控制仪表及装置教案2011授课教案覆盖如下内容：本单元或章节的教学目的与要求授课主要内容重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）主要外语词汇辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示数等）复习思考题参考教材（资料）2
控制仪表及装置教案 2011 2 授课教案覆盖如下内容： 本单元或章节的教学目的与要求 授课主要内容 重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学） 主要外语词汇 辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示数等） 复习思考题 参考教材（资料）
概论概论学习目的和要求：掌握控制仪表的基本特点和分类，信号制和传输方法，仪表的分析方法。重点、难点：信号制和信号传输，外语词汇：processcontrol（过程控制），processindustries（过程工业）controllinginstrumentdirectdigitalcontrol(DDC，直接数字控制)，supervisorysystem（监控系统），distributedcontrolsystem(DcS，集散控制系统或分布式控制系统），fieldbus（现场总线），CIMS一computerintegratedmanufacturingsystems（计算机集成制造系统），CIPS--computer integrated process systems参考资料：周泽魁主编《控制仪表与计算机控制装置》化学工业出版社2002何离庆主编《过程控制系统与装置》重庆大学出版社2003张永德《过程控制装置》，北京化学工业出版社，2000李新光等编著《过程检测技术》机械工业出版社，2004侯志林《过程控制与自动化仪表》，机械工业出版社，2002年1月授课内容：口过程控制系统概述口过程控制仪表与装置总体概述口自动控制系统和过程控制仪表口过程控制仪表与装置的分类及特点口信号制口仪表防爆的基本知识0.1控制系统概述0.1.1控制系统及其特点控制仪表是实现生产过程自动化的重要工具。在自动控制系统中，检测仪表讲被控变量转换成测量信号后，还需送控制仪表，以便控制生产过程的正常进行，使被控变量达到预期的要求
概论 - 1 - 概 论 学习目的和要求：掌握控制仪表的基本特点和分类，信号制和传输方法，仪表的分析方法。 重点、难点：信号制和信号传输， 外语词汇：process control（过程控制）, process industries(过程工业)controlling instrument,direct digital control(DDC,直接数字控制)，supervisory system(监控系统)， distributed control system(DCS，集散控制系统或分布式控制系统)，fieldbus(现场总线)， CIMS—computer integrated manufacturing systems(计算机集成制造系统)， CIPS- computer integrated process systems 参考资料： 周泽魁 主编 《控制仪表与计算机控制装置》 化学工业出版社 2002 何离庆 主编 《过程控制系统与装置》 重庆大学出版社 2003 张永德 《过程控制装置》，北京 化学工业出版社，2000 李新光等编著《过程检测技术》机械工业出版社，2004 侯志林 《过程控制与自动化仪表》，机械工业出版社，2002 年 1 月 授课内容： ❑ 过程控制系统概述 ❑ 过程控制仪表与装置总体概述 ❑ 自动控制系统和过程控制仪表 ❑ 过程控制仪表与装置的分类及特点 ❑ 信号制 ❑ 仪表防爆的基本知识 0.1 控制系统概述 0.1.1 控制系统及其特点 控制仪表是实现生产过程自动化的重要工具。在自动控制系统中，检测仪表讲被控变量转换成 测量信号后，还需送控制仪表，以便控制生产过程的正常进行，使被控变量达到预期的要求
控制仪表及装置教案2011给定值调节器变送器执行器控制对象被控介质被控变量图 0-1由控制仪表与控制对象组成的简单控制系统方框图图0-1表示由控制仪表与控制对象组成的简单控制系统框图。控制对象代表生产过程中的某个环节，控制对象输出的是被控变量，如压力、流量、温度等工艺变量。这些被控变量首先由检测元件变换为易于传递的物理量，再经变送器转换成相应的电信号。该信号送到控制器中与给定值相比较。控制器按照比较后得出的偏差，以一定的控制规律发出控制信号，控制执行器的动作，改变被控介质物料或能量的大小，直至被控变量与给定值相等为止。0.1.2过程控制系统发展概况生产过程自动化的发展大体划分为几个阶段。1.仪表自动化阶段20世纪40年代前后：基地式仪表，分散局部自动控制20世纪50年代至60年代：单元组合仪表，集中监控与集中操纵控制理论：以传递函数作为模型描述方法，以根轨迹、频率法作为基本的分析和综合方法。控制方法：基本PID控制与串级、前馈控制等。控制仪表：基地式仪表→单元组合仪表。控制对象：简单的温度压力流量液位等的定值控制对象、单输入、单输出的定制控制系统。-2-
控制仪表及装置教案 2011 - 2 - 图 0-1 表示由控制仪表与控制对象组成的简单控制系统框图。控制对象代表生产过程中的 某个环节，控制对象输出的是被控变量，如压力、流量、温度等工艺变量。这些被控変量首先 由检测元件变换为易于传递的物理量，再经变送器转换成相应的电信号。该信号送到控制器中 与给定值相比较。控制器按照比较后得出的偏差，以一定的控制规律发出控制信号，控制执行 器的动作，改变被控介质物料或能量的大小，直至被控变量与给定值相等为止。 0.1.2 过程控制系统发展概况 生产过程自动化的发展大体划分为几个阶段。 1. 仪表自动化阶段 20 世纪 40 年代前后：基地式仪表，分散局部自动控制 20 世纪 50 年代至 60 年代：单元组合仪表，集中监控与集中操纵 控制理论：以传递函数作为模型描述方法，以根轨迹、频率法作为基本的分析和综合方法。 控制方法：基本 PID 控制与串级、前馈控制等。 控制仪表：基地式仪表→单元组合仪表。 控制对象：简单的温度压力流量液位等的定值控制对象、单输入、单输出的定制控制系统
概论工艺介质调节对象被测量T检测单元执行元件测量值0自动调节单元4变送单元手动给定值+操作单元给定单元显示，记录单元单元组合仪表图0.2单元组合仪表构成的控制系统Fig.0.2control system with unitconstruction instrument2.计算机控制阶段20世纪70年代至80年代：控制理论：以状态空间分析方法为基础，其核心包括：以最小二乘法为基础的系统辨识方法，以极大值原理和动态规划为主的最优控制理论，和以卡尔曼滤波器为代表的估计技术：预测控制；自适应控制。控制方法：经典的控制方法：最优控制方法在航空航天领域取得了成功，但尚未能很好地应用于过程工业；以模型预测控制为代表的适合于工业过程的先进控制（AdavancedProcessControl，APC）方法形成，商品化APC软件产品出现。控制设备：单元组合仪表→计算机集中控制方式（如DDC，SPC等）→DCS系统（PLC系统）控制对象：复杂控制系统：受约束的MIMO（多输入多输出）系统，控制目标考虑操作条件的最优化。有的又把该阶段分为两个阶段控制及用户界面人机界面工程组态DCS操作站中央控制室网桥/网关内插PCI卡控制室FF H1现场防爆相PID运算工业现场O0OCC现场设备福测量仪表或变送器测量仪表或变送器现场设备报警及趋务，等等直接数字控制（DDC）系统--集中控制系统现场总线控制系统（FCS）完全的分布式控制系统图0.3计算机控制系统Fig.0.3ComputerControl System-3
概论 - 3 - 图 0.2 单元组合仪表构成的控制系统 Fig.0.2 control system with unit construction instrument 2. 计算机控制阶段 20 世纪 70 年代至 80 年代： 控制理论：以状态空间分析方法为基础，其核心包括：以最小二乘法为基础的系统辨识方 法，以极大值原理和动态规划为主的最优控制理论，和以卡尔曼滤波器为代表的估计技术；预 测控制；自适应控制。 控制方法：经典的控制方法；最优控制方法在航空航天领域取得了成功，但尚未能很好地 应用于过程工业；以模型预测控制为代表的适合于工业过程的 先进控制（Adavanced Process Control, APC）方法形成，商品化 APC 软件产品出现。 控制设备：单元组合仪表→计算机集中控制方式（如 DDC，SPC 等）→DCS 系统(PLC 系统) 控制对象：复杂控制系统；受约束的 MIMO（多输入多输出）系统，控制目标考虑操作条 件的最优化。 有的又把该阶段分为两个阶段 图 0.3 计算机控制系统 Fig. 0.3 Computer Control System
控制仪表及装置教案2011人机界面工程组态DCS操作站操作、监视前台中央控制室控制及I/0卡后台so1:21010模块PID运算4-20mA防爆栅工业现场CC现场设备...0测量仪表或变送器集散控制系统（DCS）部分的分布式控制系统图0.4DCS控制系统Fig.0.4DCS Control System3.综合自动化阶段从20世纪90年代开始，进入综合自动化阶段。推出了现场总线控制技术。何谓现场总线？智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络。（国际电工委员会IEC和现场总线基金会FF定义）。何谓综合自动化系统？综合自动化系统就是包括生产计划和调度、操作优化、基层控制和先进控制等内容的递阶控制系统，也称管理控制一体化的系统。这类系统是靠计算机及其网络来实现的，因此也成为计算机集成过程系统（CIPS-computerintegratedprocesssystem）。控制理论：采用第三代控制理论，即智能控制理论。智能控制将人工智能、控制理论和运筹学三大学科相结合，采用模糊技术、神经网络和专家系统等技术，比较好的解决了对象建模的困难和干扰众多与控制要求提高的矛盾，在许多难以控制的场合下，发挥了卓越的作用。与此同时，现代控制理论中的诸如非线性控制、分布参数系统、随机过程以及容错控制也在理论上和实践中得到了发展。控制方法：结合最优化技术、计算机网络与数据信息处理技术的现代集成制造系统（CIMS）的形成与应用。控制设备：商品化现场总线控制系统（FieldbusComputerSystemS，FCS）逐步替代DCS系统；计算机集成过程系统（CIPS）控制对象：企业整体化为目标，以计算机及网络为主要技术工具，以生产过程的管理和控制自动化为主要内容，将过去局部自动化“孤岛”模式集成为一个整体的系统。-4-
控制仪表及装置教案 2011 - 4 - 图 0.4 DCS 控制系统 Fig. 0.4 DCS Control System 3. 综合自动化阶段 从 20 世纪 90 年代开始，进入综合自动化阶段。推出了现场总线控制技术。 何谓现场总线？智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络。 （国际电工委员会 IEC 和现场总线基金会 FF 定义）。 何谓综合自动化系统？综合自动化系统就是包括生产计划和调度、操作优化、基层控制和 先进控制等内容的递阶控制系统，也称管理控制一体化的系统。这类系统是靠计算机及其网络 来实现的，因此也成为计算机集成过程系统（CIPS-computer integrated process system）。 控制理论：采用第三代控制理论，即智能控制理论。智能控制将人工智能、控制理论和运 筹学三大学科相结合，采用模糊技术、神经网络和专家系统等技术，比较好的解决了对象建模 的困难和干扰众多与控制要求提高的矛盾，在许多难以控制的场合下，发挥了卓越的作用。与 此同时，现代控制理论中的诸如非线性控制、分布参数系统、随机过程以及容错控制也在理论 上和实践中得到了发展。 控制方法：结合最优化技术、计算机网络与数据信息处理技术的现代集成制造系统（CIMS） 的形成与应用。 控制设备：商品化现场总线控制系统（Fieldbus Computer Systems, FCS）逐步替代 DCS 系统；计算机集成过程系统（CIPS） 控制对象：企业整体化为目标，以计算机及网络为主要技术工具，以生产过程的管理和控 制自动化为主要内容，将过去局部自动化“孤岛”模式集成为一个整体的系统