自动化仪表与过程控制.docx

1、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

2、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

3、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.

4、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，

5、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.西安石油大学教案

6、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100100，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

7、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

8、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：

9、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.备注西安石油大学教案 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

10、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

11、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

12、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

13、出版社.西安石油大学教案 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。

14、下列哪个为正确的修正公式 ？a. p = Hg + h b. p = Hghc. p = （Hh）g d. p = （Hh）g 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.西安石油大学教案 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

15、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-型温度比例控制器, 测温范围为2001200。当温度

16、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是( )。A 40% B 25%C 20% D 80%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2.2 PID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

17、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cD 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）D

18、DZ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

19、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

20、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.备注西安石油大学教案 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

21、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T=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.西安石油大学教案 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

22、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

23、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

24、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420mA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

25、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

26、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

27、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，

28、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