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《化工仪表自动化》课程教学大纲
一、课程基本信息
课程代码：
课程名称：化工仪表自动化
课程英文名称：Chemical Instruments and Automation
课程所属单位：电气与电气工程学院自动化系
课程面向专业：化学工程与工艺
课程类型：必修
先修课程：《电工与电子技术》、《化工原理》、《高等数学》、《大学物理》
学时学分：总学时32 (其中理论学时：28，实验学时：4)，学分2
二、课程性质与目标
《化工仪表自动化》是化工类专业的一门专业必修课程，其目的是使化学工程与工艺类专业的学生掌握最基本的自动控制方面的知识。通过对常见化工参数的测量原理、常规仪表的基本功能、简单控制系统的学习了解，使学生能够了解化工自动化的基础知识，初步掌握它们在石油、化工等轻工业中的基本应用，培养学生工程实践能力和创新能力，拓宽知识面，从而在生产实践中能根据生产工艺及自动控制两个方面的要求，为化工自动控制系统的设计提供合理的、准确的工艺条件及数据，培养分析问题及解决问题的能力。
本课程的主要课程目标为：
1、了解化工仪表自动化的基本知识，理解自动控制系统的组成、基本原理及各环节的作用。（支撑毕业要求指标点2.3）
2、了解主要工艺参数 (温度、压力、流量及物位)的检测方法及其仪表的工作原理及特点;能根据工艺要求,正确地选用和使用常见的检测仪表及控制仪表;（支撑毕业要求指标点3.2）
3、了解化工自动化的初步知识,理解基本控制规律,懂得控制器参数是如何影响控制质量的;能根据工艺的需要,和自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案;能为自控设计提供正确的工艺条件和数据;（支撑毕业要求指标点3.3）
4、能在生产开停车过程中,初步掌握自动控制系统的投运及控制器的参数整定;
了解检测技术和控制技术的发展趋势和最新发展动态。能在处理各类技术问题时应用控制论、系统论信息论的观点分析思考，考虑事物间的相互关联。（支撑毕业要求指标点6.1）
表1 课程目标和毕业要求指标点对应关系
课程教学内容与要求
绪论
教学任务 |
任务1：化工自动化相关定义，学科发展及分类。 |
|
学习目标 |
知识目标 |
1、了解化工自动化的发展状况、意义及目的； 2、理解各阶段化工仪表的作用。 |
能力目标 |
1、掌握化工仪表及自动化系统的分类； 2、理解学习化工仪表及自动化的实际意义。 |
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第一章自动控制系统基本概念
教学任务 |
任务1：自动控制系统的组成； 任务2：自动控制系统方块图； 任务3：过渡过程和品质指标； 任务4：工艺管道及控制流程图。 |
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培养目标 |
知识目标 |
1、了解自动控制系统的概念及方块图画法； 2、了解自动控制系统的静态与动态概念。 |
能力目标 |
1、掌握化工自动化的定义，掌握自动控制系统组成及各部分作用； 2、掌握信号和变量的概念、反馈的概念，掌握自动控制系统的分类； 3、掌握过渡过程及基本形式。 |
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教学重点 |
自动控制系统的基本组成及方块图，自控系统的分类，自动控制系统的过渡过程和品质指标，工艺管道及控制流程图。 |
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教学难点 |
过渡过程和品质指标，工艺管道及控制流程图。 |
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第二章检测仪表与传感器
检测仪表基础知识 |
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教学任务 |
任务1：误差； 任务2：品质指标； 任务3：信号种类、检测仪表分类及测量方法。 |
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培养目标 |
知识目标 |
1、了解检测系统的信号类型、传递形式； 2、了解检测仪表的分类、测量方法分类。 |
能力目标 |
1、掌握测量误差的类型、表示方法； 2、掌握仪表的品质指标，能根据相关数据确定仪表的精度。 |
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压力检测 |
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教学任务 |
任务1：压力单位及测压仪表； 任务2：弹性式压力计； 任务3：电气式压力计； 任务4：智能式变送器； 任务5：压力计的选用及安装。 |
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培养目标 |
知识目标 |
1、了解检测系统的信号类型、传递形式； 2、了解检测仪表的分类、测量方法分类。 |
能力目标 |
1、掌握测量误差的类型、表示方法； 2、掌握仪表的品质指标，能根据相关数据确定仪表的精度。 |
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流量检测 |
||
教学任务 |
任务1：流量的表示方法及流量计的分类； 任务2：差压式流量计； 任务3：转子流量计； 任务4：漩涡流量计； 任务5：质量流量计； 任务6：其他流量计。 |
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培养目标 |
知识目标 |
1、了解流量的检测原理，流量的单位及表示方法； 2、熟悉流量检测过程中物理量的转变。 |
能力目标 |
1、掌握流量检测仪表的分类； 2、会根据工艺参数及被测的介质正确选择合适的流量仪表。 |
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物位测量 |
||
教学任务 |
任务1：物位检测的意义及主要类型 任务2：差压式液位计 任务3：其他液位计 |
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培养目标 |
知识目标 |
1、了解物位的检测原理，物位检测的重要性； 2、熟悉流量检测过程中物理量的转变。 |
能力目标 |
1、掌握物位检测仪表的分类； 2、会根据工艺参数及被测的介质正确选择合适的物位仪表。 |
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温度检测 |
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教学任务 |
任务1：概述； 任务2：热电偶温度计； 任务3：热电阻温度计； 任务4：温度变送器。 |
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培养目标 |
知识目标 |
1、了解温度的检测原理，温度检测的重要性； 2、熟悉温度检测过程中物理量的转变。 |
能力目标 |
1、掌握温度检测仪表的分类； 2、会根据工艺参数及被测的介质正确选择合适的温度仪表。 |
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教学重点 |
压力、流量、物位、温度的测量及变送原理。常见过程量测量仪表的测量原理。 |
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教学难点 |
测量仪表的正确选用。 |
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第三章自动控制仪表
基本控制规律 |
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教学任务 |
任务1：位式控制； 任务2：比例控制； 任务3：积分控制； 任务4：微分控制。 |
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培养目标 |
知识目标 |
1、了解自动控制系统中最基本的控制规律，了解位式控制的分类及控制原理； 2、了解比例控制规律及特点，了解比例度及其对控制过程的影响。 |
能力目标 |
1、掌握积分控制规律及其特点； 2、掌握微分控制规律及其特点。 |
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控制仪表 |
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教学任务 |
任务1：控制仪表的作用及分类； 任务2：模拟式控制仪表； 任务3：数字式控制仪表； 任务4：可编程控制器。 |
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培养目标 |
知识目标 |
1、了解DDZ-Ⅲ型电动调节器的特点、工作原理； 2、了解可编程调节器的基本构造及原理。 |
能力目标 |
1、掌握控制仪表的分类及其特点、控制仪表的结构形式、信号形式； 2、掌握模拟式控制仪表的基本结构； 3、掌握可编程控制器的主要特点。 |
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教学重点 |
基本控制规律及其对系统过渡过程的影响，模拟式控制器基本构成原理，数字式控制器的基本构成。 |
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教学难点 |
控制规律对控制系统的定性影响及其对控制系统余差的定量计算。 |
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第四章执行器
教学任务 |
任务1：气动执行器； 任务2：阀门定位器与电-气转换器； 任务3：电动执行器。 |
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培养目标 |
知识目标 |
1、了解气动执行器的结构与分类及作用方式； 2、了解电－气转化换器及电－气阀门定位器的结构； 3、了解电动执行器的结构及作用方式。 |
能力目标 |
1、掌握气动执行器的作用方式及其流量特性 2、掌握电－气转化换器及电－气阀门定位器的作用方式及其流量特性； 3、掌握电动执行器的作用方式及其流量特性。 |
|
教学重点 |
气动执行器的结构分类，控制阀的流量特性，控制阀的选择，电动执行器，电-气转换器。 |
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教学难点 |
气动控制阀的选择安装及维护。 |
|
第五章简单控制系统
教学任务 |
任务1：简单控制系统的结构与组成； 任务2：简单控制系统的设计； 任务3：控制器参数的工程整定。 |
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培养目标 |
知识目标 |
1、了解简单控制系统的结构与组成； 2、熟悉简单控制系统的设计； 3、了解调节系统的投运及操作中常见问题。 |
能力目标 |
1、掌握简单控制系统的结构与组成； 2、掌握调节器调节规律的选择； 3、掌握控制器参数的工程整定。 |
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教学重点 |
简单控制系统的结构与组成、被控变量的选择、操纵变量的选择、测量元件特性的影响、控制器控制规律的选择以及控制器参数的工程整定。 |
|
教学难点 |
简单控制系统设计及参数工程整定。 |
|
学时分配
表2课程学时分配
序号 |
教学内容(按章填写) |
学时 |
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课 堂 讲 授 |
实 验 课 |
习 题 课 |
讨 论 课 |
其 它 |
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1 |
绪论 |
2 |
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2 |
第一章自动控制系统基本概念 |
4 |
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3 |
第三章检测仪表与传感器 |
8 |
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4 |
第四章自动控制仪表 |
4 |
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5 |
第五章执行器 |
6 |
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6 |
第六章简单控制系统 |
4 |
4 |
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小计 |
28 |
4 |
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比例 |
87.5% |
12.5% |
||||
合计 |
32 |
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五、教学环节与教学方法
本课程包括课堂讲授，课堂问答/讨论和（课后）课程作业以及实验共四个主要教学环节。课堂讲授主要用于基本概念、基本思想和方法的讲解，主要采用案例解析、例题演示、理论推导等方法，强调知识和能力体系的逻辑关联；课程作业则是分阶段设计目标为导向，要求学生通过自主性学习（教师指导阅读）和思考形成设计方案，进而在设计过程中训练统筹、计算和制图三大应用技能；课堂问答/讨论主要用于教学难点的重点解析，也鼓励学生提出创新设想，此外还强调易于忽略的技术规范，引导学生逐步形成严谨周密却又大胆创新的设计风格。实验环节主要用于巩固理论知识，培养学生的动手能力。
表3 课程目标及其实现方法
课程目标 |
课程对应内容 |
实现方法 |
课程目标1 |
绪论；1.1化工仪表自动化的主要内容；1.2自动控制系统的基本组成及表示形式；1.3自动控制系统的分类；1.4自动控制系统的过渡过程和品质指标 |
案例教学、课堂讨论和指导阅读。 1、播放化工厂的生产过程，引出化工仪表及自动化的相关定义；2、播放化工仪表发展视频，展示化工企业自动化控制系统，对学生进行发展观教育，讨论化工仪表发展过程及分类，明确仪表及自动化学习的意义。3、以液位控制系统举例说明自动控制系统组成及各部分作用、信号和变量的概念、反馈的概念，方块图的概念及画法；4、讲授控制系统的静态与动态、过渡过程、控制指标及影响控制指标的主要因素。本章重点用多媒体教学演示并讲授被控变量、给定值、干扰作用、控制作用、反馈等专业名词的含义；衰减比、最大偏差、余差、过渡时间、振荡周期等描述自动控制系统控制质量好坏的品质指标的定义，让学生对自动控制系统有一个直观的感性认识。其中绘制工艺管道流程图，按照化工行业标准HG/T200202-2000《过程测量和控制仪表的功能标志及图形符号》。 |
课程目标2 |
3、检测仪表与传感器 3.1概述；3.2压力检测及仪表；3.3流量检测及仪表；3.4物位检测及仪表 ；3.5温度检测及仪表 |
案例解析和演示、课程作业练习、课堂讨论和指导阅读。 1、将不同精度的检测仪表对同一数据检测，讨论的形式证明精度越低，仪表品质越高；2、展示两种检测方法的检测速度及精确度；3、将科学技术与检测方式联系，对化工检测的未来进行展望，与学生互动。 4、学习各种化工测量仪表的结构、工作原理、特点及使用方法。主要采用PPT展示相关图片及构造进行教学。 5.需掌握相关规范。懂得国家统一规定仪表精度等级的方法《GBT 13283-2008工业过程测量和控制用检测仪表和显示仪表精确度等级》。选择仪表标尺极限值时，采用《化工自控设计技术规定》。选择标准节流装置时按照国际标准ISO5167和ISO9300、国家标准GB/T2624-2006规定的技术条件设计，制造。 |
课程目标3 |
4自动控制仪表 4.1概述；4.2基本控制规律及其对系统过渡过程的影响；4.3模拟式控制器 5执行器 5.1气动执行器 |
课堂讲授、案例解析、指导阅读和课程作业练习。 依据不同例子分别讲授：1、控制器的特性及控制器的控制规律；2、控制规律及其特点以及各种控制规律控制过程的影响；3、气动执行器的作用、组成及分类，控制阀的安装及维护；重点介绍阀的流量特性以及阀的选择原则。即通过课堂讲授，案例解析和课堂讨论，强化学生遵守技术要求和规范表达的意识和技能。 |
课程目标4 |
6简单控制系统 6.1简单控制系统的结构及组成；6.2简单控制系统的设计6.3控制器参数的工程整定 |
课堂讲授、案例解析、指导阅读和课堂讨论。通过液位控制系统和温度控制系统的仿真案例来讲授简单控制系统的结构及组成。并以常见的淋浴系统让学生自行设计。解析式讲授被控变量与操纵变量、控制器控制规律的选择原则、控制规律的选择以及参数正定。训练学生能在处理各类技术问题时应用控制论、系统论信息论的观点分析思考，考虑事物间的相互关联。 熟悉各种行业政策、法律法规技术规范。 |
六、课程考核评价
本课程采用期末考试、课后作业和课堂表现以及实验报告综合评价的考核办法。其中，课堂表现（包括到课率/问答/讨论/报告等形式）要求学生围绕教师所提出的问题/讨论题进行课堂回答、演讲，报告，对于较为复杂的讨论题学生可在课后准备后再于课堂上汇报。课堂表现总评分10%，课后作业占总评分20%，实验报告占总评分10%课程考试占总评成绩60%，课程目标对应观测点/考核方式及分值分布如表4所示。
表4 课程目标对应的考核内容及考核方式
课程目标 |
考核内容 |
考核方式/观测点 |
课堂表现 |
课后作业 |
实验报告 |
课程考试 |
总评比例/% |
评价标准 |
课程目标1 |
1.1化工仪表自动化的主要内容；1.2自动控制系统的基本组成及表示形式；1.3自动控制系统的分类；1.4自动控制系统的过渡过程和品质指标 |
课程考试 |
9 |
9 |
参见考卷标准答案； |
|||
课程目标2 |
3检测仪表与传感器 3.1概述；3.2压力检测及仪表；3.3流量检测及仪表；3.4物位检测及仪表 ；3.5温度检测级仪表 |
课程考试 |
24 |
24 |
详见考卷标准答案、表5 |
|||
课程目标3 |
4自动控制仪表 4.1概述；4.2基本控制规律及其对系统过渡过程的影响；4.3模拟式控制器 5执行器 5.1气动执行器 |
课程考试 |
18 |
18 |
表5 |
|||
课程目标4 |
6简单控制系统 6.1简单控制系统的结构及组成；6.2简单控制系统的设计6.3控制器参数的工程整定 |
课程考试 |
10 |
20（一共10次作业，每次2分） |
10（两次实验报告，每次5分 |
9 |
25 |
详见考卷标准答案；表6 |
期末考试采用百分制，考核标准见各年度试卷评分标准；实验报告评价和课堂问答/讨论/作业评价标准见以下各表：
表5 实验报告评价标准
评级 |
评价标准 |
优秀（5） |
全面符合实验报告要求，预期报告、数据完整，有正确的数据处理分析，计算结果准确、按时提交并公开报告 |
良好（4） |
全面符合设计任务要求/标准、质量较好、计算思路正确、有一定的分析总结、按时提交 |
中等（3） |
作图质量尚可、具备计算过程、按时提交 |
及格（2） |
作图质量尚可，具备计算过程、经修改后提交且不符合设计任务要求/标准不超过3条 |
不及格（1） |
不符合设计任务要求/标准超过3条、或作图质量低劣、或缺乏计算过程、或修改后仍无法达标 |
表6 课堂表现（问答/讨论/报告）评价标准
评级 |
评价标准 |
优秀（5） |
观点正确、概念准确、逻辑通顺、层次分明、表达流畅 |
良好（4） |
观点正确、概念准确、能够提供有效的证据或论证 |
中等（3） |
观点基本正确、能够提供有效的证据或论证 |
不及格（<3） |
观点或概念错误，无法提供解释 |
备注：课堂问答/讨论/报告根据课程教学进展安排，部分讨论题将于课前布置。
七、教材与主要参考书
（一）推荐教材
1、《化工仪表及自动化》第五版，厉玉鸣主编，化学工业出版社。
（二）参考教材
1、《化工仪表及自动化》（化工类专业适用）第五版，厉玉鸣 刘慧敏 主编，化学工业出版社。
2、《化工仪表及自动化例题习题集》，厉玉鸣等主编，化学工业出版社。
（三）进一步阅读教材
1、《化工自动化及仪表》，杨丽明、张光新编著，化学工业出版社。
2、《过程自动化及仪表》第三版，俞金寿主编，化学工业出版社。
八、课程目标达成度评价
课程目标达成度从学生个体达成情况和课程整体达成情况两方面评价，前者将作为评判学生是否达到毕业要求以及能否通过课程考核的依据；后者作为课程实施质量的评价及持续改进措施的依据。当参加课程考核的学生班级数为2个班时，样本集为所有学生；当参加课程考核的学生班级为3个班及以上时，样本集通过间隔采样获取（按照所有学生学号序列间隔采样）。学生个体达成度统计表和课程整体达成度统计表如表7和表8所示。
表7 学生个体对课程目标的达成度统计表
毕业要求 |
课程目标 |
考核方式/观测点 |
分值 |
期望值* |
学生1 |
学生2 |
学生… |
平均值 |
指标点2.3 |
课程目标1 |
课程考试：1、作图简答题 |
9 |
|||||
课后作业 |
4 |
|||||||
指标点3.2 |
课程目标2 |
课后作业 |
10 |
|||||
课程考试： |
24 |
|||||||
指标点3.3 |
课程目标3 |
课后作业 |
4 |
|||||
课程考试 |
18 |
|||||||
指标点6.1 |
课程目标4 |
课后作业 |
2 |
|||||
课堂问答/讨论 |
10 |
|||||||
实验报告 |
10 |
|||||||
课程考试： |
9 |
备注：*期望值根据各年度考核覆盖面、难度、预期区分度等因素调整，但不低于所对应课程目标观测点全分值的60%；课程考试采用百分制，各观测点得分值×60%后输入本表格。
表8 课程整体目标达成度评价及持续改进
课程名称 |
化工仪表自动化 |
|||||
课程负责人 |
张柱华 |
|||||
课程组成员 |
张柱华 |
|||||
毕业要求 |
课程目标 |
考核方式 |
子目标达成度 |
主要问题 |
持续改进措施 |
备注 |
指标点2.3 |
课程目标1了解化工仪表自动化的基本知识，理解自动控制系统的组成、基本原理及各环节的作用 |
þ考试 |
||||
指标点3.2 |
课程目标2了解主要工艺参数 (温度、压力、流量及物位)的检测方法及其仪表的工作原理及特点;能根据工艺要求,正确地选用和使用常见的检测仪表及控制仪表 |
þ考试 |
||||
指标点3.3 |
课程目标3了解化工自动化的初步知识,理解基本控制规律,懂得控制器参数是如何影响控制质量的;能根据工艺的需要,和自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案;能为自控设计提供正确的工艺条件和数据 |
þ考试 |
||||
指标点6.1 |
课程目标4能在生产开停车过程中,初步掌握自动控制系统的投运及控制器的参数整定; 了解检测技术和控制技术的发展趋势和最新发展动态。能在处理各类技术问题时应用控制论、系统论信息论的观点分析思考，考虑事物间的相互关联 |
þ考试þ课堂讨论/报告 þ实验报告 |
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课程负责人（签字） |
年月 日 |
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化学与环境工程学院教学指导小组审核（签字） |
年月 日 |
|||||
备注：*课程分目标达成度计算方法为，样本中与课程目标对应观测点的平均得分/课程目标对应观测点的总分值。
执笔人：张柱华
二零二零年一月
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