自动化仪表与过程控制.docx
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自动化仪表与过程控制
西安石油大学教案（首页）
院（系）：
电子工程教研室（系）：
自动化
课程名称
自动化仪表与过程控制
课程类别
必修课（）限选课（∨）公共任选课（）
总学时
54
学分
3
讲授
学时
46
上机
学时
实验
学时
8
专业
自动化
班级
任课教师
汤楠
职称
教授
教学目的和要求
《过程控制及自动化仪表》是自动化专业的一门专业基础课课，它的先修课程是《自动控制原理》和《电子技术》，它以自动控制系统为体系（包括检测、变送、控制、执行及显示等），着重叙述生产过程自动化系统和仪表的原理,系统组成的各个部分及其对控制质量的影响，详细介绍了简单控制系统，复杂控制系统及新型控制系统的特点及使用场合，阐述了部分生产过程的控制方案。
学习了这门课，可以使学生掌握常用检测及控制仪表的原理和性能以及对如何实现生产过程自动化有一定了解，为后续课程继续学习PLC、DCS、SCADA、FCS、PCS工业计算机控制系统打下基础。
《过程控制及自动化仪表》是工科电类学生典型的专业基础课程，对于学生专业能力的发展关系重大。
国内很多高校都把它列为学位课和研究生入学考试的专业课。
教学重点、难点
1过程控制基础：
自动控制系统基本概念，自动控制系统的组成，过渡过程与品质指标
2被控对象特性：
工业常用对象的特点及描述方法，对象特性参数及其测定方法，常见单容和双容工业对象应用
3常用检测仪表：
常用压力温度流量物位仪表的工作原理、特点、应用及选型
4控制仪表及及控制规律：
基本控制规律及其对系统过渡过程的影响，PID运算原理，模拟控制器基本原理，数字控制算法，
5执行器：
执行器的基本组成，气动薄膜阀的结构、特点及应用，电动控制阀的结构、特点及应用，执行器气开气关形式及控制器正反作用的选择，控制阀口径的选择，仪表防爆技术
6计算机控制系统：
计算机控制系统的组成与特点，DDC系统的基本原理，DCS、FCS和SCADA等常见计算机过程控制系统的基本概念
7简单控制与复杂控制系统：
简单控制系统的结构与组成，调节方案，调节规律及整定。
串级调节系统，比值调节系统，均匀调节系统和前馈调节系统
8工业自动化系统应用举例：
石油加工，工业锅炉控制等
教材和参考书
1.历玉鸣，《化工仪表及自动化》，化学工业出版社
2.赵玉珠，《测量仪表与自动化》，石油大学出版社
3．范玉久，《化工测量及仪表》，化学工业出版社
4．周泽魁，《控制仪表与计算机控制装置》，化学工业出版社
西安石油大学教案
学时：
2
章节
概述：
0-1自动化仪表及其发展概况；0-2工业控制系统及其组成
知识点和分析方法
1、自动化仪表的概念及其发展；
2、DDZ仪表及其控制系统；
重点
难点
引入工业控制系统概念，介绍过程控制系统的结构特征
介绍课程各章节内容在系统中的位置和作用
掌握学会常用一次仪表和二次仪表安装及其连线
要求掌握内容
过程控制仪表的两线制连接
过程控制仪表的活零点
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
介绍工业过程控制系统的基本概念
引入电动单元组合仪表的概念
讲授加多媒体演示
公式推导用板书，各类仪表实物用多媒体
难点需举例说明
讨论：
过程控制系统标准信号的特点及仪表精度指标应用
本章思考题和习题
思考题：
现行国际电工委员会过程控制系统模拟信号标准为：
直流电流信号（），直流电压信号（）。
主要
参考资料
历玉鸣.《化工仪表自动化》.第三版.化学工业出版社
吴九辅.《仪表控制系统》.石油工业出版社
刘巨良.《过程控制仪表》.化学工业出版社
侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社
天津大学化工学院主编.《注册化工工程师执业资格考试基础考试（下）复习教程与模拟试题》.天津大学出版社.
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学时：
4
章节
0-3自动化仪表的基本技术指标
知识点和分析方法
自动化仪表的基本性能指标
重点
难点
测量误差与仪表的精度的概念
要求掌握内容
精度，变差，灵敏度，灵敏限等
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
讲授加多媒体演示
引入仪表精确性、快速性和可靠性概念
通过日常生活经验讨论工业仪表技术指标应用
讨论：
过程控制系统标准信号的特点及仪表精度指标应用
一次仪表的选型
本章思考题和习题
习题：
0-1,0-3,0-4
思考题：
某精度为0.5级的测温仪表测温范围－100～100℃，问该仪表在正常使用情况下的最大绝对误差是多少？
主要
参考资料
侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社
天津大学化工学院主编.《注册化工工程师执业资格考试基础考试（下）复习教程与模拟试题》.天津大学出版社.
西安石油大学教案
学时：
4
章节
第一章检测仪表：
1.1温度检测仪表工作原理及其应用
知识点和分析方法
1、了解温度测量的概念和工业上常用的测量方法；
2、掌握热电偶的测温原理及其应用；
3、掌握热电阻的测温原理及其应用；
4、理解温度变送器的基本结构；
重点
难点
热电偶的冷端延伸和冷端补偿，
热电势公式的推导和应用
热电阻的三线制；
要求掌握内容
分度表，分度号，第三导体定理，热电阻公式，热电偶、热电阻在工业现场的基本应用
热敏电阻
常用温度仪表（如热电阻、热电偶）及显示仪表的工作原理、特点应用及选型
温度变送器的基本结构及应用
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
讲授加多媒体演示
可以带传感器和变送器实物来教室教学
膨胀式温度计、压力式温度计、非接触式温度计、热电偶温度计和热电阻温度计
重点是热电偶和热电阻
简介工业温度检测的历史与发展
讨论题：
温度的实质是什么？
如何可以到达检测的目的？
在线检测的特点时什么？
本章思考题和习题
习题：
1-1,1-2
思考题：
在用热电偶测温时,常需要采用补偿导线。
补偿导线的作用是（）。
a.为了接入其它测量仪表
b.为了延伸冷端，使冷端远离热端
c.与第三种导线的作用相同
d.为了补偿回路的热电势
思考题：
热电阻温度计是根据（）原理来测量温度的。
思考题：
工业热电偶应用时使用补偿导线的目的是什么?
主要
参考资料
吴九辅.《现代工程检测及仪表》.石油工业出版社
侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社
天津大学化工学院主编.《注册化工工程师执业资格考试基础考试（下）复习教程与模拟试题》.天津大学出版社.
备注
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学时：
2
章节
1.2压力检测仪表工作原理及其应用
知识点和分析方法
了解工业生产中压力参数的概念和常用压力测量原理；
理解压力式、力平衡式、位移式和固态测压元件及其变送器的工作原理；
重点
难点
差动电容压力变送器工作原理
要求掌握内容
常用压力检测仪表（如弹簧管压力表、电容式压力传感器等）的基本原理、特点应用及选型
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
弹性压力计、力平衡式压力计、位移式压力计、固态测压仪表
注意本节个别内容在“工业检测技术”课程内有所涉及。
具体分工是：
“工业检测技术”强调传感器原理，本课程则以工业现场应用技术为主。
讲授，讨论加多媒体演示
注意压力的概念在工业领域中与物理概念的区别
强调法定物理单位
本章思考题和习题
习题：
1-5
思考题：
哪一种形式的仪表是根据压电效应实现压力测量的
思考题：
电容式差压变送器测量部分如图所示，问其中哪部分是作为测量膜片的电容动极片？
主要
参考资料
范玉久.《化工测量及仪表》.化学工业出版社
吴九辅.《现代工程检测及仪表》.石油工业出版社
侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社
天津大学化工学院主编.《注册化工工程师执业资格考试基础考试（下）复习教程与模拟试题》.天津大学出版社.
备注
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学时：
2
章节
1.3流量检测仪表工作原理及其应用
知识点和分析方法
理解节流式、容积式流量测量的基本原理及其应用。
理解涡轮、电磁、漩涡等流量测量方法的应用；
重点
难点
差压流量计的流量公式及其推导；
差压变送器的零点迁移原理。
要求掌握内容
掌握常用流量仪表（如差压式流量计、转子流量计、椭圆齿轮流量计、涡轮流量计、电磁流量计及旋涡流量计等）的工作原理、特点应用及选型
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
讲授，讨论加多媒体演示
公式推导板书完成
差压流量测量公式完整推导，其它流量公式推导简化
测量过程用动画演示：
节流现象，椭齿工作原理，涡轮流量测量
应用伯努利方程的公式推导，尽量从原理上介绍
本章思考题和习题
习题：
1-7
思考题：
1，电容差压传感器与力矩平衡式相比在结构上的突出优点是什么？
2，差压流量计的流量方程是根据哪些基本物理定律推导出来的？
思考题：
流量计中哪一个最适合小流量、小管经和低雷诺数的流量测量？
主要
参考资料
范玉久.《化工测量及仪表》.化学工业出版社
吴九辅.《现代工程检测及仪表》.石油工业出版社
侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社
天津大学化工学院主编.《注册化工工程师执业资格考试基础考试（下）复习教程与模拟试题》.天津大学出版社.
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学时：
2
章节
1.4液位检测仪表工作原理及其应用；1.5成分分析仪表简介
知识点和分析方法
理解浮力式、静压式、电容式、超声式等常用液位测量原理；
热导、红外、色谱分析仪简介
重点
难点
差压法和电容法测量液位
要求掌握内容
掌握常用物位测量仪表（如差压式液位变送器等）的工作原理、特点、应用及选型。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
讲授，加多媒体演示
介绍液位测量在应用中常遇到的问题
简单介绍在线分析仪工作原理
本章思考题和习题
习题：
1-8，1-9
思考题：
当仪表安装高度与容器最低液位不在同一水平位置上时，静压式液位测量读数需要正迁移修正。
下列哪个为正确的修正公式？
a.Δp=Hρg+h
b.Δp=Hρg－h
c.Δp=（H＋h）ρg
d.Δp=（H－h）ρg
思考题：
求电容式液位计的液位公式。
主要
参考资料
范玉久.《化工测量及仪表》.化学工业出版社
吴九辅.《现代工程检测及仪表》.石油工业出版社
侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社
天津大学化工学院主编.《注册化工工程师执业资格考试基础考试（下）复习教程与模拟试题》.天津大学出版社.
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学时：
2
章节
第二章调节器：
2.1二位式和连续调节规律
知识点和分析方法
重点掌握PID调节规律的原理及其应用；理解PID模拟电路的结构原理；了解二位式和连续调节仪表应用的基础知识；理解数字PID算法基本表达式及其原理；简单了解工业现场常用模拟和数字调节器的基本结构及其应用。
重点
难点
PID控制原理
要求掌握内容
PID调节规律的原理及其应用；各种控制规律及其特点；比例度、积分时间、微分时间对控制系统的影响，了解控制器参数的工程整定方法。
比例度和比例带。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
由二位式控制引入PID控制
举比较直观的温度、液位系统控制的实际例子
用汽车轨迹控制为例说明控制参数的影响
引入静态误差的概念
讲授，讨论加多媒体演示
本章思考题和习题
习题：
2-1，2-3
思考题：
某台DDZ-Ⅲ型温度比例控制器,测温范围为200~1200℃。
当温度给定值由800℃变化到850℃时,其输出由12mA变化到16mA。
则该控制器的比例度δ是（）。
A40%B25%
C20%D80%
主要
参考资料
历玉鸣，《化工仪表及自动化》，化学工业出版社
赵玉珠，《测量仪表与自动化》，石油大学出版社
张宝芬，《自动检测技术及仪表控制系统》，化学工业出版社
周泽魁，《控制仪表与计算机控制装置》，化学工业出版社
备注
西安石油大学教案
学时：
2
章节
2.2PID运算电路
知识点和分析方法
PI电路，PD电路，
重点
难点
PI、PD运算
要求掌握内容
全刻度电动调节器应用
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
讲授，讨论加多媒体演示
提前通知学生复习电子技术中运算放大器的应用相关内容。
以调节器工作原理及其应用为主，防止讲成电路分析。
可以使用仿真手段
本章思考题和习题
某流量自动控制系统，用纯比例控制器进行控制。
图示为采用不同比例度时系统的过渡过程（其中曲线b、c为比较满意的控制结果）。
试判断四条过渡过程曲线中哪一条对应的比例度最大？
A曲线a
B曲线b
C曲线c
D曲线d
主要
参考资料
历玉鸣，《化工仪表及自动化》，化学工业出版社
赵玉珠，《测量仪表与自动化》，石油大学出版社
张宝芬，《自动检测技术及仪表控制系统》，化学工业出版社
周泽魁，《控制仪表与计算机控制装置》，化学工业出版社
康光华，《电子技术基础》，高等教育出版社
备注
西安石油大学教案
学时：
2
章节
2.2（续）DDZ模拟调节器
知识点和分析方法
重点掌握PID调节规律的原理及其应用；
基本理解PID模拟电路的结构原理；
理解数字PID算法基本表达式及其原理；
初步了解工业现场常用模拟和数字调节器的基本结构及其应用。
重点
难点
理想微分和实际微分电路的概念
要求掌握内容
DDZ模拟调节器基本应用
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
多媒体演示为主
了解工业常用模拟调节器的应用
讨论操作员在控制台上的主要监视和操作内容
本章思考题和习题
作业：
2-2
思考题：
哪几个常用控制规律中属于有差控制（即在过渡过程结束后还可能存在一定的余差）？
主要
参考资料
1.历玉鸣，《化工仪表及自动化》，化学工业出版社
2.赵玉珠，《测量仪表与自动化》，石油大学出版社
3．范玉久，《化工测量及仪表》，化学工业出版社
4．周泽魁，《控制仪表与计算机控制装置》，化学工业出版社
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学时：
2
章节
2.3-2.4调节器阶跃响应、频率特性和线路实例，
知识点和分析方法
输入电路，输出电路，手动电路
重点
难点
无扰动切换的概念
要求掌握内容
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
讲授，讨论加多媒体演示
还是要防止讲成电路分析，可将其中部分内容布置通过复习电子技术自学理解
讨论：
常用调节规律的特点。
本章思考题和习题
习题：
2-6，2-7
主要
参考资料
历玉鸣.《化工仪表自动化》.第三版.化学工业出版社
吴九辅.《仪表控制系统》.石油工业出版社
刘巨良.《过程控制仪表》.化学工业出版社
江秀汉.《长输管道自动化技术》.西北工业大学出版社
天津大学化工学院主编.《注册化工工程师执业资格考试基础考试（下）复习教程与模拟试题》.天津大学出版社.
备注
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学时：
2
章节
2.5集散数字控制仪表
知识点和分析方法
数字PID算法
重点
难点
位置式和增量式算法
变形的PID算法（积分分离、微分先行）
要求掌握内容
了解数字PID的编程和调节过程
采样周期的概念
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
讲授，讨论加多媒体演示
注意和“计算机控制技术”课程的分工
PID算法运算和编程都要举例说明
算法框图要讲清楚
举例说明数字PID是运算过程
本章思考题和习题
思考题：
已知数字积分运算：
•积分时间Ti=0.1s，
•采样周期ΔT=0.2s，
•输入采样值x（0）=2,x
（1）=2,x
（2）=1,x（3）=1,
求k=3时刻的数字积分运算结果。
主要
参考资料
历玉鸣.《化工仪表自动化》.第三版.化学工业出版社
吴九辅.《仪表控制系统》.石油工业出版社
刘巨良.《过程控制仪表》.化学工业出版社
吴明.《油气储运自动化》.化学工业出版社
天津大学化工学院主编.《注册化工工程师执业资格考试基础考试（下）复习教程与模拟试题》.天津大学出版社.
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学时：
2
章节
2.6可编程数字调节器
知识点和分析方法
数字调节器基本应用
重点
难点
无
要求掌握内容
以SLPC为例说明可编程单回路调节器的应用
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
多媒体演示为主
以SLPC为主，适当介绍KMM
举缓冲容器选择控制的例子说明控制算法编程的应用（这个例子介绍详细点）
本章思考题和习题
思考题：
SLPC可编程调节器的主要外部连接特征包括下列哪几项：
A：
模拟量输入/输出
B：
开关（状态）量输入/输出
C：
双向串行数据接口
D：
SPRG编程器接口
主要
参考资料
历玉鸣.《化工仪表自动化》.第三版.化学工业出版社
吴九辅.《仪表控制系统》.石油工业出版社
刘巨良.《过程控制仪表》.化学工业出版社
侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社
夏杨.《计算机控制技术》.机械工业出版社
西安石油大学教案
学时：
2
章节
第三章集散控制系统；现场总线控制系统
知识点和分析方法
了解DCS系统的基本概念；理解DCS系统的结构特点及其组成；理解DCS控制站和操作站的功能；了解FCS系统的基本概念
重点
难点
了解计算机控制系统的基本组成与基本概念。
要求掌握内容
DCS和FCS的基本概念
了解DCS系统的概念：
特点、组成、控制站功能、操作站功能
了解FCS系统的基本概念：
特点
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
讲授加多媒体演示
举例说明几种常见计算机控制系统
简介，注意和其它选修课的分工。
引入内部仪表及其组态的概念
主要内容控制在：
系统结构特征，工业现场应用特点及举例，控制算法编程（回路控制、顺序控制）、监控画面组态等
本章思考题和习题
习题：
3-2，3-3，3-4
思考题：
DCS操作站的基本功能是什么？
思考题：
下列那些项属于现场控制总线系统（FCS）的变送器和传统的模拟变送器比较的不同之处？
（A）具有自动变换和自动补偿功能；
（B）嵌有PID控制和其它运算模块；
（C）应用数字信号进行运算和通讯；
（D）输出标准4～20mA直流电流信号。
主要
参考资料
历玉鸣.《化工仪表自动化》.第三版.化学工业出版社
吴九辅.《仪表控制系统》.石油工业出版社
刘巨良.《过程控制仪表》.化学工业出版社
侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社
夏杨.《计算机控制技术》.机械工业出版社
任风清.《工业计算机控制系统的发展与应用》.冶金工业出版社
备注
西安石油大学教案
学时：
2
章节
第四章执行器：
4.1气动执行器和电动执行器
知识点和分析方法
气动执行器、电动执行器
重点
难点
了解气动执行器和电动执行器的基本组成、基本结构、特点及应用；掌握控制阀的流量特性、执行器的气开气关形式及控制器的正反作用的选择、控制阀口径的选择等。
要求掌握内容
熟炼掌握气动调节阀的基本结构、原理及其应用等基本概念；熟悉调节器流量特性的定义及其应用；理解和掌握气动执行器气开/气关的形式及其选择原则；了解电动执行器及电气转换器的基本原理；简单了解工业控制系统防爆的基本概念
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
讲授，讨论加多媒体演示
以气动执行器为主
举例介绍气开、气关的概念
举例说明几种不同形式的气动执行器的特点
引入本安仪表的概念
本章思考题和习题
习题：
4-1，4-2
思考题：
调节阀串联管路中，管路中其它阻力件的阻力增加会导致全开阀阻比s发生什么变化？
思考题：
下列调节阀中，哪一个的理想流量特性为放大系数随阀门开度增加而增大，较为有利于系统控制？
（A）百分比（对数）；（B）快开；
（C）直线；（D）薄膜。
主要
参考资料
历玉鸣.《化工仪表自动化》.第三版.化学工业出版社
吴九辅.《仪表控制系统》.石油工业出版社
刘巨良.《过程控制仪表》.化学工业出版社
侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社
天津大学化工学院主编《.注册化工工程师执业资格考试基础考试（下）复习教程与模拟试题》.天津大学出版社.
备注
西安石油大学教案
学时：
2
章节
4.1调节阀的流量特性；4.2记录仪和防爆栅。
知识点和分析方法
熟炼掌握气动调节阀的基本结构、原理及其应用。
熟悉调节器流量特性的概念。
掌握气动执行器气开/气关的形式及其选择原则。
了解电动执行器及电气转换器的基本原理。
简单了解工业控制系统防爆的基本概念。
重点
难点
执行器气开/气关的形式及其选择原则；
调节阀固有流量特性和工作流量特性；
要求掌握内容
阀门的流量特性和流通能力
安全火花防爆系统
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
讲授，讨论加多媒体演示
详细介绍流量特性的概念
简要介绍调节阀口径的选择算法
介绍电动执行器的特点
简单介绍电气转换器、阀门定位器的概念
强调工业现场电气设备的防爆概念
本章思考题和习题
习题：
4-3，4-5
思考题：
图为贮罐液位控制系统，为安全起见，贮罐内液体严禁溢出。
当选择流出量Q为操纵变量时，其控制阀和控制器分别应如何选择作用方向？
（A）气关式、正作用（B）气开式、正作用
（C）气关式、反作用（D）气开式、反作用
主要
参考资料
历玉鸣.《化工仪表自动化》.第三版.化学工业出版社
吴九辅.《仪表控制系统》.石油工业出版社
刘巨良.《过程控制仪表》.化学工业出版社
侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社
天津大学化工学院主编《.注册化工工程师执业资格考试基础考试（下）复习教程与模拟试题》.天津大学出版社.
备注
西安石油大学教案
学时：
2
章节
调节对象特性：
常见单容和多容对象特性及其数学描述
知识点和分析方法
对象动态特性及其数学描述；测定动态特性中的数据处理方法；
重点
难点
了解被控对象数学模型的意义及数学模型的建立方法；掌握一阶对象的数学模型；掌握表征被控对象特性的三个参数——放大系数K、时间常数T和滞后时间τ的物理意义及其对控制质量的影响。
要求掌握内容
熟练掌握单容对
升级会员 