《过程控制系统》课程教学大纲

一、课程概况

二、课程简介

本课程是自动化专业、电气工程及其自动化专业的专业任选课程。通过本课程的学习，使学生了解过程控制这一自动化技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、原子能、环保等许多重要国民经济领域中的应用，掌握过程控制系统的基本概念、基本组成环节和基本控制规律及自动控制系统中调节器的工程设计方法，了解过程控制系统的基本工作原理及构造，为今后走上工作岗位，从事生产过程自动控制工作打下初步基础。

本课程主要介绍过程控制系统的特点及其组成，各组成部分的作用以及相互影响和联系；过程控制技术的特点及原理、应用介绍；过程控制系统的性能指标；仪表的防爆知识；过程动态特性与建模；过程控制系统的装置及其操作；简单及复杂过程控制系统工作原理及其工程设计；先进控制系统的介绍，典型过程控制系统的应用介绍等。

三、课程教学总目标

了解过程控制仪表的发展、应用以及在本专业学科领域的地位和作用、主要特点以及过程控制原理；掌握过程控制装置、过程建模、单回路控制系统、复杂控制系统、典型单元操作的控制；了解集散控制系统等内容。培养学生具有过程控制系统的设计、调试、投运和参数整定及分析处理过程控制中各种工程实际问题的能力。

【基本要求】

了解过程控制仪表的发展、应用以及在本专业学科领域的地位和作用、主要特点以及过程控制原理；掌握过程控制装置、过程建模、单回路控制系统、复杂控制系统、典型单元操作的控制；了解集散控制系统等内容。掌握单回路控制系统、串级控制系统的工程整定方法。

【教学方式】

考试成绩由平时成绩、实验成绩、期末考试成绩等按比例多项合成，促使学生认真学习，更客观地考察学生的知识和能力。注重应用能力的提高，因此实验成绩占了一定的比重。

【教学手段】

理论与实验相结合的教学手段。课堂采样多媒体教学和板书教学结合方式，辅以实际工程应用案例分析。实验以学生设计为主，对课堂知识进行综合实践应用。

四、理论教学内容及要求

第1章 过程控制系统概述

【教学目标】

（1）了解:过程控制的发展及本课程在本专业所处的地位和性质。

（2）理解:过程控制系统的组成、特点和分类；偏差性能指标。

（3）掌握:过程控制系统的定义、目的；过程控制系统的分类及相互之间的区别；过程控制的性能指标。

【学时分配】

1.1过程控制系统组成及特点（0.5学时）

1.2过程控制系统分类及性能指标（0.5学时）

1.3过程控制技术的发展（0.5学时）

1.4过程控制系统的研究对象与任务（0.5学时）

【授课方式】

课堂教学为主，实践教学为辅。

【授课内容】

1.1过程控制系统组成及特点

1.1.1 过程控制认识

1.1.2 过程控制系统组成

1.1.3 过程控制的特点

1.2过程控制系统分类及性能指标

1.2.1 过程控制系统的分类

1.2.2 过程控制的性能指标

1.3过程控制技术的发展

1.3.1 过程控制仪表的发展

1.3.2 计算机在过程控制中的应用和发展

1.3.3 过程控制理论的发展

1.3.4 我国过程控制技术的发展

1.4过程控制系统的研究对象与任务

1.4.1 本课程的地位

1.4.2 本课程的任务

1.4.3 过程控制的设计

【教学重点和难点】

（1）重点:过程控制的定义、目的；过程控制系统的分类、组成及特点；过程控制的性能指标。

（2）难点:过程控制的理论及其应用特点。

【授课方法与手段】

以多媒体为主，辅以黑板教学，工程实际案例的演示讲解。

【课外学习指导的要求】

1.课外阅读资料:过程控制仪表及装置、过程控制系统、工业控制网络。

2.作业与思考题的要求:比较分析过程控制与其它自动控制有哪些特点。课后思考题、习题独立完成。

第2章 过程检测仪表

【教学目标】

（1）了解:过程检测仪表的组成、测量误差的基本概念；安全场所的划分和仪表防爆的基本知识。

（2）理解:电动制、气动制、液动制仪表的分类及特点；物位、成分等检测仪表的工作原理与使用；过程控制中软测量技术的基本概念。

（3）掌握:过程检测仪表的几种接线方式及其区别；热电偶、热电阻等温度检测仪表的使用、选型及安装；常见压力、流量等检测仪表的工作原理、选型及安装。

【学时分配】

2.1 检测仪表组成及接线方式（0.5学时）

2.2 测量误差及处理（0.5学时）

2.3 安全防爆基础（1学时）

2.4 温度检测（2学时）

2.5 压力检测（2学时）

2.6流量检测（2学时）

2.7物位检测（1学时）

2.8成分检测 （0.25学时）

2.9 过程控制中的软测量技术（0.25学时）

【授课方式】

课堂教学为主，实践教学为辅。

【授课内容】

2.1 检测仪表组成及接线方式

一、检测仪表组成；二、检测仪表的接线方式。

2.2 测量误差及处理

一、基本概念；二、测量变送中的几个问题；三、测量信号的处理。

2.3 安全防爆基础

一、危险场所划分；二、防爆安全栅。

2.4 温度检测

一、接触式与非接触式测温；二、热电偶；三、热电阻；四、集成式温度传感器；五、接触式测温元件的选型与安装。

2.5 压力检测

一、弹性式压力检测；二、应变片式压力检测；三、亚阻式压力检测；四、压力表的选择与安装。

2.6流量检测

一、容积式流量计；二、节流式流量计；三、浮子式流量计；四、涡轮流量计；五、涡街流量计；六、电磁流量计；七、超声波流量计；八、质量流量计；九、多相流体的流量测量。

2.7物位检测

一、浮力式液位量测；二、静压式液位量测；三、电容式物位量测；四、超声波式物位量测；五、雷达式物位量测；六、核辐射式物位计；七、光纤式液位量测；八、多相界面的量测。

2.8成分检测

一、热导式气体成分量测；二、红外式气体成分量测；三、氧化锆氧量成分量测；四、气相色谱成分量测；五、工业电导仪；六、工业酸度计；七、浊度的检测。

2.9 过程控制中的软测量技术

一、软测量技术；二、软测量方法；三、基于人工神经网络的软量测。

【教学重点和难点】

（1）重点:过程检测仪表中常用的温度、压力、流量、物位、成分等变量的检测。

（2）难点:常见过程信号的采集、处理。

【授课方法与手段】

以多媒体为主，辅以黑板教学，工程实际案例的演示讲解。

【课外学习指导的要求】

1.课外阅读资料:过程控制仪表及装置、过程控制系统、工业控制网络。

2.作业与思考题的要求:常见工业过程检测仪表及其数字化使用。课后思考题、习题独立完成。

第3章 过程执行器

【教学目标】

（1）了解:执行器的基本原理；电动、气动、液动三类执行器的特点。

（2）理解:变频器的工作原理及其在过程控制中的应用。

（3）掌握:电动、气动执行器的使用；调节阀的流量特性及其选择方法。

【学时分配】

3.1 调节阀（3学时）

3.2 变频器（3学时）

【授课方式】

课堂教学为主，实践教学为辅。

【授课内容】

3.1 调节阀

一、电动执行机构；二、气动执行机构；三、调节阀的流通能力；四、调节阀的流量特性；五、调节阀的选择。

3.2 变频器

一、变频器原理；二、变频器在过程控制中的应用。

【教学重点和难点】

（1）重点:调节阀的流量特性及其选择。

（2）难点:调节阀、变频器及PLC等在流量调节中的应用。

【授课方法与手段】

以多媒体为主，辅以黑板教学，工程实际案例的演示讲解。

【课外学习指导的要求】

1.课外阅读资料:过程控制仪表及装置、过程控制系统、工业控制网络。

2.作业与思考题的要求:工业过程中的流量控制对调节阀的选择。课后思考题、习题独立完成。

第4章 被控过程

【教学目标】

（1）了解:被控过程的机理建模法；被控过程的频域建模法；被控过程的最小二乘建模法。

（2）理解:被控过程的特性、数学模型分类及其构建方法。

（3）掌握:被控过程的自衡与非自衡特性、单容及多容特性；过程特性对控制品质的影响；过程数模的分类及其构建方法。

【学时分配】

4.1 被控过程特性（1学时）

4.2 过程特性对控制品质的影响（2学时）

4.3 被控过程数学模型（1学时）

4.4 过程建模（2学时）

【授课方式】

课堂教学为主，实践教学为辅。

【授课内容】

4.1 被控过程特性

一、自衡过程与非自衡过程；二、单容与多容过程；三、震荡与非震荡过程；四、具有反向特性的过程。

4.2 过程特性对控制品质的影响

一、增益K的影响；二、时间常数T的影响；三、时滞的影响。

4.3 被控过程数学模型

一、建立过程数模的目的；二、过程数模的求取方法；三、过程被控变量的选择；四、过程输入变量的选择；五、数模的无因次化。

4.4 过程建模

一、机理建模法；二、时域法建模；三、频域法建模；四、最小二乘法建模。

【教学重点和难点】

（1）重点:被控过程的特性、数模分类及其构建方法。

（2）难点:被控过程的机理建模法、频域建模法、最小二乘建模法。

【授课方法与手段】

以多媒体为主，辅以黑板教学，工程实际案例的演示讲解。

【课外学习指导的要求】

1.课外阅读资料:过程控制仪表及装置、过程控制系统、工业控制网络。

2.作业与思考题的要求:课后思考题、习题独立完成。

第5章 常规过程控制策略

【教学目标】

（1）了解:PLC控制工业过程的一般设计方法；各种PID控制器参数整定方法；控制器控制规律的选择。

（2）理解:PLC开关控制和PID控制。

（3）掌握: PLC在过程控制中的工作原理和特点；PID控制的工作原理及特点；各种改进型PID控制算法；过程控制系统的投运和维护。

【学时分配】

5.1 开关控制（0.5学时）

5.2 PID控制（0.5学时）

5.3 PID参数的整定（1学时）

5.4 PID调节器控制规律的选择（0.5学时）

5.5 过程控制系统的投运与维护（0.5学时）

【授课方式】

课堂教学为主，实践教学为辅。

【授课内容】

5.1 开关控制

一、PLC简介；二、PLC在过程控制中的应用。

5.2 PID控制

一、模拟式PID控制器；二、数字式PID控制器；三、改进的PID算法。

5.3 PID参数的整定

一、参数整定原则；二、参数整定方法。

5.4 PID调节器控制规律的选择

一、根据过程特性选择调节器控制规律；二、根据比值选择调节器控制规律；三、控制器正/反作用选择。

5.5 过程控制系统的投运与维护

一、投运前的检查工作；二、调试工作；三、维护工作。

【教学重点和难点】

（1）重点:PLC在过程控制中的工作原理和特点；PID控制的工作原理及特点；各种改进型PID控制算法；PID参数的工程整定方法；过程控制系统的投运和维护。

（2）难点:各种改进型PID控制算法。

【授课方法与手段】

以多媒体为主，辅以黑板教学，工程实际案例的演示讲解。

【课外学习指导的要求】

1.课外阅读资料:过程控制仪表及装置、过程控制系统、工业控制网络。

2.作业与思考题的要求:课后思考题、习题独立完成。

第6章 先进过程控制策略

【教学目标】

（1）了解:先进过程控制策略的发展和特点；模型预测控制的特点和常见模型预测算法；神经网络的基本概念及其控制应用；专家系统及专家控制的概念和原理。

（2）理解:内模控制的原理和特点。

（3）掌握: 模糊控制原理及模糊控制系统的设计。

【学时分配】

6.1 内模控制（0.25学时）

6.2 模型预测控制（0.25学时）

6.3 模糊控制（1学时）

6.4 神经网络控制（0.25学时）

6.5 专家控制（0.25学时）

【授课方式】

课堂教学为主，实践教学为辅。

【授课内容】

6.1 内模控制

一、理想内模控制器；二、实际内模控制器。

6.2 模型预测控制

一、模型预测控制的特点；二、模型算法控制；三、动态矩阵控制。

6.3 模糊控制

一、模糊控制逻辑；二、模糊控制系统；三、模糊控制器设计。

6.4 神经网络控制

一、神经网络概念；二、神经网络控制。

6.5 专家控制

一、概述；二、专家控制系统；三、专家控制器。

【教学重点和难点】

（1）重点:模糊控制原理及模糊控制系统的设计。

（2）难点:模糊控制原理及模糊控制系统的设计。

【授课方法与手段】

以多媒体为主，辅以黑板教学，工程实际案例的演示讲解。

【课外学习指导的要求】

1.课外阅读资料:过程控制仪表及装置、过程控制系统、工业控制网络。

2.作业与思考题的要求:课后思考题、习题独立完成。

第7章 串级控制系统

【教学目标】

（1）了解:串级控制系统的有关知识；典型结构、应用场合、主要特点及设计方法。

（2）理解:串级控制的原理和特点、典型结构。

（3）掌握:串级控制系统的参数整定方法及设计方法。

【学时分配】

7.1 串级控制系统结构（0.5学时）

7.2 串级控制系统分析（1.5学时）

7.3 串级控制系统设计（1.5学时）

7.4 串级控制系统设计举例（0.5学时）

【授课方式】

课堂教学为主，实践教学为辅。

【授课内容】

7.1串级控制系统结构

一、问题的提出；二、系统结构。

7.2 串级控制系统分析

一、减小了被控对象的等效时间常数；二、提高了系统的工作频率；三、对负载变化具有一定的自适应能力。

7.3 串级控制系统设计

一、设计原则；二、主、副控制器选择；三、串级控制系统的整定。

7.4 串级控制系统设计举例

【教学重点和难点】

（1）重点:串级控制系统的分析及设计。

（2）难点:串级控制系统的分析及设计。

【授课方法与手段】

以多媒体为主，辅以黑板教学，工程实际案例的演示讲解。

【课外学习指导的要求】

1.课外阅读资料:过程控制仪表及装置、过程控制系统、工业控制网络。

2.作业与思考题的要求:课后思考题、习题独立完成。

第8章 复杂过程控制系统

【教学目标】

（1）了解:时间滞后控制系统的常用解决方案，预估补偿控制，多变量解耦控制系统的原理，比值控制系统、均匀控制系统、超驰控制系统、分程控制系统、阀位控制系统的特点及应用场合。

（2）理解:前馈控制的原理及应用场合。

（3）掌握:静态前馈控制和常见的动态前馈补偿模型，前馈-反馈复合控制系统的特点及其应用；大滞后过程的采样控制；相对增益的概念及常见的前馈补偿解耦设计方法；变比值控制系统的应用。

【学时分配】

8.1 前馈控制系统（0.5学时）

8.2 时间滞后控制系统（0.5学时）

8.3 解耦控制系统（1学时）

8.4 比值控制系统（0.5学时）

8.5 均匀控制系统（0.5学时）

8.6 超驰控制系统（0.5学时）

8.7 分程控制系统（0.5学时）

8.8 阀位控制系统（0.5学时）

【授课方式】

课堂教学为主，实践教学为辅。

【授课内容】

8.1前馈控制系统

一、原理和特点；二、系统结构形式；三、应用。

8.2 时间滞后控制系统

一、史密斯预估补偿方案；二、采样控制方案。

8.3 解耦控制系统

一、多变量系统中的耦合与解耦；二、相对增益；三、解耦设计方法；四、解耦系统的简化。

8.4 比值控制系统

一、单闭环比值控制；二、双闭环比值控制；三、变比值控制

8.5 均匀控制系统

8.6 超驰控制系统

8.7 分程控制系统

8.8 阀位控制系统

【教学重点和难点】

（1）重点:前馈控制的原理及其应用。

（2）难点:解耦设计方法、大滞后过程的采样控制、变比值控制的应用。

【授课方法与手段】

以多媒体为主，辅以黑板教学，工程实际案例的演示讲解。

【课外学习指导的要求】

1.课外阅读资料:过程控制仪表及装置、过程控制系统、工业控制网络。

2.作业与思考题的要求:课后思考题、习题独立完成。

第9章 计算机过程控制系统

【教学目标】

（1）了解:计算机过程控制系统的特点和构成、应用型式；DCS的组成和结构；控制与管理信息集成技术。

（2）理解:PLC_SCADA系统的特点及其应用。

（3）掌握:计算机过程控制系统的特点及其应用；PLC_SCADA系统的特点及其应用；FCS的结构及特点。

【学时分配】

9.1 计算机过程控制系统的特点和构成（0.25学时）

9.2 计算机过程控制系统的应用型式（0.25学时）

9.3 集散控制系统（0.5学时）

9.4 基于PLC的监督控制与数据采集系统（1学时）

9.5 现场总线技术（0.5学时）

9.6 计算机信息集成技术（0.5学时）

【授课方式】

课堂教学为主，实践教学为辅。

【授课内容】

9.1 计算机过程控制系统的特点和构成

一、特点；二、发展趋势；三、构成。

9.2 计算机过程控制系统的应用型式

一、巡回检测与数据处理；二、直接数字控制；三、监督控制系统；四、集散控制系统。

9.3 集散控制系统

一、DCS的体系结构；二、DCS的基本组成；三、典型DCS系统。

9.4 基于PLC的监督控制与数据采集系统

一、PLC-SCADA系统和DCS的比较；二、组态技术；三、基于Web的远程监控。

9.5 现场总线技术

一、现场总线及其特点；二、现场总线通信模型；三、常见的现场总线；四、现场总线控制系统。

9.6 计算机信息集成技术

一、概述；二、实时数据库与关系数据库的集成；三、企业信息集成系统。

【教学重点和难点】

（1）重点:计算机过程控制系统的特点和构成、应用型式。

（2）难点:PLC_SCADA系统的特点及其应用；FCS的结构及特点。

【授课方法与手段】

以多媒体为主，辅以黑板教学，工程实际案例的演示讲解。

【课外学习指导的要求】

1.课外阅读资料:过程控制仪表及装置、过程控制系统、工业控制网络。

2.作业与思考题的要求:课后思考题、习题独立完成。

五、实验教学内容及要求

六、课程考核要求

1、考核方式:考试，笔试（闭卷）、笔试（开卷）、课程论文、上机、实操等。

2、成绩评定方式:平时成绩20 %+实验（实习）成绩10 %+期末成绩70 %。

七、参考资料

1、俞金寿. 过程控制系统，北京: 机械工业出版社，2009年。

2、俞金寿、蒋慰孙. 过程控制工程（第3版）.北京:电子工业出版社，2007年。

3、周泽魁. 控制仪表与计算机控制装置. 北京:化学工业出版社，2002年9月。

4、金以慧. 过程控制. 北京: 清华大学出版社，1993年。

八、说明

教材根据最新出版进行更新，优先选择国家级规划教材及电气自动化类国家级特色专业系列规划教材。