《化工仪表及自动化》课程教学大纲

一、课程基本信息

课程名称：《化工仪表及自动化》

课程类别：专业基础课

学 时：36学时

学　　分：2个

适用对象：化学工程与工艺

考核方式：期末考试成绩（占70%）加平时成绩（占30%），其中期末考试为闭卷考试，平时成绩包括考勤，作业、实验和平时测验等。

二、课程的简介与任务

《化工仪表及自动化》是根据应用化工技术专业教学计划的要求，为培养高级化工工艺操作工而开设的一门实践性很强的专业课程。内容包括：化工检测仪表：检测仪表基本知识、压力检测、流量检测、物位检测、温度检测和显示仪表；化工自动化基础：自动控制系统概述、对象特性和建模、基本控制规律、自动控制仪表、执行器、简单控制系统、复杂控制系统、高级控制系统、计算机控制系统、可编程控制器、典型化工单元的控制方案。

任务：能了解主要工艺参数（温度、压力、流量及物位）的检测方法及其仪表的工作原理及特点；能根据工艺要求，正确地选用和使用常见的检测仪表及控制仪表。 2、能了解工业自动化的初步知识，理解基本控制规律，懂得控制器参数是如何影响控制质量的。3、 能根据工艺的需要，和自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案；能为自控设计提供正确的工艺条件和数据；能在生产开停车过程中，初步掌握自动控制系统的投运及控制器参数整定。 4、能了解检测技术和控制技术的发展趋势和最新发展动态。

三、课程教学的基本要求

《化工仪表及自动化》是一门理论与工程实践密切相关的课程，教学内容以化工仪表及自动化的基本知识和基本技能为主，注重学生分析问题、解决实际问题的能力培养，通过本课程的学习，应达到以下知识和能力要求：

理解仪表自动化系统的组成及品质指标； 掌握常用检测仪表的结构、功能、特点，能根据工艺要求选型；掌握控制器的基本控制规律及PID参数对系统品质指标的影响；理解简单控制系统构成及特点；了解复杂控制系统构成及特点；掌握典型化工单元的控制方案；理解集散控制的组成、功能和特点。

四、课程的内容

（一）课程的主要内容

1．自动控制系统基本概念  

主要内容：

第一节 化工自动化的主要内容

第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式

一、自动控制系统的基本组成

二、自动控制系统的表示形式

第三节 自动控制系统的分类

一、按被控变量分类

二、按控制器控制规律分类

三、按给定值的变化情况分类

第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标

一、控制系统的静态与动态

二、控制系统的过渡过程

三、控制系统的品质指标

四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素

教学重点：自动控制系统的组成, 过程控制系统的组成及方框图表示方法；

教学难点：过程控制系统品质指标的意义；对象的特性参数对系统品质指标影响；

教学目标：通过对包括自动控制系统基本概念、方块图、过渡过程、品质指标等内容的了解，要求理解自动控制系统的基本概念。

2．过程特性及其数学模型

主要内容：

第一节 化工过程的特点及其描述方法

一、化工对象的特点

二、描述对象特性的两种方法

第二节 对象数学模型的建立

一、建模目的

二、机理建模

三、实验建模

第三节 描述对象特性的参数

一、放大系数K

二、时间常数T

三、滞后时间

教学重点：过程控制系统品质指标的意义；对象的特性参数对系统品质指标影响

教学难点： 放大系数，时间常数，的掌握。

教学目标：掌握对象的特性参数对系统品质指标影响；

3．检测仪表与传感器

主要内容：

第一节 概述

一、测量过程与测量误差

二、仪表的性能指标

三、工业仪表的分类

第二节 压力检测及仪表

一、压力单位及测压仪表

二、弹性式压力计

三、电气式压力计

四、智能型压力变送器

五、压力计的选用及安装

第三节 流量检测及仪表

一、概述

二、差压式流量计

三、转子流量计

四、椭圆齿轮流量计

五、涡轮流量计

六、电磁流量计

七、漩涡流量计

八、质量流量计

第四节 物位检测及仪表

一、概述

二、差压式液位变送器

三、电容式物位传感器

四、核辐射物位计

五、称重式液罐计量仪

第五节 温度检测及仪表

一、温度检测方法

二、热电偶温度计

三、热电阻温度计

四、电动温度变送器

五、一体化温度变送器

六、智能式温度变送器

七、测温元件的安装

第六节 现代检测技术与传感器的发展

一、软测量技术的发展

二、现代传感器技术的发展

第七节 显示仪表

一、 数字式显示仪表

二、 无笔、无纸记录仪

三、 虚拟显示仪表

教学重点：掌握智能式变送器的特点和结构原理；掌握各种压力计的特点及选型。掌握差压式流量计的测量误差产生原因及选用；掌握差压式液位计的工作原理及零点迁移消除问题；

教学难点：热电偶温度计的分度号意义，补偿导线与冷端温度补偿的方法；

教学目标：通过本章的学习，使同学了解各种检测仪表的基本原理，掌握各类仪表的使用场合。

4.自动控制仪表

主要内容：

第一节 概述

第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响

一、双位控制

二、比例控制

三、积分控制

四、微分控制

第三节 模拟式控制器

一、基本构成原理及部件

二、DDZ?Ⅲ型电动控制器

第四节 数字式控制器

一、数字式控制器的主要特点

二、数字式控制器的基本构成

三、KMM型可编程序调节器

第五节 可编程序控制器

一、概述

二、可编程序控制器的基本组成

三、可编程序控制器的编程语言

四、OMRON C系列PLC

五、应用示例

教学重点：各类控制器的主要特点及基本构成

教学难点： 可编程序控制器的编程语言。

教学目标：了解自动控制仪表作用与分类，了解模拟式电动控制器的基本构成原理及各部分组成，掌握单回路数字控制器、可编程序控制器的基本情况。

5.执行器

主要内容：

第一节 气动执行器

一、气动执行器的结构与分类

二、控制阀的流量特性

三、控制阀的选择

四、气动执行器的安装和维护

第二节 电动执行器

第三节 电-气转换器及电-气阀门定位器

一、电-气转换器

二、电-气阀门定位器

第四节 数字阀与智能控制阀

一、数字阀

二、智能控制阀

教学重点：执行机构正反作用、控制机构正反装、执行器气开气闭形式及其选择，会进行气动薄膜调节阀与阀门定位器联校。

教学难点：气动执行器的结构及工作原理；

教学目标：了解执行器的作用及种类，理解气动执行器的结构与工作原理，掌握执行机构正反作用、控制机构正反装、执行器气开气关形式及其选择，理解控制阀的流量特性及其种类，了解电动执行器的组成及作用。

6.简单控制系统

主要内容：

第一节 简单控制系统的结构与组成

第二节 简单控制系统的设计

一、被控变量的选择

二、操纵变量的选择

三、测量元件特性的影响

四、控制器控制规律的选择

第三节 控制器参数的工程整定

一、临界比例度法

二、衰减曲线法

三、经验凑试法

教学重点：简单控制系统的构建和调试。

教学难点：被控变量、操纵变量的选择原则及控制器正、反作用确定的方法。

教学目标：了解简单控制系统的结构、组成及作用；掌握简单控制系统中被控变量、操纵变量选择的一般原则；了解各种基本控制规律的特点及应用场合；掌握控制器正、反作用确定的方法；掌握控制器参数工程整定的方法。

7.复杂控制系统

主要内容：

第一节 串级控制系统

一、概述

二、串级控制系统的工作过程

三、串级控制系统的特点

四、串级控制系统中副回路的确定

五、主、副控制器控制规律及正、反作用的选择

六、控制器参数的工程整定

第二节 均匀控制系统

一、均匀控制的目的

二、均匀控制方案

第三节 比值控制系统

一、概述

二、比值控制系统的类型

第四节 前馈控制系统

一、前馈控制系统及其特点

二、前馈控制的主要形式

三、前馈控制的应用场合

第五节 选择性控制系统

一、基本概念

二、选择性控制系统的类型

三、积分饱和及其防止

第六节 分程控制系统

一、概述

二、分程控制的应用场合

三、分程控制中的几个问题

教学重点：串级控制系统的构建和调试。

教学难点：串级控制系统主副变量的选择原则

教学目标：掌握串级控制系统的结构、工作过程、特点及应用场合；掌握串级控制系统中副变量的确定及主、副控制器正反作用的选择；了解串级控制系统中主副控制器参数的工程整定方法。理解设置均匀控制系统的目的及控制方案。了解比值控制系统的各种类型，掌握单闭环比值控制方案的结构及特点。掌握前馈控制系统的结构、特点及应用场合。理解连续型选择性控制系统的结构特点及控制方案，了解开关型选择性控制系统，了解积分饱和现象的产生及防止方法。理解分程控制系统的结构及应用场合。了解多冲量控制系统的意义，理解三冲量控制系统的结构特点。

8.新型控制系统

教学内容

第一节 自适应控制系统
一、变增益自适应控制
二、模型参考自适应控制系统
三、直接优化目标函数的自适应控制系统
四、自校正控制系统

第二节 预测控制
一、预测控制的基本结构
二、预测控制的特点及应用
第三节 其他新型控制系统
一、智能控制
二、专家控制系统
三、模糊控制系统
四、神经元网络控制
五、故障检测与故障诊断
六、解耦控制系统
七、推断控制系统
八、鲁棒控制

教学重点：自控制系统与预测控制的基本结构。

教学难点：新型控制系统的结构。

教学目标：掌握自控制系统的参数，掌握预测控制模型的结构，了解智能控制和专家控制系统的概念和类型。

五、教学时数分配表

六、成绩考核与评定方式

成绩考核：平时占30%，期末占70%。

评定方式：平时以作业和出勤率为考核标准，期末以试卷的形式体现。

 

七、使用教材及主要参考书

使用教材：《化工仪表及自动化》（第五版）厉玉鸣主编，化学工业出版社，2013年7月。

主要参考书：

[1]《化工仪表及自动化》（第四版）厉玉鸣主编，化学工业出版社，2006

[2]《化工自动化及仪表》杨丽明，张光新编著，化学工业出版社，2006年9月；