大者。

B．应使扰动通道的时间常数越大越好，而控制通道的时间常数适合小一些。

C．控制通道纯滞后的时间越小越好。

D．须考虑工艺上的合理和方便。

7．检测变送环节对控制系统的影响
检测元件及变送器在控制系统中是丈量结果获取和传递的重要环节。

8．控制器调理作用的选择
．控制规律的选择
主要依据过程特征和要求来选择：位式控制、比率控制、比率积分控制、
比率微分控制、比率积分微分控制。

B．调理器作用方向
三、调理器参数的工艺整定
简单控制系统能够看作由广义过程和控制器所构成。

调理器参数整定主要有理论整定法和工程整定法。

4．经验法
第一把比率作带确立，待过渡过程根本稳固，再参加积分作用除去静差，最后参加微分作用提升控制质量。

大概步骤为：
A．在TI=无量大、TD=0时，比率适合时投入运转。

B．曲线震荡屡次，那么减少比率度；否那么增大比率度。

C．参加积分作用。

D．参加微分作用。

5．衰减曲线法
6．邻界比率度法
湖南工业职业技术学院教课设计
教研室主任〔署名〕备课日期2005年11月8日讲课班级电气S03-3、4班电气S03-1、2班
礼拜55
讲课日期
11,1312,14
周
课题
单片机PID控制
教课准备
看书
写教课设计
教课目标
与要求
认识单片机与上位机的通信过程
讲课方式
讲解
教课过程〔检查复习，教授听课，牢固复习，讲堂小结，安排作业〕
教授听课
讲堂小结。