现代测控技术 教学大纲

第页现代测控技术一、课程说明课程编号：090159Z10课程名称：现代测控技术/ModernMeasurementandControlTechnique课程类别：专业课学时/学分：48/3（其中实验学时：8）先修课程：自动控制原理、传感器与检测技术、微机原理与系统、嵌入式微控制器技术适用专业：测控技术与仪器，自动化，电气工程及其自动化教材、教学参考书：1.韩九强.现代测控技术与系统.北京：清华大学出版社.2013年；2.吕辉等编.现代测控技术.西安：西安电子科技大学出版社.2010年；3.何克忠,李伟.计算机控制系统（第3版）.北京：清华大学出版社.2010年；4.黄德先,王京春,金以慧.过程控制系统.北京：清华大学出版社.2011年；5.于海生,丁军航,潘松峰等编.微型计算机控制技术(第2版).北京：清华大学出版社.2011年二、课程设置的目的意义《现代测控技术》是为测控技术与仪器专业设立的一门专业教育核心课程，是在传统的测控技术的基础上，融现代传感技术、通信技术和计算机技术于一体，将现代科学研究方法与成果应用于测控系统中。本课程旨在通过学习现代测控技术的基本知识，使学生掌握现代测控系统的组成方式和结构设计方法；结合自动控制原理、传感器与检测技术等先修课程知识，掌握自动检测系统的组成、传感器的分类、性能指标及应用场合以及模拟量和数字量输入通道设计；同时，在学习Z变换方法的基础上，实现数字PID控制算法及其改进算法，完成数字控制器的设计；了解串级控制器、前馈调节器、大纯滞后补偿器、多变量解耦控制器等复杂控制算法的实现方法；通过工业实例详细的介绍控制系统的工程设计方法与实现。本课程涵盖了测控技术与仪器专业的相关先修课程，实现了传感器与检测技术、信号处理技术以及自动控制原理等专业知识的综合应用，同时也为后续专业课程的学习打下基础。通过学习和设计测控系统，建立学生的工程技术思想，提高学生工程技术的基本素养。三、课程的基本要求知识：理解现代测控的基本概念；掌握数据采集系统、计算机控制系统的组成、分类和性能指标；掌握现代测控系统的组成方式和结构设计、总线及其接口技术；结合传感器与检测技术等先修课程知识，掌握自动检测系统的组成、传感器的分类及性能指标及模拟量和数字量输入通道设计方法；在学习Z变换方法的基础上，实现数字PID控制算法及其改进算法；熟悉串级控制器、前馈调节器、大纯滞后补偿器、多变量解耦控制器等复杂计算机控制策略分析和设计，熟知各方法的特点和应用场合；通过实例了解控制系统的工程设计方法与实现，形成集硬件选型、数据采集、信号处理及控制器设计于一体的控制系统设计体系。能力：将数字信号处理、自动控制原理、传感器与检测技术等相关专业核心课程综合应用于一般工程问题，针对实际系统的性能要求和应用环境，选择适用的传感器和数据采集装置，进一步，对采集的信号进行处理，并且根据系统的性能指标，设计合理的控制器，在分析、学习和解决现代测控系统问题的过程中，积累经验知识，培养和提高学生分析、解决实际问题的能力。素质：通过学习基本知识，了解实际案例，建立控制系统设计的基本思维模式；掌握现代测控系统的组成方式和结构设计，熟知控制器设计方法的多样性；认识硬件选型、信号处理及控制器选择对系统实现的重要性，理解不同控制器对系统性能指标的影响；建立根据实际系统需求，能够合理的选定系统解决方案的思维模式；树立解决实际系统设计问题需要综合运用本课程与相关课程知识并考虑实际环境等客观约束的观念，并在解决实际问题过程中，提升自主学习的意识，形成不断学习和适应发展的素质。四、教学内容、重点难点及教学设计章节教学内容总学时学时分配教学重点教学难点教学方案设计（含教学方法、教学手段）讲课(含研讨)实践第1章绪论440现代测控技术的定义；数据采集系统、计算机控制系统的组成，分类和性能指标。测控系统的原理及其性能指标。从工程案例入手，结合图表，讲解数据采集系统和计算机控制系统的组成、分类和特点；选择典型的控制系统应用实例介绍现代测控技术的作用、内容及发展趋势。第2章现代测控系统的体系结构660现代测控系统的组成方式和结构设计；嵌入式微机系统；总线及其接口技术；现场总线概述。嵌入式微处理器的结构和应用场合；并行和串行总线的区别。图文结合讲解现代测控系统的体系结构和微处理器的嵌入式微机系统的结构和特点；结合典型示例介绍现场总线的发展、特点、应用和工程中常用的总线标准。第3章自动检测系统的设计与工程实现862自动检测系统的组成；传感器的分类及性能指标；模拟量和数字量输入通道设计；抗干扰技术。各传感器的类型和特点；模拟量和数字量输入通道设计中的结构、信号调理及数据采集方法。结合传感器与检测技术等先修课程知识，介绍各种类型传感器的特点和应用场合；以典型实例分析传感器选型的基本方法；图文结合介绍输入输出接口的设计，及信号处理方法；通过回顾、讨论及课后练习，加深对传感器选型输入通道设计方法的认识。第4章数字控制器设计1284数字控制系统；Z变换方法；数字PID控制及其改进控制算法；数字控制器的计算机实现。采样与保持；Z传递函数；数字PID控制算法；PID控制算法中各参数对系统性能的影响。以典型的离散数字控制系统为例引出采样器、保持器及控制器；着重介绍数字PID控制器，结合实例进行公式推导和求解，明确各参数对系统性能的影响；通过讨论及课后练习，强化控制器设计方法的学习和应用。第5章复杂计算机控制策略分析与设计1082串级控制器、前馈调节器、大纯滞后补偿器、多变量解耦控制器等数字控制器的实现方法。计算机的串级控制、前馈调节和Smith补偿；多变量解耦原则。以工业应用实例为背景介绍各控制算法的应用场合；以数学描述为主导，结合文字和系统框图，讲解各种复杂算法的原理、特点和应用方法；通过练习熟练掌握各算法的原理，强化对复杂算法及其应用的认识。第6章现代测控系统设计及应用示例880控制系统的工程设计方法；控制系统可靠性技术；控制系统的设计与实现以及实现范例。控制系统可靠性设计及实现技术；控制系统工程设计及实现方法。结合图文和实例介绍系统设计原则以及工程项目设计的总体方案和具体步骤；分类介绍各可靠性技术的特点和应用方法；以课题组研发的锌电解过程控制系统、基于机器视觉的选矿过程监控系统为应用示例进行综合讲解现代测控系统设计和实现方法、步骤及注意事项等。五、实践教学内容和基本要求实验名称实验内容学时基本要求参数检测技术熟悉典型过程参数（温度、压力、流量、液位）的检测方法。1掌握典型过程参数（温度、压力、流量、液位）的检测方法。测控系统结构熟悉液位控制系统、温度流量控制系统和压力控制系统。1掌握测控系统的组成及其工作原理。阶跃响应法参数辨识实验根据系统的输入和输出值画出系统的阶跃响应曲线并求出对象的传递函数。2掌握阶跃响应曲线法测试控制对象特性的方法。数字PID控制实验观察控制量和被控量的变化曲线，调整PID控制参数值。2掌握简单调节系统“手动—自动”无扰动切换投运方法以及用临界比例度法对调节器参数进行工程整定。控制周期调整实验设置不同的控制周期，观察不同的控制周期下的被控量的变化曲线，对不同控制周期下控制效果进行比较。1理解控制周期对控制性能的影响。波形分析分析不同PID参数下的波形。1分析各种不同参数设定时的系统响应波形曲线，掌握PID参数对系统性能的影响。六、考核方式及成绩评定采取笔试、论文、实验、平时测评相结合的考核方式，四者综合按百分制评分。重点检查学生对本课程基本知识及一般方法的掌握程度和问题分析与应用设计等解决实际问题的能力，期末笔试成绩占总评成绩的60%；同时注重平时学习过