化學化工學院應用化學專業(yè)化工儀表及自動化教學大綱

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1、 化學化工學院應用化學專業(yè)《化工儀表及自動化》教學大綱 一、說 明 適用專業(yè) 應用化學 先修課程 大學物理、化工原理、電子電工學 總學時 48(32+16) 總學分 2.5 （一）本課程的目的、要求 化工儀表及自動化是從自動控制系統(tǒng)的基本概念入手，系統(tǒng)講述構成自動控制系統(tǒng)的各個基本環(huán)節(jié)，包括被控對象、測量元件及變送器、顯示儀表、自動控制儀表、執(zhí)行器等；以及簡單控制系統(tǒng)、復雜控制系統(tǒng)與新型控制系統(tǒng)。 通過對本課程的學習，學生應能了解化工自動化的基本知識，理解自動控制系統(tǒng)的組成、基本原理及各環(huán)節(jié)的作用；能根據(jù)工藝要求，與自控設計人員共同討論和提出合理的自動控制方

2、案；能在工藝設計和技術改造中，與自控設計人員合作，綜合考慮工藝與控制兩個方面，并為自控設計人員提供正確的工藝條件與數(shù)據(jù)；能了解化工對象的基本特性及其對控制過程的影響；能了解基本控制規(guī)律及其控制器參數(shù)與被控過程的控制質量之間的關系；能了解主要工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量及物位）的基本測量方法和儀表的工作原理及其特點；在生產(chǎn)控制、管理和調度中，能正確地選用和使用常用的測量儀表和控制裝置，使它們充分發(fā)揮作用；能在生產(chǎn)開停過程中，初步掌握自動控制系統(tǒng)的投運及控制器的參數(shù)整定；能在自動控制系統(tǒng)運行過程中，發(fā)現(xiàn)和分析出現(xiàn)的一些問題和現(xiàn)象，以便提出正確的解決方法；能在處理各類技術問題時，應用一些控制論、系統(tǒng)論

3、、信息論的觀點來分析思考，尋求考慮整體條件、考慮事物間相互關聯(lián)的綜合解決方法。 （二）內(nèi)容選取和實施中注意的問題 本課程總學時為48學時，其中理論課32學時，同時為了使學生理論聯(lián)系實際，幫助學生掌握所學內(nèi)容,安排16學時的實驗課。理論課應注意典型儀表及原理的詳細講解與一些先進儀表發(fā)展方向的了解相結合；其中典型化工單元的控制方案對應化專業(yè)不要求。實驗課程以實驗為主，并安排一定量的習題。 （三）教學方法 本課程的教學內(nèi)容通過課堂教學、習題訓練、現(xiàn)場參觀等教學形式來全面掌握。通過主講老師講授、同學們討論、上習題課的方式進行。采用多種教學方式與教學手段相結合。注意把理論與開設的實驗配套講解。

4、 （四）考核方式 本課程為考察課，平時成績及作業(yè)40%+實驗成績40%+期末化工自動化單元小設計20%；滿分100分。 （五）教學內(nèi)容與學時分配 教學章節(jié) 教學內(nèi)容 學時安排 備注 1 自動控制系統(tǒng)的基本概念 3 2 過程特性及數(shù)學模型 3 3 檢測儀表及傳感器 9 4 自動控制儀表 3 5 執(zhí)行器 3 6 簡單控制系統(tǒng) 4 7 復雜控制系統(tǒng) 6 8 新型控制系統(tǒng) 1 二、大 綱 內(nèi) 容 第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念 1. 自動控制系統(tǒng)的組成 2. 自動控制系統(tǒng)的方塊圖 3. 過渡

5、過程和品質指標 說明與要求： (1) 掌握自動控制系統(tǒng)的組成，了解各組成部分的作用以及相互影響和聯(lián)系； (2) 理解自動控制系統(tǒng)中常用的各種術語，掌握方塊圖的意義及畫法； (3) 熟悉管道及控制流程圖上常用符號的意義； (4) 了解控制系統(tǒng)的幾種分類形式，掌握系統(tǒng)的動態(tài)與靜態(tài)； (5) 掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)在階躍干擾（擾動）作用下，過渡過程的幾種基本形式及過渡過程品質指標的含義。 教學重點： 自動控制系統(tǒng)的組成及各環(huán)節(jié)作用，自動控制系統(tǒng)組成方塊圖，自動控制系統(tǒng)品質指標。 教學難點： 自動控制系統(tǒng)的過渡過程 第二章 過程特性及數(shù)學模型 1. 數(shù)學模型及描述方法 2.

6、機理建模 3. 描述對象特性的參數(shù) 4. 實測建模 說明與要求： (1) 了解建立被控對象數(shù)學模型的意義及數(shù)學模型的建立方法； (2) 掌握用機理建模的方法建立簡單對象數(shù)學模型； (3) 掌握表征被控對象特性的三個參數(shù)，包括放大系數(shù)、時間常數(shù)、滯后時間的物理意義及其對控制質量的影響； (4) 了解被控對象特性的實驗測定方法。 教學重點： 一階對象、二階對象特性參數(shù)K、T、τ含義及其對控制過程的影響。 教學難點： 對象數(shù)學模型建立的機理建模和實驗建模，一階對象、二階對象特性參數(shù)K、T、τ含義及其對控制過程的影響。 第三章 檢測儀表及傳感器 3.1 檢測儀表基本知識

7、 1. 測量過程與測量誤差 2. 檢測儀表的品質指標 3. 檢測系統(tǒng)中的常見信號類型 4. 檢測系統(tǒng)中信號的傳遞形式 5. 檢測儀表與測量方法的分類 6. 化工檢測的發(fā)展趨勢 說明與要求： (1) 了解化工檢測的發(fā)展趨勢； (2) 理解測量過程與測量誤差，檢測儀表的品質指標； (3) 掌握檢測系統(tǒng)中的常見信號類型、檢測系統(tǒng)中信號的傳遞形式、檢測儀表與測量方法的分類。 教學重點： 測量誤差、檢測儀表的品質指標、常見信號類型、信號傳遞形式。 教學難點： 測量誤差分析、檢測儀表品質指標的計算確定、檢測系統(tǒng)中信號的傳遞形式。 3.2 壓力檢測 1. 壓力單位及測壓

8、儀表 2. 彈性式壓力計 3. 電氣式壓力計 4. 智能式變送器 5. 壓力計的選用及安裝 說明與要求： (1) 了解壓力單位及測壓儀表； (2) 理解并掌握各類壓力計的機構原理和工作原理； (3) 掌握壓力計的選用及安裝。 教學重點： 彈性式壓力計、電氣式壓力計的測壓原理。 教學難點： 壓力計的選用及安裝。 3.3 流量檢測 1. 差壓式流量計 2. 轉子流量計 3. 漩渦流量計 4. 質量流量計 5. 其他流量計 說明與要求： (1) 了解節(jié)流現(xiàn)象與流量基本方程式； (2) 理解各類流量計的機構原理和工作原理； (3) 掌握差壓式流量計和轉

9、子流量計工作原理。 教學重點： 各類流量計的測量原理和方法，流量變送器的工作原理。 教學難點： 差壓式流量計、轉子流量計、質量流量計、橢圓齒輪流量計工作原理分析。 3.4 物位檢測 1. 物位檢測的意義及主要類型 2. 差壓式液位計 3. 其他物位計 說明與要求： (1) 了解物位檢測的意義及主要類型； (2) 理解零點遷移的原理并掌握具體的計算方法； (3) 掌握各類液位測量儀表的測量原理和使用場合。 教學重點： 差壓式液位計和零點遷移問題。 教學難點： 法蘭式差壓變送器測量液位和零點遷移的判斷及計算。 3.5 溫度檢測 1. 概述 2. 熱

10、電偶溫度計 3. 熱電阻溫度計 4. 溫度變送器 說明與要求： (1) 了解測溫儀表的分類和溫度檢測的基本原理； (2) 理解熱電偶溫度計、熱電阻溫度計、溫度變送器的測量原理； (3) 掌握補償導線與冷端溫度補償?shù)姆椒跋嚓P計算，溫度變送器實現(xiàn)遠傳的方法。 教學重點： 熱電偶溫度計、熱電阻溫度計、溫度變送器的測量原理。溫度補償理論及方法。 教學難點： 熱電偶溫度計、熱電阻溫度計、溫度變送器工作過程的線路分析。 3.6 顯示儀表 1. 模擬式顯示儀表 2. 數(shù)字式顯示儀表 3. 新型顯示儀表 說明與要求： (1) 了解新型顯示儀表的發(fā)展趨勢； (2) 理解

11、模擬式顯示儀表原理以及工作原理分析； (3) 掌握自動平衡電子電位差計、電子自動平衡電橋和數(shù)字式顯示儀表的工作原理。 教學重點： 自動平衡電子電位差計、電子自動平衡電橋和數(shù)字式顯示儀表的結構原理和工作原理。 教學難點： 平衡電子電位差計、電子自動平衡電橋和數(shù)字式顯示儀表的原理分析。 第四章 自動控制儀表 1. 控制儀表的作用與分類 2. 模擬式控制儀表 3. 數(shù)字式控制儀表 說明與要求： 了解自動控制儀表作用與分類，了解模擬式電動控制器的基本構成原理及各部分組成，掌握單回路數(shù)字控制器、可編程序控制器的基本情況。 教學重點： DDZ-III型電動調節(jié)器、可編程調節(jié)

12、器的基本構成及原理。 教學難點： 控制儀表的原理分析，KMM可編程調節(jié)器的實際運用。 第五章 執(zhí)行器 1. 氣動執(zhí)行器 2. 閥門定位器與電-氣轉換器 3. 電動執(zhí)行器 說明與要求： (1) 了解執(zhí)行器的作用及種類，理解氣動執(zhí)行器的結構與工作原理， (2) 掌握執(zhí)行機構正反作用、控制機構正反裝、執(zhí)行器氣開氣關形式及其選擇，理解控制閥的流量特性及其種類，了解電動執(zhí)行器的組成及作用。 教學重點： 氣動執(zhí)行器的結構與工作原理，執(zhí)行器氣開氣關形式及其選擇，控制閥的流量特性及其種類。 教學難點： 控制閥的流量特性，電動執(zhí)行器 第六章 簡單控制系統(tǒng) 1. 概述

13、2. 被控變量的選擇 3. 操縱變量的選擇 4. 控制器控制規(guī)律的選擇及參數(shù)整定 5. 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題 說明與要求： (1) 了解簡單控制系統(tǒng)的結構、組成及作用； (2) 掌握簡單控制系統(tǒng)中被控變量、操縱變量選擇的一般原則； (3) 了解各種基本控制規(guī)律的特點及應用場合； (4) 掌握控制器正、反作用確定的方法； (5) 掌握控制器參數(shù)工程整定的方法。 教學重點： 被控變量、操縱變量的選擇?？刂破骺刂埔?guī)律的選擇及參數(shù)整定。 教學難點： 控制器參數(shù)的整定方法，控制系統(tǒng)操作中的常見問題的分析及解決。 第七章 復雜控制系統(tǒng) 1. 串級控制系統(tǒng)

14、2. 其他復雜控制系統(tǒng) 說明與要求： (1) 掌握串級控制系統(tǒng)的結構、工作過程、特點及應用場合； (2) 掌握串級控制系統(tǒng)中副變量的確定及主、副控制器正反作用的選擇； (3)了解串級控制系統(tǒng)中主副控制器參數(shù)的工程整定方法； (4) 理解設置均勻控制系統(tǒng)的目的及控制方案。 (5) 了解比值控制系統(tǒng)的各種類型，掌握單閉環(huán)比值控制方案的結構及特點； (6) 掌握前饋控制系統(tǒng)的結構、特點及應用場合； (7) 理解連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)的結構特點及控制方案，了解開關型選擇性控制系統(tǒng)，了解積分飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生及防止方法； (8) 理解分程控制系統(tǒng)的結構及應用場合； (9) 了解多沖量控制系

15、統(tǒng)的意義，理解三沖量控制系統(tǒng)的結構特點。 教學重點： 串級控制系統(tǒng)的特點及應用。主、副控制器控制規(guī)律的選擇。主、副控制器正反作用的選擇?？刂破鲄?shù)整定與系統(tǒng)投運。 教學難點： 根據(jù)實際情況控制規(guī)律的選擇?？刂破髡醋饔玫倪x擇?？刂破鲄?shù)整定方法與系統(tǒng)投運。 第八章 新型控制系統(tǒng) 1. 自適應控制系統(tǒng) 2. 預測控制系統(tǒng) 3. 智能控制系統(tǒng) 4. 神經(jīng)元網(wǎng)絡控制 5. 模糊控制系統(tǒng) 6. 最優(yōu)控制系統(tǒng) 7. 控制管理一體化 教學要求： (1) 了解自適應控制系統(tǒng)的特點、用途及主要類型； (2) 了解預測控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)與專家系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)額基本概念；

16、 (3) 對神經(jīng)元網(wǎng)絡控制、故障檢測與故障診斷的基本概念有所了解。 教學重點： 新型控制系統(tǒng)的類型及用途，以及未來新型控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 教學難點： 各類新型控制系統(tǒng)的控制原理。 三、教材和主要參考書 教材： 厲玉鳴. 化工儀表及自動化（第五版）. 北京：化學工業(yè)出版社，2011. 主要參考書： 1．孫自強.生產(chǎn)過程自動化及儀表. 上海：華東理工大學出版社，1999. 2. 樂建波. 化工儀表及自動化（第二版）. 北京：化學工業(yè)出版社，2005. 修訂/制定人：李梅生 審核人： 修訂/制定日期： 2013 年 09月 附實驗大綱：

17、一、說 明 （一）實驗目的、要求 1. 本實驗是為配合《化工儀表及自動化》課程的課題教學開設的。通過實驗操作，使學生加深對《化工儀表及自動化》課程內(nèi)容的理解，掌握教學大綱要求的相關內(nèi)容，在提高理性認識的同時增加感性認識，培養(yǎng)學生的實際動手能力。 2. 掌握化工生產(chǎn)過程主要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位等）測量裝置的工作原理，使用方法。 3. 掌握化工生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)中主要控制設備及裝置的構成及工作原理。 4. 掌握自動控制系統(tǒng)的構成原理及控制系統(tǒng)的投運過程。 5. 了解自動控制系統(tǒng)的仿真技術及其使用方法。 （二）實驗內(nèi)容的選取和實施中注意的問題 本實驗內(nèi)容選取根據(jù)理論課所學

18、內(nèi)容和實驗課時數(shù)選取四個典型的實驗，盡量含蓋所學內(nèi)容，使學生理論聯(lián)系實際，幫助學生掌握所學內(nèi)容。同時選取一些選做實驗，學生根據(jù)自己的興趣課余選取完成，選做實驗不做強性要求。本課程以實驗為主。 （三）考核方式與要求 采用理論與實踐相結合的評定方法，滿分100分，具體為：預習占20％，實驗操作占40％，實驗報告占40％。 （四）實驗項目與時數(shù)安排 序號 實驗名稱 教學時數(shù) 備注 1 單容自蘅水箱液位特性測試實驗 4 必做 2 雙容水箱特性的測試 4 必做 3 上下水箱液位串級控制 4 必做 4 單容液位定值控制系統(tǒng) 4 必做 5 鍋爐內(nèi)膽水溫定值控

19、制系統(tǒng) 4 選做 6 鍋爐內(nèi)膽溫度特性的測試 4 選做 7 單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng) 4 選做 8 下水箱液位前饋-反饋控制系統(tǒng) 4 選做 9 盤管出水口溫度滯后控制系統(tǒng) 4 選做 二、實 驗 內(nèi) 容 實驗一 ：單容自蘅水箱液位特性測試實驗 1. 掌握單容水箱的階躍響應測試方法； 2. 掌握同一控制系統(tǒng)采用不同的控制方案的實驗過程。 說明和要求： 首先了解實驗裝置結構和組成；觀察試驗裝置中各種儀表，記錄各種儀表的規(guī)格并完成實驗報告。 實驗二：雙容水箱特性的測試 1. 掌握雙容水箱的階躍響應測試方法； 2. 掌握同一控制系統(tǒng)采用不同

20、的控制方案的實驗過程。 說明和要求： 詳細記錄測試數(shù)據(jù)，畫出特性曲線圖，完成實驗報告。 實驗三：上下水箱液位串級控制 1. 了解復雜過程控制系統(tǒng)的構成； 2. 掌握復雜過程控制一—串級控制方法； 3. 控制要求：超調量σ＜20%，調節(jié)時間Ts≤3T，余差＜5%。 說明和要求： 學會水箱液位串級控制操作，詳細記錄測試數(shù)據(jù)，完成實驗報告。 實驗四：單容液位定值控制系統(tǒng) 1. 了解簡單過程控制系統(tǒng)的構成； 2. 掌握簡單過程控制的原理； 3. 控制要求：超調量σ＜20%，調節(jié)時間Ts≤3T，余差＜5%。 說明和要求： 詳細記錄測試數(shù)據(jù)，畫出定值控制特性曲

21、線圖，完成實驗報告。 實驗五：鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)（選做） 1. 了解單回路溫度控制系統(tǒng)的組成及工作原理； 2. 研究P、PI、PD和PID四種調節(jié)器分別對溫度系統(tǒng)的控制作用； 3. 分析動態(tài)水溫與靜態(tài)水溫在控制效果上有何不同。 說明和要求： 詳細記錄測試數(shù)據(jù)，畫出單回路溫度控制定值控制特性曲線圖，完成實驗報告。 實驗六：鍋爐內(nèi)膽溫度特性的測試（選做） 1. 了解鍋爐內(nèi)膽溫度特性測試系統(tǒng)的組成原理； 2. 掌握鍋爐內(nèi)膽溫度特性的測試方法。 說明和要求： 詳細記錄測試數(shù)據(jù)，畫出特性曲線圖，完成實驗報告。 實驗七：單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)（選做） 1. 了解

22、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的原理與結構組成； 2. 掌握比值計算方法；掌握比值控制系統(tǒng)的參數(shù)設定和投運方法。 說明和要求： 實驗預習報告及實驗報告。 實驗八：下水箱液位前饋-反饋控制系統(tǒng)（選做） 1. 了解液位前饋-反饋控制系統(tǒng)的結構與原理； 2. 掌握前饋補償器的設計與調試； 3. 掌握前饋-反饋控制系統(tǒng)的參數(shù)設定和投運方法。 說明和要求： 實驗預習報告及實驗報告。 實驗九：盤管出水口溫度滯后控制系統(tǒng)（選做） 1. 認識滯后的形成，及其對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響； 2. 掌握滯后控制系統(tǒng)的常規(guī)PID調節(jié)器的參數(shù)整定方法。 說明和要求： 實驗預習報告及實驗報告。 三、實驗教材和主要參考書 教材： 應化教研室. 化工儀表及自動化實驗指導書. 自編．2006. 主要參考書： 1. 厲玉鳴. 化工儀表及自動化（第五版）. 北京：化學工業(yè)出版社，2011. 2．鐘漢武主編．化工儀表及自動化實驗．北京．化學工業(yè)出版社．1999.