《《过程控制及自动化仪表》》课程教学大纲（本科）

1、过程控制及自动化仪表(Process control and automatic instruments)课程代码：05410108学分：2.0学时：32 （其中：课题教学学时：28实验学时：4上机学时：0）先修课程：电路、电子技术、微机原理、自动控制原理。适用专业：自动化教材：过程控制工程（第2版），邵裕森，戴先中，机械工业出版社，2015.01一、课程性质与课程目标（一）课程性质（需说明课程对人才培养方面的贡献）过程控制及自动化仪表是自动化专业的一门理论性与实践性很强的专业课，也 是本专业的主干课程之一，它建立在电路、电子技术、微机原理、自动控制原理等先修 课程知识的基础上。是以工艺过程分

2、析、仪表和计算机为两翼，以控制原理为基础，掌 握过程控制系统的结构、原理、特点、适用场合、设计、分析和应用等问题，针对工业 生产过程，培养学生为自动化方面的高级专业人才。（二）课程目标课程目标通过本课程的学习，使学生掌握实验方法对过程控制系统建模、过程检测控制仪表 选型和工业过程控制系统工程设计的基本原理和基本设计方法，为学生毕业后从事工业 过程控制相关工作打下理论及实践基础。本课程既培养学生分析问题、解决问题的能力, 又使得学生能够具备一定的实践能力，能够根据工业场合具体的工艺要求，提出合理、 可行的过程控制方案，并对调节器的参数进行整定计算与分析。本课程重视理论与实际 的结合，通过实验、工

3、业应用实例来提高学生分析问题、解决问题的能力。课程的具体 目标如下：1.知识目标各个实验在总分中所占权重系数以课时数为 标准。实验报告30%实验报告评价30主要考察学生对实验结果进行分析和实验数 据进行处理的能力。要求报告字迹工整、格式 规范（占10%）；数据准确（占10%）；并按要 求完成相应思考题（10%）。4-3过程控制与自动化仪表课程主要介绍实验方法对过程控制系统建模、过程检测 控制仪表选型和工业过程控制系统工程设计的基本原理和基本设计方法。简单介绍过程 控制系统机理建模方法、各种过程变量的检测与变送以及仪表的选型。重点介绍单回路 控制系统、串级控制系统、前馈+反馈控制系统的工程设计及

4、参数整定方法等，包括：课程目标L掌握过程控制系统的组成及特点；课程目标2：掌握温度、压力、流量、液位、成分分析等检测仪表的工作原理与使用 方法；熟悉智能式变送器的特点及硬件构成。课程目标3：熟悉被控过程的自衡和非自衡特性；掌握单容过程和多容过程的阶跃响 应曲线及解析表达式；课程目标4：掌握调节器参数的整定方法与实验技能；课程目标5：掌握串级控制系统的设计方法及应用背景；课程目标6：掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈-反馈复合控制的特点及工业应 用。课程目标7：掌握典型过程控制系统的分析与设计方法，并建立起工程设计的基本概 念，了解设计步骤与设计内容。2.能力目标课程目标8：能够根据生产过程的特

5、点和工艺要求提出合理、可行的控制方案；课程目标9：根据控制方案和过程特性、工艺要求，选择合适的测量变送器、控制器 （控制规律）与执行器；课程目标10：能够熟练进行调节器P、PL PD、PID的参数整定计算，并画出其阶 跃响应曲线；课程目标11：能够根据系统的性能指标、安全性等方面验证系统的正确性；课程目标12：逐步培养学生的逻辑思维能力、判断和归纳能力；课程目标13：能针对个人或职业发展的需求，自主深入学习其他复杂控制系统设计 的相关内容，适应发展需要。本课程目标对专业毕业要求指标点的支撑关系如下：毕业要求指标点1-5.掌握运动控制、过程控制等方向的专业知识，能够用于解决 复杂自动化工程问题的

6、分析、建模和求解。毕业要求指标点4-3.能够基于实验方案构建实验系统，安全的开展实验，提取有效实验参数或数据。毕业要求指标点12-3.能针对个人或职业发展的需求，自主学习，适应发展。而目标 毕必求 指标X课 程 目 标1课 程 目 标2课 程 目 标3课程目标4课 程 目 标5课 程 目 标6课程目标7课 程目 标8课 程目 标9课程 目 标10课 程 目 标11课 程 目 标12课 程 目 标13指标点1-5qqqVV4qqqq指标点4-3指标点12-3qqq4q二、课程内容与教学要求第一章绪论本章支持课程目标：L1掌握过程控制系统的组成及特点。（一）教学内容与教学方法.过程控制发展概况。（

7、讲授+视频演示）.过程控制的特点。（讲授）.过程控制系统的组成。（案例）.过程控制系统的分类。（讲授）（二）知识、能力与素质等方面的基本要求. 了解本课程的性质、研究对象与基本任务。.掌握过程控制的定义、基本任务、基本原理、基本要求。.掌握过程控制系统的基本组成。. 了解过程控制系统的分类和过程控制的发展史。（三）重点与难点.重点过程控制的概念，过程控制的目的。.难点理解过程控制的特点；过程控制系统的分类。第二章过程建模和过程检测控制仪表本章支持课程目标：L2掌握温度、压力、流量、液位、成分分析等检测仪表的工 作原理与使用方法；熟悉智能式变送器的特点及硬件构成；L3熟悉被控过程的自衡和 非自衡

8、特性；掌握单容过程和多容过程的阶跃响应曲线及解析表达式；2.2根据控制方 案和过程特性、工艺要求，选择合适的测量、变送器、控制器（控制规律）与执行器；2.4 能够根据系统的性能指标、安全性等方面验证系统的正确性；（一）教学内容与教学方法.过程建模的概念，单容过程与多容过程的机理建模方法,试验法建模的方法。（讲 授+自学）.过程变量（温度、压力、流量、液位）检测仪表的工作原理与选用方法；气体 分析仪表的工作原理；变送器的作用。（讲授+自学）. DDZ-III型调节器的作用及工作原理。（讲授+自学）. KMM可编程调节器的特点及体系结构。.执行器的组成与作用；气动调节阀的工作方式及流量特性。（讲授

9、）（二）知识、能力与素质等方面的基本要求掌握机理建模法与试验法建模的原理；了解各种过程变量检测仪表的工作原理、特点及选用方法；了解DDZ-III型调节器各组成部分的作用原理；了解执行器的组成及作用，具有在工业场合准确选择及使用它们的能力。（三）重点与难点.重点单容和多容过程的内在机理建模方法，试验法建模的过程；热电偶与热电阻的测温 原理及各自的特点和适用场合；DDZTH调节器的构成原理。执行器的气开气关工作方式。.难点机理法建模，由阶跃响应曲线确定过程的传递函数；试验法建模，由矩形脉冲响 应曲线确定过程的传递函数；DDZ-III调节器的构成原理。第三章简单过程控制系统一单回路控制系统的工程设计

10、本章支持课程目标：1.4掌握调节器参数的整定方法与实验技能；1.7掌握典型过 程控制系统的分析与设计方法，并建立起工程设计的基本概念，了解设计步骤与设计内 容；2.1能够根据生产过程的特点和工艺要求提出合理、可行的控制方案；2.2根据控制 方案和过程特性、工艺要求，选择合适的测量、变送器、控制器（控制规律）与执行器； 2.3能够熟练进行调节器P、PL PD、PID的参数整定计算，并画出其阶跃响应曲线； 2.4能够根据系统的性能指标、安全性等方面验证系统的正确性；2.5逐步培养学生的逻 辑思维能力、判断和归纳能力；2.6能针对个人或职业发展的需求，自主深入学习其他 复杂控制系统设计的相关内容，适

11、应发展需要。（一）教学内容与教学方法.过程控制系统设计的一般要求、设计步骤、设计内容及性能指标。（讲授+自学+ 案例）.被控量与控制量的选择原则，过程参数的选择。（讲授+案例）.检测变送器的选择。（讲授）.执行器的选择。（讲授+案例）.调节器的选择。（讲授）.控制系统的投运与参数整定。（讲授+实验）.单回路控制系统设计举例。（讲授+案例+自学）（二）知识、能力与素质等方面的基本要求了解单回路控制系统的组成与工作原理。了解单回路过程控制系统的设计步骤和内容，掌握单回路系统的设计方案拟定。掌握常用的测量、变送器，执行器，调节器的特征参数，并具有工程设计中各 关键环节器件的选型能力。了解PID参数自

12、整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。掌握单回路控制系统设计的能力。（三）重点与难点L重点单回路控制系统的分析与设计；被控量与控制量的选择；单回路系统中各部件的运 行特点和选择方法；系统的参数整定方法。2.难点单回路系统中被控量和控制量的选择，各部件的选择以及参数整定方法。第四章复杂过程控制系统本章支持课程目标：1.5掌握串级控制系统的设计方法及应用背景；1.6掌握前馈 补偿器的设计方法，熟悉前馈-反馈复合控制的特点及工业应用。1.7掌握典型过程控制 系统的分析与设计方法，并建立起工程设计的基本概念，了解设计步骤与设计内容。2.1 能够根据生产过程的特点和工艺要求提出合理、可行的控制方案；

13、2.2根据控制方案和 过程特性、工艺要求，选择合适的测量、变送器、控制器（控制规律）与执行器；2.3能够 熟练进行调节器P、PL PD、PID的参数整定计算，并画出其阶跃响应曲线；2.4能够 根据系统的性能指标、安全性等方面验证系统的正确性；2.5逐步培养学生的逻辑思维 能力、判断和归纳能力；2.6能针对个人或职业发展的需求，自主深入学习其他复杂控 制系统设计的相关内容，适应发展需要。（一）教学内容与教学方法.串级控制系统的设计。（讲授+对比+案例）.前馈控制系统的设计。（讲授+案例）.比值控制系统的设计。（讲授+自学+案例）（二）知识、能力与素质等方面的基本要求.掌握串级控制系统的结构、优点

14、、设计方法与工业应用。.掌握前馈控制系统的目的、特点、方式和条件。.掌握比值控制系统的结构与应用。（三）重点与难点.重点串级控制系统设计与分析；前馈控制的设计。.难点串级控制系统的内外环设计和整定；前馈控制的参数选定。三本课程开设的实验项目（一）实验项目编号实验项目名称学时类型要求支撑的课程目标1上位水箱一阶单容特性测定2综合性必做目标 1,2,3,11,12,132锅炉内胆温度控制实验2综合性必做目标 4,5,6,7,8,9/0实验一、上位水箱一阶单容特性测定1、实验目标1）建立单容水箱阶跃响应曲线；2）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用作图的方法分别确定它 们的参数（时间常数T

15、、放大系数K）。2、实验实验要求1）掌握设备的连接和检查，系统的连线；2）掌握计算机MCGS组态软件的使用；4）掌握通过多次改这变输出量的值，记录水箱平衡时过程参数，求出一阶环节 的相关参数。实验二、锅炉内胆温度控制实验1、实验目标1） 了解单回路温度控制系统的组成与工作原理；2）研究P、PL PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用；3）改变P、PL PD和PID的相关参数，观察它们对系统性能的影响；了解PID参数自整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。2、实验要求1）设定好给定值，并根据实验情况反复安排P、I、D三个参数，直到获得满 意的测量值；2）改变给定值，并分别安排P、PL

16、 PD和PID控制的相关参数，观察动态响 应曲线；3）掌握用临界比例度法整定PID调节器的参数。四 学时分配及教学方法章（按序填写）教学形式及学时分配主要教学方法支撑的课程目标课堂 教学实 验上机课程 实践小 计第一章绪论22讲授、案例目标112第二章过程 建模与过程 检测 控制仪表10212讲授、自学、实验目标 2,3,8,9第三章简单 过程控制系 统一单回路 控制系统的 工程设计10212讲授、案例、自学、 实验目标 4, 10,11,12第四章复杂 过程控制系 统66讲授、案例、对比、 自学目标 5,6,7,12,13合计28432五、课程考核课程考核方式包括期末考试、平时及作业情况考核

17、（其中包括笔记、大作业等）和 实验情况考核。期末考试采用闭卷笔试。序号考核方式或途径考核要求考核权重备注1平时作业课后完成1525个习题, 主要考核学生对每节课知 识点的复习、理解和掌握 度;可让学生查阅资料，了 解本课程相关技术发展情 况，并根据自身发展需要， 自主学习；10%根据平时 作业得分 取平均值2实验完成2个实验，主要训练 学生应用所学知识构建实 验系统，并进行实验的能 力。10%评分细则见附录13期末考试闭卷考试，试卷题型包括 填空题、简答题、分析综 合应用题3大类，以卷面 成绩的80%计入课程总成 绩。80%六、参考书目及学习资料（书名，主编，出版社，出版时间及版次）.过程控制与自动化仪表（第2版），潘永湘主编，机械工业出版社，2013o.过程控制系统，郑辑光编著，清华大学出版社，2012。.过程控制实验指导书，刘星桥、王东宏编写，印刷，2012。七、大纲说明（内容可包括课程基本要求、习题要求及其它一些必要的说明）.主要采用多媒体教学手段，主要知识点板书与多媒体相结合，多种教学手段综合 运用。.课后共需完成大约15-25道习题作业，以评价学生对所学内容的理解和应用情 况。建议利用网络教学平台自学相关内容。2017年9月10日附录L实验考核方式及评分细则本实验以考查为主，考核的内容包括实验过程的表