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工程训练(控制技术训练)教案序控制技术其实离我们每个人并不远如果在生活中仔细观察,就会发现控制技术就在我们身边例如,教学楼里的自动门;生活中使用的电饭锅,空调等正是有了控制技术,我们的学习,工作,生活才会更加方便、舒适由于控制技术在各行各业都有非常广泛的应用,所以同学们应该了解,认识和掌握有关控制技术的一些基本知识基础知识(2学时)讲授要点
1、关于控制的基本概念
2、单回路控制系统的基本组成及工作原理
3、过程控制的发展概况及工程设计初步知识
4、物流的基本知识及现代生产物流的特点
1.1基本概念控制自动控制过程控制“控制”是一个具有广泛意义的概念,当指人——机关系时,指的是人对于机器或设备的控制为使某一机器,设备或过程处于希望的状态而对其进行的操作,称为控制在人直接参与下完成的控制,称为人工控制;在没有人直接参与的情况下,使受控对象自动按照预定的规律运行并达到预期的状态或性能要求这就是自动控制进入20世纪90年代以来,自动化技术发展很快,并获得了惊人的成就,已成为国家高科技的重要分支过程控制技术是自动化技术的重要组成部分,过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化在现代工业生产过程自动化中,过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和社会效益提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争能力等方面起着越来越巨大的作用
1.2自动控制理论概述自动控制理论是研究各种自动控制过程共同规律的技术科学它的发展初期,是以反馈理论为基础的自动调节理论,随着科学技术的进步,现已发展为一门__的学科———控制论,包括工程控制论、生物控制论、经济控制论和社会控制论工程控制论是控制论最成熟的分支,主要研究工程领域自动控制系统中的信息分析、变换、传送的一般理论与设计应用自动控制理论是工程控制论的一个分支,它只研究自动控制系统分析和设计的一般理论根据自动控制技术发展的不同阶段,自动控制理论相应地分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分经典控制理论是20世纪50年代未期所形成的理论体系它主要是研究单输入-单输出线性定常系统的分析和设计问题,其理论基础是描述系统输入---输出关系的传递函数,主要采用复频域分析方法现代控制理论是在20世纪60年代初期,为适应宇航技术发展的需要而出现的新的控制理论,适用于研究具有高性能、高精度的多输入-多输出、线性或非线性、定常或时变系统的分析和设计问,题如最优控制、最优滤波、自适应控制等描述系统的方法是基于系统状态这一内部特征量的状态空间法,本质上是一种时域方法经典控制理论和现代控制理论构成了全部的控制理论
1.3控制系统的反馈工作原理自动控制系统是指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统在各种生产过程以及生产设备中,常常需要使某些物理量如温度、压力、位置、转速等保持恒定,或者让它按照一定的规律变化,要满足这一条件,就应该对生产过程或设备进行及时的控制和调整,以抵消外界的干扰和影响,那么控制系统是怎样实现对这些物理量自动控制的呢?在自动控制系统中,首先是要
①检测偏差
②利用检测到的偏差去纠正偏差,这一偏差就是通过反馈建立起来的,系统给定的量又称为控制系统的输入量,被控制量又称为控制系统的输出量反馈就是指输出量通过适当的测量装置将__返回到输入端,使之与输入量进行比较的意思比较的结果称为偏差控制系统就是根据这一偏差__的大小和方向进行工作,使偏差减小或消除从而使输出量和输入量保持一致在工业上,,根据控制系统有无反馈作用,又可分为两类一是开环控制系统,另一是闭环控制系统开环控制和闭环控制是自动控制的两种最基本的控制方式开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向__的控制过程因此,开环控制系统的输出__不对系统的控制作用发生影响例如采用电加热器在冬天来控制__的温度__是被控对象,__的温度是要求实现自动控制的物理量,称为被控制量电加热器起控制作用,称为控制装置由于开环控制的特点是控制装置只按照给定的输入量对被控对象进行单向控制,而不对被控制量进行测量并反向影响控制作用,因而当室温偏离希望值时,电加热器的加热时间不会相应地改变,开环控制系统不具有修正由于扰动而出现的被控制量与希望值之间误差的能力闭环控制的特点是在控制器和被控对象之间,不仅存在着正向作用,而且存在着反馈作用,即系统的输出__对被控制量有直接影响将检测出来的输出__送回系统的输入端,并与输入__比较的过程称为反馈例如自动电加热器电阻丝加热与停止是受控制的当室温高于设定值时电阻丝停止加热;当室温低于设定值时电阻丝开始加热开环控制与闭环控制的比较一般来说,开环控制结构简单、成本低廉、工作稳定因此,当系统的输入__及扰动作用能预先知道且要求不高时,可以采用开环控制但由于开环控制不能自动修正被控制量的偏离,所以系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度的影响较大;闭环控制具有自动修正被控制量出现偏离的能力,因此可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差,其控制精度较高但是,正是由于反馈的存在闭环控制也有其不足之处,这就是被控制量可能出现振荡,严重时会使系统无法工作1.4评价控制系统的基本指标稳定性、快速性、准确性是评价系统的基本指标稳定性是控制系统能够正常工作的前提条件,也是最重要的条件稳定的物理意义;一个控制系统的输出量对应给定的输入量的偏离值应该随时间的增加逐渐趋近于零或者稳定在某一个微小变化域内,该控制系统是稳定的系统响应的快速性是指当系统的输出量与给定的输入量之间产生误差时,系统消除这种误差的快慢速度通常用系统的调节时间表示系统的响应快慢调节时间表示系统的输出刚进入稳态值的变动范围内,暂态过程结束,系统进入稳态响应过程的开始时间准确性是指系统的过渡过程结束后的输出量与给定的输入量的偏差值,又称作稳态精度1.5过程控制的特点连续生产过程的自动控制过程控制系统由过程检测、控制仪表组成被控过程是多种多样、非电量的过程控制的控制过程多属慢过程,而且多半为参量控制过程控制方案十分丰富定值控制是过程控制的一种常用形式1.6过程控制系统的组成过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度和PH等这样一些过程变量的系统
1.7过程控制的发展概况在20世纪40年代前后,工业生产非常__,生产过程靠人工,劳动生产率很低50年代前后,生产过程实现了仪表化和局部自动化__式仪表和部分单元组合式仪表(多数是气动仪表);主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题自60年代来,电子技术的迅速发展,为自动化技术工具的完善创造了条件,相继__和应用了各种复杂的过程控制系统,诸如串级控制、比值控制和均匀控制70年代以来,随着大规模集成电路制造成功与微处理器的相继问世,使计算机的可靠性大大提高,而性能__比又大大提高,尤其是工业控制机采用了冗余技术和软件的自诊断措施,使其满足了工业控制的应用要求过程控制发展到现代过程控制的新阶段——计算机时代(DCS集散控制系统)80年代以后,现代控制理论从本质上解决了一般多变量系统的控制问题,包括线性系统、时变系统、非线性系统、微分—差分系统等,从而大大促进了过程控制发展目前,世界各工业发达国家,正集中全力进行工厂综合自动化技术的研究所谓综合自动化,就是在自动化技术、信息技术、计算机控制和各种生产__技术的基础上,从生产过程的全局出发,通过生产活动所需的各种信息的集成,把控制、优化、调节、管理、经营、决策融为一体,形成一个能适应各种生产环境和市场需求、多变性的、总体最优的高质量、高效益、高柔性的管理生产系统(CIMS无人工厂)当前过程控制系统发展的一些主要特点生产装置实施先进控制成为发展主流;过程优化受到普遍__;传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统;综合自动化(CIPS)的发展方向1.8简单过程控制系统工程设计概述工业生产过程尤其是现代大工业生产过程如石油、化工、冶金等都是复杂的过程,往往由许多子过程甚至子子过程串,并联组成,生产工艺要求亦千变万化从控制的角度,这些子过程可分为单输入单输出和多输入多输出两大类单回路过程控制系统亦称单回路调节系统简称单回路系统,一般是指针对一个被控过程(调节对象),采用一个测量变送器监测被控过程,采用一个控制(调节)器来保持一个被控参数恒定(或在很小范围内变化),其输出也只控制一个执行机构(调节阀)单回路系统结构简单,投资少,易于调整和投运,又能满足不少工业生产过程的控制要求,因此应用十分广泛,约占目前工业控制系统80%以上单回路过程控制系统虽然简单,但它的分析、设计方法是其它各种复杂系统分析、设计的基础过程控制系统的设计步骤建立被控过程的数学模型选择控制方案控制设备选型实验和仿真
1.9物流的概念及内涵物流是从第二次世界大战期间军事后勤工作的概念演变过来的.传统物流是指货物(包括原材料,半成品,制成品)及物品(包括邮品,展品,捐赠物资等)在不同地点的流动和转移现代物流是相对于传统物流而言的它是在传统物流的基础上,引入高科技手段,通过计算机进行信息联网,并对物流信息进行科学管理,从而加快物流速度,提高准确率,减少库存,降低成本,延伸并扩大了传统的物流功能迄今为止,世界各国对现代物流尚无统一的,完整的定义我国六部委(即国家经贸委,___,交通部,_____,外经贸部和民航总局)于2001年3月在《关于加快我国现代物流发展的若干意见》中,对现代物流的定义是这样表述的“原材料、产成品从起点到终点及相关信息有效流动的全过程它将运输、仓储装卸、__整理、配送、信息等方面有机结合,形成完整的供应链,为用户提供多功能、一体化的综合性服务随着新世纪的到来知识经济的发展社会对物流服务的要求越来越高人们对物流也越来越重视早在1980年的全美物资讨论会上,研究者们就指出,在产品生产的流通的过程中,只有5%的时间用于__和制造,剩余95%的时间都用于储存,装卸,等待__和输送而储存,运输所支付的费用占生产成本的40%由此可见,改善物流结构,提高物流效率,降低物流成本,将对减少产品__周期,缩短交货期,提高服务质量有着重要的意义尽管现在对物流的解释不一,但就现代物流的实质而言,它应包括以下四个主要方面实质流动(指原材料半成品及产成品的运输)实质存储(指原材料半成品及产成品的的存储)信息流通(指相关信息的联网)管理协调(指对物流活动进行计划、实施和有效控制的过程)物流技术分类按照物流管理过程划分,可以分为仓储技术,运输技术,包装技术,__技术,配送技术;按照技术领域划分,可以分为识别技术,跟踪技术,信息技术等;物流技术还可以按照供应链管理理论进行划分
2.0现代物流技术的特点根据物流系统采用的设备来看,物流技术的发展,大致经历了五个阶段第一代人工物流第二代机械物流第三代自动化物流___集成物流第五代智能物流我们认为从第三代自动化物流起,物流技术具有了现代物流的特点
(1)广泛采用现代化的物流设备物流系统中采用快速,高效,自动化的物流设备最具典型的现代化物流设备有自动化立体仓库;自动化引导小车;自动装卸机器人
(2)计算机管理现代物流系统一般都具有结构复杂,物流节奏快,物流线路复杂,信息量大,实时性要求高等特点
(3)物流系统化与集成化现代物流的结构特点是点多,线长,面宽,规模大现代物流把生产和销售有机一__起来,看成一个整体,从系统化,集成化的概念出发去设计,分析,研究和改进物流系统二.设备介绍、演示、操作练习(4学时)介绍设备各部分的工作原理及使用方法采用教师讲解、演示、出练习题目学生操作练习,教师点评的方式授课操作要点
1、根据训练要求,正确开关水阀
2、根据训练要求,正确选用设备,接线
3、根据训练要求,调节仪表参数,会使用MCGS组态软件高级过程控制系统由三部分组成对象系统、实验平台、上位机首先学习实验平台源部分有三种三相380V交流电;单相220交流电;24V直流电交流电怎样产生的主要方式有水力发电站;火力发电站;核发电站未来的发电形式太阳能发电;风力发电电的传输过程发电站输电线变电所用户三相380V交流电通常有两种接法一种是星形的接法,一种是三角形接法220V交流电要注意零线和火线直流稳压电源怎样从交流电源得到平滑而稳定的直流电源?交流电电源变压器整流电路滤波电路稳压电路直流电
2、传感器将非电量__转换成电__的装置设备共用了三种传感器,分别为温度传感器,压力传感器,流量传感器温度传感器铂电阻导体的电阻值随着温度变化而改变,通量其阻值推算出被测物体的温度,利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器,这种传感器主要用于-200~500℃温度范围内的温度测量在工业应用最广的铂和铜,并已制作成标准测量热电阻铂电阻在常用的热电阻中准确度最高,铂电阻广泛用于-200~850℃范围的温度测量,工业中通常用在600℃以下选用热电阻测温时,必须注意三线制接法压力传感器压力检测在生产过程自动化中具有特殊的地位,是极为重要的温度,流量,液位往往可以通过压力间接测量流量传感器容积式流量计,速度式流量计,质量流量计涡轮流量计中应用流体力学测量流体在管道内的流速来计算流量的变送器是一种将被测各种参数变换成统一标准__(DC4~20__或DC1~5V)的仪表
3、控制器智能调节仪智能位式调节仪PLC可编程控制器智能调节仪接受变送器为输入__,与给定__进行比较,并对其偏差进行PID运算,输出DC4~20__标准统一__智能位式调节仪通过控制继电器的输出,实现对被控参数的断续的控制PLC可编程控制器是现代工业自动化领域中最重要,应用最多的控制设备PLC的过程控制功能通过PLC的PID控制指令实现对温度,压力速度,流量等物理参数的闭环控制
4、执行器变频器利用变频器改变三相变频磁力泵的电源电压的频率,改变泵的转速,改变磁力泵所控动力支路的水流量达到控制流量,液位两个参数的目的电动调节阀输入控制__4~20__或1~5V采用4~20__电流__作为控制__,通过控制电流__控制阀门的开度,控制这条动力支路的水流量,该支路打水采用380V恒压磁力泵三相移相调压装置该设备选用了一个模拟锅炉作为被控对象,这是因为锅炉是常见的工业动力设备控制锅炉产生蒸汽温度是工业生产中比较常见的控制要求,该调压装置采用可控硅控制输入导通角,控制加热器加热,从而控制锅炉温度对象系统由不锈钢储水箱;上、中、下三个串接有机玻璃圆筒形水箱;
4.5千瓦电加热锅炉由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成;冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管道组成系统软件MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)是一套基于Windows平台的,用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统,可运行于MicrosoftWindows95/98/NT/2000等操作系统MCGS
5.1为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和__平台,能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、__和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能通过物流设备演示让学生了解控制技术在自动化仓库中的应用项目训练(2学时)根据《训练项目指导书》以组为单位完成2个设计项目重点重点重点难点课后自我总结分析。