课程名称 过程控制工程 讲新课 型 (串级控制基本原理 特点) 教师姓名 授课学时 1学时(50分钟) 上次课程内容复习：单回路控制系统组成等。 第 一音 串级控制系统 2.1 概述 教学内容 问题的提出 基本原理 控制系统方块图 工作过程、特点 教学目的 使学生通过学习本节内容，了解串级控制系统的结构、基本原理和特 点。 教学重点 串级控制系统的工作原理和特点 难点： 】不同干扰来源下串级控制的工作原理 教学难点 2.用控制原理的知识应用来分析串级控制系统的特点 策略： 及相应的 1.从实践中的需要提出问题（兰州炼油厂实例）： 教学策略 2.通过板书和学生互动，启发得出串级控制的基木原理和方块图： 探究式授法、百动法（提问）.溶示法（多体) 教学方法 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合
课程名称 过程控制工程 课 型 讲新课 （串级控制基本原理、 特点） 教师姓名 授课学时 1 学时（50 分钟） 教学内容 上次课程内容复习：单回路控制系统组成等。 第二章 串级控制系统 2.1 概述 问题的提出 基本原理 控制系统方块图 工作过程、特点 教学目的 使学生通过学习本节内容，了解串级控制系统的结构、基本原理和特 点。 教学重点 串级控制系统的工作原理和特点 教学难点 及相应的 教学策略 难点： 1. 不同干扰来源下串级控制的工作原理； 2. 用控制原理的知识应用来分析串级控制系统的特点。 策略： 1.从实践中的需要提出问题（兰州炼油厂实例）； 2.通过板书和学生互动，启发得出串级控制的基本原理和方块图； 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合
时 教堂方法、 分配 教学过程 手段 第二章 串级控制系统 回顾：1.单回路控制系统的基本组成 及工作原理 ●单回路控制系统包括娜些基本环节？以 液位控制系统为例： 控制器日 控制阀 一被制对到 探究式 讲授法 测量变进 钟 被控变量的选择原则：4个 ●操纵变量的选择原则：6个 ●控制阀的选择原则： 2.干扰通道和控制通道中各参数的影咆 (1)比例增益：(2)时间常数：(3)纯滞后时间 2.1概述 问题的提出 单回路控制系统在实际生产中的应用情况，以乙烯生产厂为例： 它共有421个控制回路 其中：常规PD单回路 347个，串级、比值等74个（串级24） 单回路控制系统一简单控制系统：在 般情况下能够满足生产控制要求，但 探究式 是在一些特殊情况，如系统干扰因素多 干扰变化剧烈，以及工艺特殊要求时， 讲送 需要求助于复杂系统，如串级系统，比值系统，均匀系统，前馈系统 如，在精馏控制过程提馏段温度控制中，一般是通过控制再沸器加热蒸汽量提问：根据 来维持提馏段温度恒定。但是，如果加热蒸汽压力也经常波动，则该控制系统无我们已经学 法很好的进行控制。 过的内容， 这种方案不合适的原因：第 如何解决这 这两套系统相互关联，会使两个系纷 一问题？ 都无法工作。两套控制系统就“打架 了，结果哪一套系统都不能正常运行 提问：这种 第二，我们的目的是维持提馏段温度 方法是否可 从而保证塔底产品质量， 的大小是允许改变的，至于何时变何 多媒体 时不变，以及变化多少，要由温度控 演示法 制的需要而定。 在上述分析的基础上，将两个控制阀合为一个，用温度控制器的输出作为流量 制器的给定值，而用后者的输出去控制控制阀。这样就构成了一种新的控制形式， 即所谓串级控制系统
- 1 - 控制器 控制阀 被制对象 测量变送 时间 分配 教学过程 教学方法、 手段 课 程 导 入 5 分 钟 第二章 串级控制系统 回顾： 1. 单回路控制系统的基本组成 及工作原理 ● 单回路控制系统包括哪些基本环节？以 液位控制系统为例： ● 被控变量的选择原则：4 个 ● 操纵变量的选择原则：6 个 ● 控制阀的选择原则： 2. 干扰通道和控制通道中各参数的影响 （1）比例增益；（2）时间常数；（3）纯滞后时间 探究式 讲授法 提 出 问 题 10 分 钟 2．1 概述 问题的提出 单回路控制系统在实际生产中的应用情况，以乙烯生产厂为例： 它共有 421 个控制回路 其中：常规 PID 单回路 347 个，串级、比值等 74 个（串级 24） 单回路控制系统—简单控制系统：在一般情况下能够满足生产控制要求，但 是在一些特殊情况，如系统干扰因素多、干扰变化剧烈，以及工艺特殊要求时， 需要求助于复杂系统，如串级系统，比值系统，均匀系统，前馈系统… 如，在精馏控制过程提馏段温度控制中，一般是通过控制再沸器加热蒸汽量 来维持提馏段温度恒定。但是，如果加热蒸汽压力也经常波动，则该控制系统无 法很好的进行控制。 这种方案不合适的原因：第一， 这两套系统相互关联，会使两个系统 都无法工作。两套控制系统就“打架” 了，结果哪一套系统都不能正常运行。 第二，我们的目的是维持提馏段温度 的稳定，从而保证塔底产品质量，而 维持蒸汽量恒定却并不是目的，流量 的大小是允许改变的，至于何时变何 时不变，以及变化多少，要由温度控 制的需要而定。 在上述分析的基础上，将两个控制阀合为一个，用温度控制器的输出作为流量控 制器的给定值，而用后者的输出去控制控制阀。这样就构成了一种新的控制形式， 即所谓串级控制系统。 探究式 讲授法 提问：根据 我们已经学 过的内容， 如何解决这 一问题？ 提问：这种 方法是否可 行？ 多媒体 演示法 LC FC TC
基本原理】 串级控制系统有两个环路：一个内环和 基 个外环。习惯上称内环为副环，外环为主 探究式 环 本 处于副环内的控制器、对象和变送器分 讲授法 别称副控制器、副对象和副变送器。副对象 的输出称刷被控变量，简称剧变量。处于主 环内的控制器、对象和变送器分别称主控制」 多媒体 士对和士变送哭 主对象的输出称主 演示法 被控变量，简称主变量 该串级控制系统的方块图如下图所示： 板书、 →？→主控制器→？→脚控制图+控制阀→对象主对象 互动法 副测量变送器、 主测量变送器， 提示：偏差 工作过程 的定义 下面可在上述例子的基础上分析扰动情况下该系统的工作原理，一般情况下 可分为以下几种情况： 第一种情况：干扰来自副环 假如某 一时刻开始燕汽流量突然增大了，在这一干扰作用下必然会导致提馆 假如某一时 段温度的上升，然而由于再沸器和塔釜部分都具有二定的容量，对干扰的响应具 刻开始蒸汽 有滞后，就是说蒸汽流量的变化导致提馏段温度的改变需要经过一段时间，因而 流量突妖增 洱度控制婴的信差信号仍然为零，这样温度控制器的输出暂时也不会变。可是几 大了，此时 乎就在蒸汽流量改变的同时，流量变送器马上就感受到了，并立即将这一流量增 大的信号送 流量控制器 。对流量控 来说 它所接受的给定信 (由温度拉 最先感受到 制器输出提供)没有变，但是测量信号增大了，因此它感受到的是正偏差， 偏差？ 流量控制器是反作用的，它的输出将减小，又由于控制阀是气开式的，因此控制 阀就要关小些，这样就将增大了的蒸汽流量拉了下来。显然，由于流量控制器控 计 生制的结果，将会大大削丽蒸汽流量变化对提瘤段温度的影响。随着时间的增长 摄问。 蒸汽流量增大的影响最终慢慢会在提馏段温度上反映出来，于是提馏段温度 到环动作之 慢地升高（不过这时温度变化的幅度比没省流量控制时要小得多）。随着温度的 后，主环如 升，温度控制器呈现正偏差，由于温度控制器为反作用，它的输出将减小，这样 何动作？ 流量控制器的给定值将下降，促使流量控制器对蒸汽流量进一步进行调整。此 过程一直进行到提馏段温度重新回到给定值时为止。这时控制阀将处于一个新的 开度上。 提问： 进料量增大 第二种情况：干扰来自主环。 的情况下， 假定从某一个时刻开始，进料量突然增大了。在这一干扰作用下，首先塔釜液位 B个制器 会上升，当加热蒸汽暂时还没变的情况下，提馏段温度将会下降。这样，对温度 最先成受到 控制器来说，它所感受到的是负偏差，于是它的输出将增大，也就是说流量控制 偏美？主 器的给定值增大 然而它的测量值暂时还没有变。 于是流量控制器则感受到句 控制器如何 偏差，流量控制器的输出将增大。随着流量控制器输出的增大，控制阀的开度也 动作？ 将增大，进入再沸器的蒸汽量将增多，提馏段的温度将慢慢回升，直到重新回到 给定值时为止。 2
- 2 - 基 本 原 理 8 分 钟 控 制 系 统 工 作 过 程 分 析 25 分 钟 基本原理 串级控制系统有两个环路：一个内环和 一个外环。习惯上称内环为副环，外环为主 环。处于副环内的控制器、对象和变送器分 别称副控制器、副对象和副变送器。副对象 的输出称副被控变量，简称副变量。处于主 环内的控制器、对象和变送器分别称主控制 器、主对象和主变送器。主对象的输出称主 被控变量，简称主变量。 该串级控制系统的方块图如下图所示： 工作过程 下面可在上述例子的基础上分析扰动情况下该系统的工作原理，一般情况下 可分为以下几种情况： 第一种情况：干扰来自副环 假如某一时刻开始蒸汽流量突然增大了，在这—干扰作用下必然会导致提馏 段温度的上升，然而由于再沸器和塔釜部分都具有二定的容量，对干扰的响应具 有滞后，就是说蒸汽流量的变化导致提馏段温度的改变需要经过一段时间，因而 温度控制器的偏差信号仍然为零，这样温度控制器的输出暂时也不会变。可是几 乎就在蒸汽流量改变的同时，流量变送器马上就感受到了，并立即将这一流量增 大的信号送给流量控制器。对流量控制器来说，它所接受的给定信号(由温度控 制器输出提供)没有变，但是测量信号增大了，因此它感受到的是正偏差，由于 流量控制器是反作用的，它的输出将减小，又由于控制阀是气开式的，因此控制 阀就要关小些，这样就将增大了的蒸汽流量拉了下来。显然，由于流量控制器控 制的结果，将会大大削弱蒸汽流量变化对提馏段温度的影响。随着时间的增长、 蒸汽流量增大的影响最终慢慢会在提馏段温度上反映出来，于是提馏段温度会慢 慢地升高(不过这时温度变化的幅度比没省流量控制时要小得多)。随着温度的上 升，温度控制器呈现正偏差，由于温度控制器为反作用，它的输出将减小，这样 流量控制器的给定值将下降，促使流量控制器对蒸汽流量进一步进行调整。此一 过程一直进行到提馏段温度重新回到给定值时为止。这时控制阀将处于一个新的 开度上。 第二种情况：干扰来自主环。 假定从某一个时刻开始，进料量突然增大了。在这一干扰作用下，首先塔釜液位 会上升，当加热蒸汽暂时还没变的情况下，提馏段温度将会下降。这样，对温度 控制器来说，它所感受到的是负偏差，于是它的输出将增大，也就是说流量控制 器的给定值增大了，然而它的测量值暂时还没有变，于是流量控制器则感受到负 偏差，流量控制器的输出将增大。随着流量控制器输出的增大，控制阀的开度也 将增大，进入再沸器的蒸汽量将增多，提馏段的温度将慢慢回升，直到重新回到 给定值时为止。 探究式 讲授法 多媒体 演示法 板书、 互动法 提示：偏差 的定义 提问： 假如某一时 刻开始蒸汽 流量突然增 大了，此时 哪个控制器 最先感受到 偏差？ 提问： 副环动作之 后，主环如 何动作？ 提问： 进料量增大 的情况下， 那个控制器 最先感受到 偏差？主副 控制器如何 动作？ FC TC 主控制器 副控制器 控制阀 副对象 主对象 副测量变送器 主测量变送器 PC
第三种情况：主环和副环同时有干扰 探究式 可分成两种情形来考虑。 讲授法 副环干扰使蒸汽量增大，而主环干扰使提馏段温度降低： 当主环干扰使提馏段温度降低时，温度控制器感受到的是负偏差，因此 提问：控制 它的输出将增大，也就是说流最控制器的给定值将增大，与此同时流量控制 器给定值和 器的测量值也增大了。由于此时流量控制的测量值和给定值都在同时增大， 测量值同时 其偏美信号的大小和符号苦要由这两者增大的数估来决定：加里两者增大的 改变的情 数值相等，则偏差仍等于零，流量控制器的输出将维持原来的大小 如何动 此控制阀也维持在原有开度不变；如果给定值增大的数值大，则呈负偏差， 作 流量控制器的输出将增大，控制阀的开度将增加：如果给定值增加得少，则 呈正偏差，流量控制器输出将减小。控制阀将关小。 二、 副环干扰使蒸汽量增大，而主环干就知使银馏段源度升高 在主环干扰作用下，提馏段温度升高了。温度控制器感受到的是正偏差 控 因此，它的输出将下降，也就是说流最控制器的给定值在降低。 与此同时 副环干扰使蒸汽流量增大，流量控制器的测量值将增大。将主、副环干扰纷 合起来考虑，这时流量控制器将感受到比较大的正偏差输入信号。于是它将 入 大幅度地关小控制阀门 多媒体 理论分析： 演示法 过 Goz(s)= G(s) 1+Gp(s)Gm(s)Gc:(s)Gr(s)1+Tos T 其中，K=1+KcK,KmK Te-1+KcaK: 在串级控制系统中以一个时间常数和放大倍数都缩小了的等效副对象代 了原来的副对象，可使系统的控制质量获得提高。 结论： 串级控制方案且有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回 路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路 控制系统好 而且串级控制系统利用 一般常规仪表就能够实现 比较方便 所以，串级控制是一种易于实现且效果又较好的一种控制方法。 提问：控制 系结分折中 偏差的定义 是什么？ (复习定义 以便确定控 制器正、反 作用) 小结 1总结本次课所讲的主要内容。 2布置课后练习及下节课预习任务。 探究式 课后练习： 讲授法 预习：
- 3 - 控 制 系 统 工 作 过 程 分 析 25 分 钟 第三种情况：主环和副环同时有干扰 可分成两种情形来考虑。 一、 副环干扰使蒸汽量增大，而主环干扰使提馏段温度降低； 当主环干扰使提馏段温度降低时，温度控制器感受到的是负偏差，因此 它的输出将增大，也就是说流量控制器的给定值将增大，与此同时流量控制 器的测量值也增大了。由于此时流量控制的测量值和给定值都在同时增大， 其偏差信号的大小和符号就要由这两者增大的数值来决定：如果两者增大的 数值相等，则偏差仍等于零，流量控制器的输出将维持原来的大小不变，因 此控制阀也维持在原有开度不变；如果给定值增大的数值大，则呈负偏差， 流量控制器的输出将增大，控制阀的开度将增加；如果给定值增加得少，则 呈正偏差，流量控制器输出将减小。控制阀将关小。 二、 副环干扰使蒸汽量增大，而主环干扰却使提馏段温度升高。 在主环干扰作用下，提馏段温度升高了。温度控制器感受到的是正偏差， 因此，它的输出将下降，也就是说流量控制器的给定值在降低。与此同时； 副环干扰使蒸汽流量增大，流量控制器的测量值将增大。将主、副环干扰综 合起来考虑，这时流量控制器将感受到比较大的正偏差输入信号。于是它将 大幅度地关小控制阀门。 理论分析： 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 02 2 2 ' 02 02 G s G s G s G s G s G s + m C V = T s K ' 02 ' 02 1+ = 其中， 2 02 2 ' 02 02 1 KC KV K K m K K + = 2 02 2 ' 02 02 1 KC KV K K m T T + = 在串级控制系统中以一个时间常数和放大倍数都缩小了的等效副对象代替 了原来的副对象，可使系统的控制质量获得提高。 结论： 串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回 路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路 控制系统好，而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现，比较方便。 所以，串级控制是一种易于实现且效果又较好的一种控制方法。 探究式 讲授法 提问：控制 器给定值和 测量值同时 改变的情况 下，如何动 作？ 多媒体 演示法 自问自 答形式 提问：控制 系统分析中 偏差的定义 是什么？ （复习定义 以便确定控 制器正、反 作用） 小结 2 分 钟 1.总结本次课所讲的主要内容。 2.布置课后练习及下节课预习任务。 课后练习： 预习： 探究式 讲授法
课程名称 过程控制工程 讲新课 课 型 (串级控制系统的实 施) 教师姓名 授课学时 1学时(50分钟) 22串级控制系统的实施 实施前要考虑的儿个问恩 教学内容 刷控制器控制规律的选 主、副控制器正反作用的选择 串级与主控的切换条件 思考与结论 使学生通过学习本节内容，了解串级控制系统的设计、分析和评价方 教学目的 法， 并能够进行串级控制系统的副回路设计 教学重点 串级控制系统的设计实施， 难点：串级控制系统的设计实施 教学难点 策略： 及相应的 通过石油化工的应用实例说明串级控制系统的具体运用，将控制原理 与单元操作基本知识结合起来。 教学策略 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 教学方法 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合
- 4 - 课程名称 过程控制工程 课 型 讲新课 （串级控制系统的实 施） 教师姓名 授课学时 1 学时（50 分钟） 教学内容 2.2 串级控制系统的实施 实施前要考虑的几个问题 主、副控制器控制规律的选择 主、副控制器正反作用的选择 串级与主控的切换条件 思考与结论 教学目的 使学生通过学习本节内容，了解串级控制系统的设计、分析和评价方 法，并能够进行串级控制系统的副回路设计。 教学重点 串级控制系统的设计实施。 教学难点 及相应的 教学策略 难点：串级控制系统的设计实施 策略： 通过石油化工的应用实例说明串级控制系统的具体运用，将控制原理 与单元操作基本知识结合起来。 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合