《化工过程控制原理》课程教案
一、课程概况
这是一门化工类各专业必修的专业基础课。通过本课程的学习，要求学生掌握自动控制的基本原理和概念，并具备对自动控制系统进行分析、计算、实验的初步能力，从理论上为后继专业课程的学习创造必要的条件，为学生将来从事工业自动化专业的工程技术工作和科研工作打下坚实的基础。计划理论32学时，实验8学时。
二、学习本课程必备的理论基础
1、高等数学和工程数学是本课程的重要基础，学生在学习本课程前，应具备微分方程、差分方程、复变函数、积分变换、矩阵等有关数学知识。
2、电路与磁路、电子技术基础两门课程，是本课程的先修课程。
3、学生在学习本课程前，需要有一定的化工、电机、自动控制元件等方面知识。
三、课程主要内容和学时分配 第一章 绪论
主要内容：自动控制的现状与发展、基本概念，自动控制系统的组成机构；自动控制系统的分类、基本要求，自动控制理论的发展历史。
基本要求：（1）了解化工过程控制论的基本含义和研究对象,学习本课程的目的和任务；掌握广义系统动力学方程的含义。（2）了解系统、广义系统的概念，了解系统的基本特性；了解系统动态模型和静态模型之间的关系。（3）掌握反馈的含义，学会分析动态系统内信息流动的过程，掌握系统或过程中存在的反馈。（4）了解广义系统的几种分类方法；掌握闭环控制系统的工作原理、组成；学会绘制控制系统的方框图。（5）了解控制系统中基本名词和基本变量。（6）了解正反馈、负反馈、内反馈、外反馈的概念。（7）了解对控制系统的基本要求。
重点：（1）学会用系统论、信息论的观点分析广义系统的动态特性、信息流，理解信息反馈的含义及其作用。（2）掌握控制系统的基本概念、基本变量、基本组成和工作原理；绘制控制系统方框图。
难点 ：广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制。 第二章 系统的数学模型
主要内容：系统的微分方程、传递函数；传递函数方框图、相似原理；MATLAB描述。 基本要求：（1）了解数学模型的基本概念。能够运用动力学、电学及专业知识，列写机械系统、电子网络的微分方程。（2）掌握传递函数的概念、特点，会求传递函数的零点、极点及放大系数。（3）能够用分析法求系统的传递函数。（4）掌握各个典型环节的特点，传递函数的基本形式及相关参数的物理意义。（5）了解传递函数方框图的组成及意义；能够根据系统微分方程，绘制系统传递函数方框图，并实现简化，从而求出系统传递函数。（6）掌握闭环系统中前向通道传递函数、开环传递函数、闭环传递函数的定义及求法。掌握干扰作用下，系统的输出及传递函数的求法和特点。（7）了解相似原理的概念。（8）了解系统的状态空间表示法，了解MATLAB中，数学模型的几种表示法。
重点：（1）系统微分方程的列写。（2）传递函数的概念、特点及求法；典型环节的传递函数。（3）传递函数方框图的绘制及简化。
难点：（1）系统微分方程的列写。（2）传递函数方框图的绘制及简化。 第三章 系统的时间响应分析
主要内容：时间响应的基本概念、典型输入信号及其变换；一阶系统的响应特性；二阶系统响应；系统误差分析与计算、高阶系统；单位脉冲函数在时间响应中的作用；MATLAB函数命令及其应用。
基本要求：（1）了解系统时间响应的组成；初步掌握系统特征根的实部和虚部对系统自由响应项的影响情况，掌握系统稳定性与特征根实部之间的关系。（2）了解控制系统时间响应分析中的常用的典型输入信号及其特点。（3）掌握一阶系统的定义和基本参数，能够求解一阶系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应及单位斜坡响应；掌握一阶系统时间响应曲线的基本形状及意义。掌握线性系统中，存在微分关系的输入，其输出也存在微分关系的基本结论。 （4）掌握二阶系统的定义和基本参数；掌握二阶系统单位脉冲响应曲线、单位阶跃响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼比之间的对应关系；掌握二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系。（5）了解主导极点的定义及作用； （6）掌握系统误差的定义，掌握系统误差与系统偏差的关系，掌握误差及稳态误差的求法；能够分析系统的输入、系统的结构和参数以及干扰对系统偏差的影响。 （7）了解单位脉冲响应函数与系统传递函数之间的关系。
重点：（1）系统稳定性与特征根实部的关系。（2）一阶系统的定义和基本参数，一阶系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应及单位斜坡响应曲线的基本形状及意义。（3）二阶系统的定义和基本参数；二阶系统单位脉冲响应曲线、单位阶跃响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼比之间的对应关系；二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系。（4）系统误差的定义，系统误差与系统偏差的关系，误差及稳态误差的求法；系统的输入、系统的结构和参数以及干扰对系统偏差的影响。
难点 ：（1）二阶系统单位脉冲响应曲线、单位阶跃响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼比之间的对应关系；二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系。（2）系统的输入、系统的结构和参数以及干扰对系统偏差的影响。 第四章 系统的频率特性分析
主要内容：频率特性概念、特点、作用、求取方法；图示方法（极坐标图、对数坐标图）；频率特性的特征量、最小相位与非最小相位系统的概念；MATLAB分析频率特性方法。
基本要求：1．掌握频率特性的定义和代数表示法以及与传递函数、单位脉冲响应函数和微分方程之间的相互关系；掌握频率特性和频率响应的求法；掌握动刚度与动柔度的概念。2．掌握频率特性的图和
图的组成原理，熟悉典型环节的
图和
图和
图的特点及其绘制，掌握一般系统的的图的特点和绘制。3．了解闭环频率特性与开环频率特性之间的关系。4．掌握频域中性能指标的定义和求法；了解频域性能指标与系统性能的关系。5．了解最小相位系统和非最小相位系统的概念。
重点：1．频率特性基本概念、代数表示法及其特点。2．频率特性的图示法的原理、典型环节的图示法及其特点和一般系统频率特性的两种图形的绘制。3．频域中的性能指标。
难点：1．一般系统频率特性图的画法以及对图形的分析。2．频域性能指标和时域性能指标之间的基本关系。 第五章 系统的稳定性
主要内容：稳定性的概念与条件；稳定性判据，包括Routh、Nyquist、Bode等三种方法；相对稳定性；MATLAB分析稳定性的方法。
基本要求：1．了解系统稳定性的定义、系统稳定的条件；2．掌握件和充要条件，学会应用
判据的必要条
判据判定系统是否稳定，对于不稳定系统，能够指出系统包含不稳定的特征根的个数；3．掌握Nyquist判剧；4．理解Nyquist图和Bode图之间的关系； 5．掌握Bode判剧；6．理解系统相对稳定性的概念，会求相位裕度和幅值裕度，并能够在Nyquist图和Bode图上加以表示。
重点：1．Routh判剧、Nyquist判剧和Bode判剧的应用；2．系统相对稳定性；相位裕度和幅值裕度求法及其在Nyquist图和Bode图的表示法。
难点：Nyquist判剧及其应用。 第六章 系统的性能指标与校正
主要内容：性能指标、校正的概念与目的；校正的方法，包括串联、PID、反馈、顺馈等；MATLAB设计系统校正的方法。
基本要求：（1）了解系统时域性能指标、频域性能指标和综合性能指标的概念；了解频域性能指标和时域性能指标的关系。（2）了解系统校正的基本概念。（3）掌握增益校正的特点；熟练掌握相位超前校正装置、相位滞后校正装置和相位滞后—超前校正装置的模型、频率特性及有关量的概念、求法及意义；掌握各种校正装置的频率特性设计方法；熟练掌握各种校正的特点。（4）掌握PID校正的基本规律及各种调节器的特点；掌握PID调节器的工程设计方法。（5）掌握反馈校正、顺馈校正的定义、基本形式、作用和特点。
重点：（1）各种串联无源校正装置的模型、频率特性及有关量的概念、求法及意义；各种校正装置的特点及其设计方法。（2）PID校正的基本规律及各种调节器的特点；PID调节器的工程设计方法。（3）反馈校正、顺馈校正的定义、基本形式、作用和特点。
难点：（1）各种串联无源校正装置的设计。 （2）PID调节器的工程设计方法。
四、教材与参考文献目录
教材：《自动控制原理》，巨林仓等编著，中国电力出版社出版 参考文献：
1.《自动控制原理》，李友善主编，朱克定主审，国防科技大学出版社出版 2.《自动控制原理》，孙虎章主编，中央广播电视大学出版社出版 3.《自动控制原理》，胡寿松主编，国防工业出版社出版（第四版） 4.《自动控制原理》，周其节主编，华南理工大学出版社出版
五、实验教学目标与基本要求
实验是该课程重要的实践教学环节。目的旨在：验证理论知识，通过实验加强学生的实验手段与实践技能；掌握常用电工仪器仪表的使用方法，培养学生分析问题、解决问题、应用知识的能力和创新精神；学生自行设计、自主实验，真正培养学生的实践动手能力，全面提高学生的综合素质。
1．动手能力的培养： 通过实验，使学生对实验所用仪器、设备单元的用途和使用方法有足够的了解和掌握，并且要求学生做到：能够独立分析和排除实验用仪器、设备单元的常见故障；能够利用现有实验装置和仪器、仪表正确获取、处理实验数据。 2．组织实验能力的培养：要求学生按照实验项目的原则要求和指标要求，自行拟定实验提纲，自行设计组织实验，自行设计实验方案，自行设计实验表格，自行决定需要测取的实验数据，自行决定实验小组人数，自行安排实验进程。最终上交完整合格的实验报告。
3．分析问题和解决问题能力的培养：实验中只向学生提供必要且完整的实验装置说明，提出实验目的、实验要求，以及欲达到的实验指标。要求学生能够正确运用学过的理论知识，通过实验掌握系统的调试方法，提高工程设计能力。
4.思维能力和创新能力的培养：通过启发、组织学生设计创新性实验，活跃学生的学术思想，使其对所学内容提出一些新的见解，进而 提高学生的创新能力。
5．综合素质的培养：通过对实验准备、实验过程组织以及实验报告整理书写（实验报告中含实验数据分析等内容）等项要求的不断调整，全面提高学生的综合素质，为进一步接触实践，走向社会打下坚实的基础。
六、实验项目及教学安排
1．MATLAB软件及其应用仿真
2学时； 2.典型环节及二阶系统的暂态过程分析 2学时； 3.线性系统频率特性的测试 1学时；4.PID控制器的动态特性
1学时；
七、实验教材及参考书
《自动控制实验指导书》，《MATLAB语言及其应用》
八、教学方法与手段
多媒体课件教学，将计算机辅助软件 MATLAB 应用于本课程教学，避免了繁琐的数学推导和计算，化抽象为具体，通过仿真，使学生更直观的掌握本课程的基本概念。
九、考核方式和成绩评定
考核分为二部分：一是平时作业、课堂测验和实验成绩，占总成绩的 40% ；二是该课程的期末考试，占总成绩的 60% 。
期末考试试题按 6 ： 3 ： 1 的比例选取与编制， 60 分基本题，以考核基本概念为主，可以填空、简答与计算题的形式出题。 30 分中等难度考题，以考核重点内容为主，形式主要为分析与计算题。 10 分为提高题，以考核基本内容中具有较大难度和方法较为灵活的试题为主，能综合应用所学的知识，形式为分析计算题。
