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1、过程的动态特性与控制课程教学大纲一、课程基本信息英文名称ProcessDynamicsandControl课程代码CHET3019课程性质专业必修课教学课程授课对象化学工程与工艺学分2学时36主讲教师孙欢利修订日期2021年9月22号指定教材厉玉鸣，化工仪表及自动化，第六版，化学工业出版社二、课程目标（一）总体目标：过程的动态特性与控制是一门理论与工程实践密切相关，应用性较强的专业课程,是化学工程与工艺专业的一门必修课。该课程从自动控制系统的基本概念入手，系统地讲述构成自动控制系统的各个基本环节，包括被控对象、测量元件及变送器、显示仪表、自动控制仪表、执行器等；以及简单控制系统、复杂控制系统；
2、最后结合化工生产过程讲述几种典型化工单元操作的控制方案。通过对本门课程的学习，使学生比较全面地掌握化工过程自动控制系统的组成、功能、分析和设计；重点掌握检测仪表的工作原理和特点；培养学生自动控制系统设计、开发以及现场操作能力。同时使对化工自动化领域建立较全面的认识，开拓其专业视野，为今后从事化工自动化生产相关行业提供强有力的理论和实践基础。（二）课程目标：本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。本课程的学习目标如下：课程目标1：掌握自动控制系统相关知识1.1 掌握化工自动控制系统的组成、原理及各环节的作用；掌握简单及更杂控制系统的结构
3、、特点及应用场合。1.2 掌握化工对象的基本特性及其对控制过程的影响。13了解主要工艺参数的基本测量方法和仪表的工作原理及其特点，能根据工艺实际情况正确地选用和使用常见测量仪表。1.4掌握基本控制规律的特点和适用范围，能够分析和评价控制器参数对被控过程的控制质量的影响。课程目标2：分析自动控制系统出现的问题并根据工艺要求，与自控人员共同设计控制方案2.1 能综合运用本课程和其它课程知识，根据工艺要求，与自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案；能够分析和处理控制系统运行中出现的一些现象和问题；2.2 能在工艺设计和技术改造中，与自控设计人员合作，综合考虑工艺与控制两个方面,为自控设计人员提
4、供正确的工艺条件与数据，选用合适的理论方法课程目标3,培养学生理论联系实际、综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力，培养学生严谨的工作作风和实事求是的科学态度，为未来的相关行业科学研究及实际工作打下良好的基础。（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系表1:课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表课程目标课程子目标对应课程内容对应毕业要求课程目标11.1全部章节毕业要求11.2第二章毕业要求11.3第三章毕业要求11.4第四章毕业要求1课程目标22.1全部章节毕业要求32.2全部章节毕业要求5课程目标3-全部章节毕业要求3三、教学内容结论课时：0.5周，1课时目的要求：了解化工自动化的发展
5、概况，理解化工自动化的意义及目的，掌握化工仪表及自动化系统的分类。教学内容第一节、化工自动化的意义及目的第二节、化工自动化的发展概况第一章自动控制系统基本概念课时：1.5周，共3课时目的要求：掌握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用以及相互影响和联系；理解自动控制系统中常用的各种术语，掌握方块图的意义及画法；熟悉管道及控制流程图上常用符号的意义；了解控制系统的几种分类形式，掌握系统的动态与静态；掌握闭环控制系统在阶跃干扰（扰动）作用下，过渡过程的几种基本形式及过渡过程品质指标的含义。教学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
6、制系统的表示形式第三节自动控制系统的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、控制系统的控制指标四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素习题与思考题:P16-17教学重点：几个重要概念，自动控制系统的组成及各环节作用，自动控制系统组成方块图，自动控制系统品质指标。教学难点：自动控制系统的过渡过程。第二章过程特性及其数学模型课时：I周，共2课时目的要求：了解建立被控对象数学模型的意义及数学模型的建立方法；掌握用机理建模的方法建立简单对象数学模型；掌握表征被控对象特性的三个参数，包括放大系数、时间常数、滞后时间的物理意义及其对控制质量的影响；了解被控
7、对象特性的实验测定方法。教学内容第一节化工过程的特点及其描述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、滞后时间习题与思考题:P32-33教学重点：对象特性参数K、T、含义及其对控制过程的影响。教学难点：对象数学模型建立的机理建模和实验建模，一阶对象特性参数K、T、含义及其对控制过程的影响。第三章检测仪表基本知识课时：5.5周，共11课时目的要求：掌握仪表精度的意义及与测量误差的关系；了解仪表的性能指标；初步掌握各种压力检测仪表的基本原理及压力表的选用方法；了解各种流量计的测量原理，重点是差压式流量计及转子流量计；了解
8、各种液位测量方法，初步掌握液位测量中零点迁移的意义及计算方法；掌握热电偶温度计及热电阻温度计的测温原理，熟悉热电偶温度测量中的冷端温度补偿的作用及方法；了解各种检测仪表的选用及安装；了解软测量技术及安全仪表系统。教学内容第一节概述一、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、电磁流量计六、漩涡流量计七、质量流量计八、流量测量仪表的类型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
9、式物位传感器四、核辐射物位计五、光纤式液位计六、称重式液罐计量仪七、物位测量仪表的类型第五节温度检测一、温度检测方法二、热电偶温度计三、热电阻温度计四、测温仪表的选用及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、虚拟显示仪表习题与思考题:P104-106教学重点：测量误差，检测仪表的品质指标；弹性式压力计、电气式压力计的测压原理；差压式和转子流量计的测量原理和方法;差压式液位计和零点迁移问题;热电偶温度计、热电阻温度计的测量原理，温度补偿理论及方法。教学难点：测量误差分析、检测仪表品质指标的计算确定；差压
10、式流量计、转子流量计的工作原理；差压变送器测量液位和零点迁移的判断及计算；热电偶温度计、热电阻温度计的工作过程及原理。第四章自动控制仪表课时：1.5周，共3课时目的要求：掌握各种基本控制规律及其特点；熟悉比例度、积分时间、微分时间对控制系统的影响。教学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组成三、KMM型可编程序调节器习题与思考题:P140教学重点：各种基本控制规律及其特点；各种规律对系统过渡过程的影响。教学难点：各种基本控制规律对系统过渡过程的影响。第五章执行器
11、课时：I周，共2课时目的要求：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。教学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、气动执行器的的安装和维护第二节电动执行器第三节电-气转换器与电-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习题与思考题:P152-153教学重点：气动执行器的结构与工作原理，执行器气开气关形式及其选择，控制阀的流量特性。教学难点：控制阀的流量特性，执行器气开气关形式的
12、选择。第六章简单控制系统课时：1.5周，共3课时目的要求：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。教学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、经验凑试法习题与思考题:P152-153教学重点：被控变量、操纵变量的选择及控制器控制规律的选择。教学难点：控制器参数的整定方法。第七章复杂控制系统课
13、时：3.5周，共7课时目的要求：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。教学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
14、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三、比值控制系统的几个问题第四节前馈控制系统一、前馈控制系统及其特点二、前馈控制系统的主要形式三、前馈控制系统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习题与思考题:P199-200教学重点：串级控制系统的特点及应用，主、副控制器控制规律的选择，主、副控制器正反作用的选择；均匀、比值、前馈和选择性控制系统的特点及相应控制器控制规律和
15、正反作用的选择。教学难点：串级、前馈和选择性控制系统的特点，根据实际情况控制规律的选择及控制器正反作用的选择。第八章典型化工单元的控制方案课时：2周，共4课时目的要求：了解典型化工单元设备和过程的控制方案设计，熟悉泵、传热设备、精储塔以及反应器控制的一般方法。教学内容第一节流体输送设备的控制方案一、离心泵的控制方案二、往复泵的控制方案三、压缩机的控制方案四、离心式压缩机的防喘振控制第二节传热设备的自动控制一、一般传热设备的控制二、锅炉设备的自动控制第三节精储塔的自动控制一、工艺要求二、精僧塔的干扰因素三、精储塔的控制方案第四节化学反应器的自动控制一、化学反应器的控制要求二、釜式反应器的温度自动
16、控制三、固定床反应器的自动控制四、流化床反应器的自动控制习题与思考题:P258-259教学重点：泵、传热设备、精储塔以及反应器的自动控制教学难点：典型化工单元设备和过程的控制目标与被控变量的选择四、学时分配表2：各章节的具体内容和学时分配表章节章节内容学时分配绪论化工自动化概述1第一章自动控制系统基本概念3第二章过程特性及其数学模型2第三章检测仪表与传感器11第四章自动控制仪表3第五章执行器2第六章简单控制系统3第七章复杂控制系统7第八章典型化工单元的控制方案4注：含习题课，随堂考试安排课时。五、教学进度表3：教学进度表章节名称内容提要课数授时作业及要求备注绪论化工自动化概述1化工自动化的发展
17、概况、意义，化工仪表及自动化系统的分类第一章自动控制系统基本概念3I.自动控制系统的组成；2.自动控制系统的方块图：信号和变量，自动控制系统方块图，反馈，自动控制系统的分类；3.过渡过程和品质指标：控制系统的静态与动态，控制系统的过渡过程，控制系统的控制指标，影响控制指标的主要因素aa,-a.第一早过程特性及其数学模型21 .建立被控对象数学模型的意义及方法；2 .表征被控对象特性的三个参数、物理意义及其对控制质量的影响；3 .被控对象特性的实验测定方法第三章检测仪表与传感器101. 掌握仪表精度的意义及仪表的性能指标；2. 初步掌握各种压力检测仪表的基本原理及压力表的选用方法；3. 了解各种
18、流量计的测量原理，重点是差压式流量计及转子流量计；4. 了解各种液位测量方法，掌握液位测量中零点迁移的意义及计算方法；5. 掌握热电偶温度计及热电阻温度计的测温原理，熟悉热电偶温度测量中的冷端温度补偿的作用及方法；6. 了解各种检测仪表的选用及安装；7. 了解软测量技术及安全仪表系统期中考试2测验第四章自动控制仪表31 .掌握各种基本控制规律及其特点；2 .熟悉比例度、积分时间、微分时间对控制系统的影响第五章执行器21 .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；2 .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；3 .理解控制阀的流量特性及其种类；4 .了
19、解电动执行器的组成及作用第六章简单控制系统31.了解简单控制系统的结构、组成及作用；2 .掌握简单控制系统中被控变量、操纵变量选择的一般原则；3 .了解各种基本控制规律的特点及应用场合；4 .掌握控制器正、反作用确定的方法及控制器参数工程整定的方法第七章复杂控制系统71 .掌握串级控制系统的结构、工作过程、特点及应用场合，副变量的确定及主、副控制器正反作用的选择；2 .理解设置均匀控制系统的目的及控制方案；3 .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；4 .掌握前馈控制系统的结构、特点及应用场合；5 .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
20、统，了解积分饱和现象的产生及防止方法；6 .理解分程控制系统的结构及应用场合第八章典型化工单元的控制方案41 .了解典型化工单元设备和过程的控制方案设计：2 .熟悉泵、传热设备、精储塔以及反应器控制的一般方法六、教材及参考书目1 .厉玉鸣、孟华、王会芹编著，化工仪表及自动化第六版。北京，化学工业出版社，2018年。2 .厉玉鸣、刘慧敏编著，化工仪表及自动化例题习题集第三版。北京，化学工业出版社,2016年。3 .张光新、杨丽明，王会芹编著，化工自动化及仪表第二版。化学工业出版社，2016年。七、教学方法讲授法、自主学习及讨论法等1 .讲授法：采用PPT及多媒体教学讲授主要概念及内容；2 .自主
21、学习及讨论汇报法：安排学生自主学习相应章节的内容，小组合作制备PPT并在课堂上讲解，与同学老师分享讨论。3 .课后通过习题的练习，巩固和加深对重点和难点知识的理解，融会贯通。八、考核方式及评定方法（一）课程考核与课程目标的对应关系表4：课程考核与课程目标的对应关系表课程目标考核要点考核方式课程目标1知识储备简答题、自主学习汇报课程目标2能力达成简答题课程目标3素质养成简答题1 .评定方法本课程考核成绩构成为：平时成绩30%+期中考试20%+期末考试50%。（1） 平时成绩由平时作业、上课出勤、表现以及PPT汇报等组成。（2） 期中和期末考试以闭卷形式进行。试卷考核围绕课程目标考察学生专业基础知
22、识、问题分析、解决问题的能力，同时尽量覆盖课程的主要知识点。2 .课程目标的考核占比与达成度分析表5：课程目标的考核占比与达成度分析表核占比课程目、平时(30%)期中(20%)期末(50%)总评达成度课程目标110%15%22%0。OX平时目标1成绩+0.15X期中目标1成绩+0.22X期末目标1成绩/47。课程目标215%5%25%0.15X平时目标1成绩0.05X期中目标1成绩+0.25X期末目标1成绩/45。课程目标35%0%3%0.05X平时目标1成绩+0.00X期中目标1成绩+0.03X期末目标1成绩/8。（三）评分标准课程目标评分标准90-10080-8970-7960-6960优
23、良中合格不合格ABCDF课程目标1熟练掌握化工自动控制系统的组成、原理及各环节的作用；熟练掌握简单及复杂控制系统的结构、特点及应用场合；熟练掌握化工对象的基本特性及其对控制过程的影响。清晰了解主要工艺参数的基本测量方法和仪表的工作原理及其特点，能根据工艺实际情况正确地选用和使用常见测量仪表。熟练掌握基本控制规律的特点和适用范围，能够快速分析和评价控制器参数对被控过程的控制质量的影响。较好地掌握化工自动控制系统的组成、原理及各环节的作用；较好地掌握简单及复杂控制系统的结构、特点及应用场合；较好地掌握化工对象的基本特性及其对控制过程的影响。较好地了解主要工艺参数的基本测量方法和仪表的工作原理及其特
24、点，能根据工艺实际情况正确地选用和使用常见测量仪表。较好地掌握基本控制规律的特点和适用范围，能够较快地分析和评价控制器参数对被控过程的控制质量的影响。掌握化工自动控制系统的组成、原理及各环节的作用；掌握简单及复杂控制系统的结构、特点及应用场合；掌握化工对象的基本特性及其对控制过程的影响。了解主要工艺参数的基本测量方法和仪表的工作原理及其特点，能根据工艺实际情况正确地选用和使用常见测量仪表。掌握基本控制规律的特点和适用范围，能够分析和评价控制器参数对被控过程的控制质量的影响。基本掌握化工自动控制系统的组成、原理及各环节的作用；基木掌握简单及复杂控制系统的结构、特点及应用场合；基本掌握化工对象的基
25、本特性及其对控制过程的影响。基本了解主要工艺参数的基本测量方法和仪表的工作原理及其特点，基本能根据工艺实际情况正确地选用和使用常见测量仪表。基本掌握基本控制规律的特点和适用范围，基本能够分析和评价控制器参数对被控过程的控制质量的影响。不能掌握化工自动控制系统的组成、原理及各环节的作用；不能掌握简单及复杂控制系统的结构、特点及应用场合；不能掌握化工对象的基本特性及其对控制过程的影响。不能了解主要工艺参数的基本测量方法和仪表的工作原理及其特点，不能根据工艺实际情况正确地选用和使用常见测量仪表。不能掌握基本控制规律的特点和适用范围，不能分析和评价控制器参数对被控过程的控制质量的影响。课程目标2熟练地
26、综合运用本课程和其它课程知识,根据工艺要求，与自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案；能够快速分析和处理控制系统运行中出现的一些现象和问题；较好地综合运用本课程和其它课程知识,根据工艺要求，与自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案；较快地分析和处理控制系统运行中出现的一些现象和问题；能综合运用本课程和其它课程知识，根据工艺要求，与自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案；能够分析和处理控制系统运行中出现的一些现象和问题；能在工艺设计和技基本能运用本课程和其它课程知识，根据工艺要求，与自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案；基本能够分析和处理控制系统运行中出现的一些现象和问
27、题；不能运用本课程和其它课程知识，根据工艺要求，与自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案；不能分析和处理控制系统运行中出现的一些现象和问题；不能在工艺设计和课程目标评分标准90-10080-8970-7960-6960优良中合格不合格ABCDF能在工艺设计和技术改造中，与自控设计人员合作，熟练地综合考虑工艺与控制两个方面，为自控设计人员提供正确的工艺条件与数据，选用合适的理论方法能在工艺设计和技术改造中，与自控设计人员合作，较好地综合考虑工艺与控制两个方面，为自控设计人员提供正确的工艺条件与数据，选用合适的理论方法术改造中，与自控设计人员合作，综合考虑工艺与控制两个方面，为自控设计人员提
28、供正确的工艺条件与数据，选用合适的理论方法基本能在工艺设计和技术改造中，与自控设计人员合作，考虑工艺与控制两个方面，为自控设计人员提供正确的工艺条件与数据，选用合适的理论方法技术改造中，与自控设计人员合作，不能综合考虑工艺与控制两个方面，为自控设计人员提供正确的工艺条件与数据，选用合适的理论方法课程目标3具备理论联系实际、熟练综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力，具备严谨的工作作风和实事求是的科学态度。具备理论联系实际、较好地综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力，严谨的工作作风和实事求是的科学态度。具备理论联系实际、综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力，严谨的工作作风和实事求是的科学态度。基本具备理论联系实际、综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力，严谨的工作作风和实事求是的科学态度。不具备理论联系实际、综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力，严谨的工作作风和实事求是的科学态度。执笔人：孙欢利2021年9月22日
