《过程控制》课程教学大纲
一、课程基本信息
课程编号：AS33117
课程名称：过程控制
英文名称：Process Control
课程学时：32讲课学时：24实验学时：8
课程学分：2
开课单位：航天学院控制科学与工程系
授课对象：自动化类（自动化、探测制导与控制技术）专业
开课学期：4秋
先修课程：自动控制理论；自动控制实践
二、课程目标
《过程控制》是一门与实际生产过程联系十分密切的课程，是自动控制理论、自动控制实践课程的延伸和发展，在培养学生控制系统综合能力、过程控制系统设计能力、创造性思维以及实践动手能力方面占有重要的地位。本课程的主要任务是通过课堂教学和实验教学等环节培养学生在过程控制中的系统设计和实践应用能力，支撑专业学习成果中相应指标点的达成。
课程目标要求如下：
1. 了解过程控制系统的构成、特点、发展及性能指标要求，掌握过程对象的模型建立方法和过程控制中的传感器、执行器选择原则，具备构建过程控制系统的基本能力；
2.掌握单回路控制、串级控制、前馈控制、Smith预估控制、解耦控制等经典控制的分析设计方法、特点及适用条件；了解极点配置、最优化方法等部分现代控制理论的分析设计方法；能够结合具体的工业过程给出合理的控制方案和参数设计。
3. 熟悉和掌握过程控制系统的实验方法和数学仿真方法，得到实验方案设计和实验技能获得的基本训练，逐步具有应用先进工具解决工程实际问题的能力。
三、课程目标与毕业要求指标点对应关系
毕业要求 | 毕业要求指标点 | 课程目标 |
1.工程知识 2.问题分析 | 1-1能运用数学和自然科学对自动化领域复杂工程问题中的系统进行机理或实验建模 2-2能在工程实践中对控制系统的稳定性、能控性、能观性、快速性、精度等问题进行识别和分析，并理解这些指标之间可能的制约或冲突 | 课程目标1 |
3.方案设计/开发 5. 工具使用 | 3-1能够根据指标需求及约束因素，确定系统的总体设计方案 5-1能够针对工程背景和需求，选择或提出恰当的控制系统技术方案 | 课程目标2 |
4.研究 5. 工具使用 | 4-3能够分析与解释实验或仿真结果，并为系统设计方 案的改进及优化提供合理有效的建议 5-2能够运用现代软硬件开发、测试与分析工具对复杂系统进行分析、设计与实现 | 课程目标3 |
四、课程目标与课程内容对应关系
序号 | 教学内容 | 教学要求 | 学时 | 教学方式 | 对应课程 目标 |
1 | 绪论 | （1）了解过程控制中的基本概念、构成和特点； （2）了解过程控制中的性能指标； （3）通过造纸过程控制实例理解过程控制系统的组成、特点和性能指标。 | 2 | 讲授 | 课程目标1 |
2 | 过程特性分析与模型建立 | （1）了解生产过程被控对象的特点； （2）通过具体实例，掌握一阶、多阶对象的机理建模方法及简化手段； （3）掌握建立传递函数、状态空间模型的方法及有机关系。 | 4 | 讲授 | 课程目标1 |
4 | 单回路控制系统分析与设计 | （1）掌握P、I、D的作用与PID控制的特性分析； （2）掌握临界比例度、衰减曲线法、响应曲线法的单回路PID参数整定方法； （3）理解数字PID系统的设计与特点。 | 4 | 讲授 | 课程目标2 |
5 | 串级控制系统 | （1）通过实例引出并了解串级控制的原理与特点； （2）能够进行串级控制性能分析； （3）掌握副回路设计、主回路设计以及异步采样的设计原则。 | 3 | 讲授 | 课程目标2 |
6 | 前馈控制系统 | （1）了解前馈控制的概念与系统结构； （2）能够掌握有效使用静态前馈与动态前馈； （3）能够针对实际系统的特点，进行前馈-反馈控制系统设计。 | 3 | 讲授 | 课程目标2 |
7 | 大迟延系统控制 | （1）通过实例引出并了解大延迟系统的产生、特征及对系统性能的影响； （2）掌握Smith预估控制的设计方法。 | 3 | 讲授 | 课程目标2 |
8 | 解耦控制系统 | （1）通过实例引出并了解解耦控制的概念、需求； （2）能够进行相对增益分析与计算； （3）掌握前馈补偿法、反馈补偿法、对角矩阵法的解耦控制设计。 | 3 | 讲授 | 课程目标2 |
9 | 现代过程控制-极点配置方法、最优化方法 | （2）了解现代控制中的最优化设计方法； （3）掌握初步现代过程控制设计步骤。 | 2 | 讲授 | 课程目标2 |
10 | 实验：模型建立与PID控制、参数整定、解耦控制 | （1）结合实验掌握过程控制模型建立方法和分析方法； （2）结合实验结果分析，掌握过程控制系统的基本设计方法。 | 4 | 实验 | 课程目标3 |
11 | 仿真：过程控制系统分析与设计 | （1）仿真题目：在给出的6个题目中任选其一，或者自拟题目； （2）具体要求：采用MATLAB或者SIMULINK，完成具体仿真过程，获得仿真结果，最后形成分析设计报告。 | 4 | 仿真 | 课程目标3 |
五、课程教学方法
1. 课堂授课
1.1 采用启发式教学，通过提问和互动激发学生主动学习的兴趣，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力。典型的比如控制系统最小构成、积分饱和原理、系统可实现性具体体现等。
1.2 采用CAI 课件、网络视频等多种辅助方式增强教学的直观性，提高课堂教学信息量，同时加深同学们的理解。典型的比如造纸过程生产过程、一些控制方法的仿真结果、实验装置等。
1.3 采用案例教学方式，从头到尾通过造纸过程的不同环节，讲解介绍各种过程控制方法的实际使用情况、使用条件及各种方法的特点等，使同学们达到理论与工程实践相结合，学会应用自然科学和工程科学的基本原理，进行机理研究、仿真分析、实验验证等，进而培养同学们分析和解决本领域相关工程问题的思维方法和实践能力。典型的比如压力水分串级控制、网前箱解耦控制等等。
1.4 采用互动式教学，增加师生之间的面对面交流，提高学习效果。课程建成Mooc之前，采用课内讨论和课外答疑相结合方式，建成Mooc后，设置若干次的Spoc课堂，设计好题目和形式，在开拓学生们思维的同时，激发他们的创新意识。
2、实验教学
实验教学是过程控制课程的重要组成部分之一，目的是通过实践环节培养学生们运用实验方法研究解决控制系统复杂工程问题的能力。课程设置了验证和动手操作实验4个，实验方法建立模型、PID控制、PID参数整定、解耦控制，要求学生必做，按照实验指导书的要求独立或分组完成，并完成实验报告。
3、仿真研究
利用现代工具进行仿真研究，对理解、认识、分析、设计控制系统非常有效，本课程中设计了若干个过程控制系统分析设计实例，供同学们选择，主要包括PID参数对控制品质的影响分析、PID参数的整定、串级控制系统分析与设计、前馈控制系统分析与设计、Smith预估控制系统分析与设计、解耦控制系统分析与设计、现代过程控制系统分析与设计等，要求学生完成至少1个仿真题目，给出仿真结果，并完成方针实验报告。
六、课程考核方法
考核环节 | 所占分值 | 考核与评价细则 | 对应课程目标 |
平时作业 | 20% | （1）主要考核学生平时学习状况、出席状况以及提问回答状况，点名3次、提问若干； （2）完成作业情况，将所有作业成绩取平均值作为最终成绩，作业3次。 | 课程目标2、3 |
研究设计 | 20% | （1）考查应用所学知识进行过程控制系统分析、设计能力； （2）教师根据选题、设计文稿、程序、报告和答辩情况评分。 | 课程目标2、3 |
实物实验 | 20% | 参与实物实验并提交报告，根据实验出勤、实验完成情况和实验报告情况评定最终得分。 | 课程目标2、3 |
期末考试 | 40% | 题型有选择填空、简答、图解、分析和设计计算等，采用闭卷考试，总分100分，分步骤计分，最后折合成实际得分。 | 课程目标1-4 |
七、主要教材与参考书
1.过程控制系统，黄德先、王京春、金以慧，清华大学出版社，2011
2.过程控制，金以慧主编，清华大学出版社，1993
3. Process Control Systems_Application, Design, and Tuning（过程控制系统——应用、设计与整定），F.G.Shinskey著，肖德云等译，清华大学出版社，2004
4.过程控制与Simulink应用，王正林等编著，电子工业出版社，2006
