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湖州职业技术学院《过程控制与自动化仪表》教案讲说人：高志宏机电工程分院2006年12月本次课标题：1）课程导引；2）锅炉液位定值控制方案授课班级上课时间周月日第节上课地点过程控制实验室周月日第节教学目的用控制理论组成合理的液位定值控制系统。教学目标能力（技能）目标知识目标1、能正确分析单回路控制原理，并正确应用。2、能绘制规范的控制系统结构图和方框图。1、掌握单回路反馈控制原理。2、熟悉常用仪表的图形符号表示方法。重点难点及解决方法重点：单回路反馈控制原理、系统结构图和方框图。难点：反馈控制原理的合理应用。解决办法：采用对比法——以人工控制液位的方法，引出单回路控制原理，并对比分析各部分功能；在控制实现的难点解决采用——理论分析、结合实物系统加以分析与说明。参考资料[1]高志宏主编，《过程控制与自动化仪表》，浙江大学出版社，2006年[2]厉玉鸣主编，《化工仪表及自动化》，化学工业出版社，2004年.[3]王森等主编，《仪表工试题集》，化学工业出版社，2003年第二版.[4]解怀仁、杨彬彦主编，《石油化工仪表控制系统选用手册》，北京，中国石化出版，2004年[5]吴勤勤主编，《控制仪表及装置》，化学工业出版社，2002年第二版.课前准备：多媒体课件制作、演示实验设备调试、以4人/小组进行分组。一、感知——自动化技术的神奇（15分钟）1、图片展示利用多媒体展示自动化技术在石油、冶金、化工、机械等行业的应用，以了解自动化技术的神奇与重要性。2、技术说明结合图片教师对断续过程控制（如加工过程自动化、数控技术等）和连续过程控制作及时解释，并说明本课程应用范围属连续过程控制，主要是对温度、压力、流量、物位等参数进行控制。二、明确课程目标与考核方法（30分钟）1、问题提出——拟定电加热锅炉自动控制方案。锅炉是一个产生蒸汽的热能设备，在工业上有极其广泛的应用。由于加热方式的不同其控制方法有一定的差别，但液位控制方法基本相同。图1是电加热锅炉的简易流程图，电加热器加热水产生一定压力的水蒸汽，并通过上部的输汽管供给用户或下一个工序，为了及时补充因蒸发而不断减少的锅炉水量，在锅炉下部用水泵连续的加入冷水。图1电加热锅炉的简易流程图工艺基本要求：1）产生的蒸汽必须压力恒定以满足用户需求；2）由于用户的蒸汽用量经常变化，造成锅炉液位上下变动而导致危险，应采取措施以保证锅炉的运行安全。根据工艺要求，请学生以小组为单位进行讨论，初步拟定一个自动控制方案。2、集体讨论选取1～2个小组，由代表汇报小组讨论后形成的集体意见。3、教师点评、提出教学要求学生积极参与、开动脑筋寻求合理的处理方法的学习精神应充分肯定，但从小组代表的汇报情况，电加热锅炉的自动控制方法还存在许多不足之处，个别小组根本无从下手。电加热锅炉的自动控制，在工业上将其分为二个问题：1）电加热的恒温自动控制；2）液位的定值自动控制。其实现并不难，事实上本课程正是以电加热锅炉自动控制为实例，来介绍过程控制及自动化仪表的应用技术，同学们经过一学期的学习与训练，不仅能掌握电加热锅炉自动控制的实现，同时，基于此能解决工业上常见的自动控制问题。通过本课程学习，使同学们掌握基本的过程控制理论及自动化仪表知识基础上，重点学会——常用仪表的选用与维护、典型控制系统的调试与投运、简单控制系统的开发与实施。整个课程设计一个大的总体项目——电加热锅炉自动控制系统开发与实施。4名同学一组，各组在整个学期学习过程中必须完成基本篇的四个项目——单回路液位控制系统集成与调试、液位流量串级控制系统集成与调试、单回路温度控制系统集成与调试、电加热锅炉恒温供水控制系统的开发与实施。前三个项目属于学习和探索，每次按项目要求通过“教、学、做”一体化的教学方法，完成系统集成与调试任务，主要是熟悉系统组成原理、学会仪表的使用、掌握系统调试方法、验证实验结论。第四个项目为综合实践项目，要求综合应用知识与各种方法，完成电加热锅炉恒温供水控制系统开发与实施，通过组内学生之间的分工与协作，自我分析问题、解决问题，以强化综合应用能力的培养，最后每组集体答辩。提高篇的二个训练项目——基于SLPC可编程调节器的蒸汽流量温压补偿测量、锅炉二冲量控制系统开发。至此，锅炉二冲量实用控制系统的开发与实施已基本完成。改革考核方式（1）对学生实行以能力为中心的开发性项目式考核：第一，考核范围开放，以项目作为主要依据；第二，考核方式开放，以项目在学习过程中进行；第三，考试标准开放，以项目要求作为主要评分标准；第四，考核知识点与技能点全面开放，以项目带动知识点的学习。（2）全程化考核：学习过程的全程化考核，考核内容包括学生平时课堂参与状况、作业完成情况、实践教学的表现等；平时考核、项目考核、期末考试各占总分数的20%、50%、30%。（3）考核形式多样化：包括课堂展现、笔试、口试、现场演示，每一种考核形式都赋予了分数。图2课程项目结构图三、知识学习——确定控制方案（20分钟）确定控制方案是自动控制系统开发的第一步，也是最关键的一步。为此，我们就第一个子项目——锅炉液位定值自动控制的控制方案进行讨论。为了突出液位控制问题、便于分析与实现，对锅炉的工艺流程稍作变动——水从上部（上一个工序）连续不断地流入锅炉中，并经下部管路送出。1、存在问题液位定值控制液位流量控制水温定值控制恒温压供水实践智能PID调节器串级控制简单控制综合控制15课时14课时11课时一周简单控制温压补偿测量锅炉液位控制12课时16课时简单控制前馈反馈可编程调节器提高篇基本篇从流程图可以看出，由于流入量的波动会引起锅炉液位的波动，严重时会溢出或流空。因此，必须采取措施防止锅炉液位的波动。2、解决方法最简单的解决方法是操作人员以锅炉液位为操作指标，以改变进水阀门开度为控制手段。当液位上升时，将进水阀门开小，液位上升越多，阀门开得越小；反之，当液位下降时，就开大出口阀门，液位下降越多，阀门关得越大。通过控制出口阀门开度而使液位保持在这一高度上，这样就不会出现锅炉液位过高或液位过低而出现危险。归纳起来，操作人员所进行的工作有三方面：（1）检测——用眼睛观察玻璃管液位计（测量元件）中液位的高低，并通过神经系统告诉大脑；（2）运算（思考）、命令——大脑根据眼睛看到的液位高度，加以思考，并与要求的液位进行比较，得出偏差的大小和正负，然后根据操作经验，经思考，决策后发出命令；（3）执行——根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变流出量Q，从而把液位保持在所需高度上。眼、脑、手三个器官，分别担负了检测、运算和执行三个任务，来完成测量、求偏差、再控制以纠正偏差的全过程。3、控制方法改进由于人工控制受到生理上的限制，满足不了大型现代化生产的需要，为了提高控制精度和减轻劳动强度，可以用一套自动化装置来代替上述人工操作，这样，就由人工控制变为自动控制了。锅炉和自动化装置一起构成了一个自动控制系统，如图4所示。如果绘制工艺控图3人工液位调节过程制流程图，一般表示成图5的形式，由图可知，自动化装置主要包括三部分。图4液位自动控制图5带控制点的工艺流程图（1）测量元件与变送器——图中以表示液位变送器。它的作用是测量液位，并将液位的高低转化为一种特定的信号（如标准电流信号、标准气压信号、电压等）。（2）自动控制器——图中以表示液位控制器。它接受变送器送来的信号，与工LTLC艺要求的液位高度相比较，得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果，用特定信号（电流或气压）发送出去。（3）执行器——通常指控制阀，它和普通阀门的功能一样，只不过它自动地根据控制器送来的信号值改变阀门的开启度。显然，这套自动化装置具有人工控制中操作人员的眼、脑、手的部分功能。因此，它能完成自动控制贮中液位高低的任务。四、技能提高——控制系统图绘制（20分钟）1、控制系统流程图的规范表示为了表示控制流程图，一般用小圆圈表示某些自动化装置。圈内写有两位（或三位）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能，常用被测变量和仪表功能的字母代号见表6-1。表1被测变量和仪表功能的字母代号字母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能A分析报警C电导率控制（调节）D密度差E电压检测元件F流量比（或分数）I电流批示K时间或时间程序自动-手动操作器L物位M水分或湿度P压力或真空Q数量或件数积分、累积积分、累积R放射性记录或打印S速度或频率安全开关、联锁T温度传送V粘度阀、挡板、百叶窗W力套管Y供选用继动器或计算器Z位置驱动、执行或未分类的终端执行机构2、控制系统方块图的绘制在研究自动控制系统时，为了能更清楚地表示出一个自动控制系统各个组成环节之间的相互影响和信号联系，便于对系统进行分析研究，往往将表示各环节的方块根据信号流的关系排列起来，组成自动控制系统的方块图。图6即是这个液位自动控制系统的方块图。控制器控制阀被控对象测量元件变送器干扰作用f被控变量y控制作用偏差e给定值sz图6液位控制系统方块图图中用到了控制系统中常用的名词术语：（1）被控对象：需要实现控制的设备、机器或生产过程，称为被控对象，这里是锅炉。（2）被控变量y：对象内要求保持设定值（接近恒定值或按预定规律变化）的物理量，称为被控变量，这里是锅炉液位，用y表示。（3）操纵变量：受调节器操纵，用以使被控变量保持设定值（给定值）的物料量或能量，称为操纵变量，这里是锅炉给水。（4）干扰（扰动）：除操纵变量以外，作用于对象并能引起被控变量变化的因素，称为干扰和扰动。负荷变化就是一种典型的扰动，如蒸汽用量的变化对锅炉水位控制是一种典型干扰，常用f表示。（5）设定值（给定值）：被控变量的目标值（预定值），称为设定值，常用S表示。（6）偏差：偏差理论上应该是被控变量的设定值与实际值之差。但是能够直接获取的是被控变量的测量值信号而不是实际值，因此，通常把给定值与测量值之差称作为偏差，常用e表示。五、小结、课后作业布置（5分钟）1）小结——本次课的内容较多，理论性较强。我们以锅炉液位自动控制为实例，分析了单回路控制系统组成原理及各部分功能，核心是反馈控制原理，它是自动控制的精髓，原则上可适用绝大多数的工业控制问题。讲解了仪表的信号制概念和控制系统流程图、方框图的画法，希望课后再练练。同学们是否还有问题，可当场提问。2）作业布置——请同学们在课后结合实际控制问题，运用所学知识组成一个合理的单回路控制系统，下节课以小组形式汇报讨论。