课程类别：实践教学环节                        课程名称：专业综合实验周（一）

        开课单位：机械工程学院                        课程编号：B05020506K

总 学 时：3周                                         学    分：3

适用专业：过程装备与控制工程

先修课程：过程装备与控制工程主要专业课程。

一、课程在教学计划中地位和作用

    专业综合实验周（一）是“过程装备与控制工程”专业实践教学环节中的重要内容，是过程装备与控制工程专业本科生必修的实践性专业教育课程。属于应用型和综合型的专业实践课程，专业实验涉及过程参数检测与传感器、系统状态监测与故障诊断、过程装备PLC控制、过程装备单片机控制、过程工业仿真系统等实验内容，是综合了机械结构型式、流体运动方程、能量转换方法、自动控制策略、控制系统等多方面的知识。学生在学习了过程装备与控制工程主要专业课程后，方能进行本实践环节的学习。

专业综合实验周（一）主要专业实验包括测试系统实验、化工仿真系统实验、机电一体化综合实验平台实验、PLC实验箱实验、双容三容水箱实验装置实验、单片机实验、虚拟仪器应用实验和故障诊断实验等。

通过本课程的学习，使学生系统地掌握过程工业中过程参数检测、设备状态监测、控制算法和控制系统的实际使用和操作；培养学生综合应用所学专业知识解决实际问题的能力；为学生日后从事过程控制系统的设计、研发、运行等方面的工作奠定必要的技术基础。

二、课程目标

通过本课程的实践教学，使学生具备下列能力：

    1. 通过测试系统实验环节，加深学生对工程测试技术、过程检测控制技术课程中所学理论知识的理解，使学生掌握基本的专业实验方法和测试技术。

2. 通过化工仿真系统实验，加深学生对典型化工过程的理解，是化工原理、过程设备设计、过程流体机械、可编程控制器、集散控制系统、自动控制原理、过程检测控制技术课程实验的补充，使学生具备复杂工程系统模拟仿真的能力。

3. 通过机电一体化综合实验和PLC试验箱实验，加深学生对过程流体机械、可编程控制器、过程装备成套技术课程内容的理解，使学生具备过程工业自动化系统解决方案设计和分析的能力。

4. 通过双容三容水箱实验，加深学生对工程测试技术、过程检测控制技术、自动控制原理、可编程控制器、过程装备成套技术课程内容的理解，使学生具备过程工业自动化系统解决方案设计和分析的能力。

5. 通过单片机实验和LABVIEW水箱液位控制实验，加深学生单片机原理机接口技术、工程测试技术、自动控制原理、过程检测控制技术课程的理解，训练学生自己设计检测控制系统并编制软件的能力和使用大型软件平台的能力。

6. 通过齿轮箱故障诊断实验，加深学生对工程测试技术和过程装备监测与诊断课程的理解，训练学生自己设计测试系统并编制故障诊断软件的能力和使用大型软件平台的能力。

7. 通过分组实验过程，使学生具备良好的团队协作能力；通过实验报告的书写，使学生具有观察分析问题和实验数据处理的能力，具有良好的沟通能力。

    8. 提高学生的过程装备设计、过程控制系统设计、过程监测、过程系统工程设计等能力，掌握基本的用科学实验解决实际复杂工程问题的能力。

三、课程内容及基本要求

第一部分 测试系统实验

实验目的：基于传感器综合实验台，进行电桥性能实验、差动变压器性能实验、涡流传感器性能实验、温度传感器与温度控制实验，验证电阻式、电感式和热电式传感器工作原理，理解应用上述测试原理实现常用物理量的测试方法，了解上述传感器的标定方法和数据处理、误差分析方法。使学生具备组建测试系统的能力。

主要实验内容：

1. 金属箔式应变片电桥性能及应用实验。

包括：金属箔式应变片的应变效应；单臂电桥、半桥与全桥的工作原理和性能；直流全桥的在电子秤中的应用及电路的标定；应变片电桥性能实验。本实验对单臂电桥性能，半桥性能，全桥性能进行实验测试以及全桥电路在电子秤中的应用、电路的标定，测量记录数据；通过实验数据，计算并比较三种电桥的灵敏度和非线性误差。

2. 差动变压器性能实验及振动测试实验。

包括：差动变压器的工作原理和特性；差动变压器测量系统的组成和标定方法；差动变压器测量振动的方法；差动变压器性能实验；差动变压器振动测试实验。本实验对差动变压器性能进行测试实验、差动变压器测试系统进行标定以及振动进行测试实验，分别记录相应实验数据并绘制Vp-p－X曲线、V-X曲线以及梁的振幅-频率特性曲线，从而得出相应量程下的灵敏度和非线性误差、线性工作范围以及自振频率大致值。

3. 电涡流传感器的位移特性及应用实验。

包括：电涡流传感器测量位移的工作原理和特性；不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响；电涡流传感器组成电子称系统的原理与方法；电涡流传感器测量振动的原理与方法；电涡流传感器测量转速的原理与方法。本实验对电涡流传感器位移特性进行测试，以及不同材质、尺寸对电涡流传感器特性的影响，并对电涡流传感器在电子称、振动测试、转速测试应用进行实验，记录实验数据并绘制出U-X曲线、V0-W曲线、振动频率-输出峰值曲线以及驱动电压-转速（V-n曲线）；熟悉电涡流传感器的使用方法，了解其原理，进一步巩固电涡流传感器的有关知识。

4. 温度控制与测温传感器温度特性测试实验。

包括：铂热电阻的特性与应用；K型热电偶的特性与应用；常用的集成温度传感器（AD590）基本原理、性能与应用；PID智能模糊+位式调节温度控制原理；测温传感器温度特性测试实验。本实验对温度控制及K型热电偶测温进行实验，并对传感器温度特性及集成温度传感器的温度特性进行测试，画出温度控制原理框图，记录实验数据并绘制传感器温度特性测试及K型热电偶测温实验时模块输出Uo2的电压值-温度特性曲线。

5. 扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验。

包括：扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法；扩散硅压阻式压力传感器测量压力测量。本实验对扩散硅压阻式压力传感器的压力进行测量，通过改变正、负压力的增长关系，计算并绘制压力传感器输入P（P1-P2）-输出Uo2曲线，从而得到其灵敏度及非线性误差。

6. 霍尔传感器特性及应用实验。

包括：霍尔传感器的原理与应用；霍尔组件的应用-测量振动和转速；霍尔传感器特性实验。本实验对霍尔传感器特性及其振动与转速进行测试，记录实验数据并绘制U-X曲线，F-Vp-p曲线以及V-RPM曲线，得出不同线性范围时的灵敏度和非线性误差，振动源的固有频率。

第二部分 化工仿真系统实验

实验目的：基于MPCE-1000软件平台，使用软件模拟流程，实现图形化的现场组态，实时观察过程装备在运行过程中各个数据点的实时数据，了解工业组态技术；在软件中完成控制方案设计与控制器配置，构建控制仿真系统，通过仿真的方法了解工业控制过程和方法；掌握建立工艺过程和控制系统仿真模型的方法，了解数字“虚拟工厂”，了解目前过程工业中控制系统获得的各种数据曲线的内涵和分析方法；通过模拟故障的方法进行状态监测和故障分析，进一步理解故障诊断的重要性。

主要实验内容：

1. 离心泵与三级液位过程开车及正常运行实验。

包括：液位PID单回路控制系统的常用方法；液位PID单回路控制系统的组态；液位PID控制器临界比例度法参数整定方法；离心泵与三级液位过程实验。利用计算机测试软件对离心泵与三级液位过程开车及正常运行进行实验，得到相应的响应曲线，等幅振荡及阶跃响应曲线；熟悉液位PID单回路控制系统的组态，掌握液位PID单回路控制系统的常用方法以及液位PID控制器临界比例度法参数整定方法，进一步巩固离心泵的有关知识。

2. 单容过程与多容过程特性测试实验。

包括：单容过程及其动态特性测试；单容一阶滞后过程时间常数的测定；多容过程及其动态特性测试；多容过程时间常数的测定；多容过程动态特性的主要规律；多容过程特性测试。利用测试软件对单容过程与多容过程的特性进行测试，根据三级液位流程图，得出控制系统组态图，最后完成趋势画面组态；了解单容与多荣过程及其动态特性，掌握单容一阶滞后过程时间常数的测定方法及多容过程时间常数的测定方法，进一步巩固有关知识。

第三部分 机电一体化综合实验平台实验

实验目的：通过实验使学生了解工业中常见的交流伺服控制系统组成以及常见电气故障诊断及排除方法；了解变频器的工作原理及实用方法，掌握工业现场电气原理图的设计、布置方法。

主要实验内容：

1. 交流伺服控制系统应用实验。

包括：交流伺服系统的组成和控制原理； 交流伺服驱动器参数的设置，控制系统的参数设置等； 交流伺服系统的操作和使用方法； 交流伺服控制系统的电气故障诊断与排除方法；本实验对交流伺服控制系统进行实训实验，画出控制框图，列出位置、速度两种控制方式的主要参数；了解交流伺服系统的组成和控制原理，熟悉流伺服系统的设置、操作和使用方法，掌握交流伺服控制系统的电气故障诊断与排除方法，进一步巩固交流伺服控制知识。

2.变频器控制系统应用实验。

包括：变频电机控制系统的组成和控制原理； 变频电机控制系统的操作和使用方法； 变频电机驱动器参数的设置； 变频器控制系统的电气故障诊断与排除方法；变频器控制系统实验。根据电气连接图搭建变频器控制系统，从而对参数进行设置，最后进行变频器控制系统实训实验，画出控制框图，得出实验结果；了解变频电机控制系统的组成和控制原理，熟悉变频电机控制系统参数设置、操作和使用方法，掌握变频器控制系统的电气故障诊断与排除方法。

第四部分 PLC实验箱实验

实验目的：了解PLC控制器的各个功能模块，能够读懂、绘制各个功能模块的电气原理图。能够根据生产实际，绘制流程图并编写、调试程序，能够对软件中的错误进行修改，直至功能实现。

主要实验内容：

1. PLC电气图纸阅读及接线实验。

包括：PLC电气图纸识图； PLC控制系统硬件设备组成实验；PLC控制系统接线实验。通过PLC电气图纸阅读，并进行接线后，在STEP7环境下编写一个输入控制一个输出的简单程序，通过编程电缆（数据线）下载到PLC中，进行调试程序；熟悉相关实验设备，加深对PLC控制过程的认识，掌握PLC控制原理及接线方法。

2. PLC基本指令及控制红绿灯实验。

包括：PLC基本指令练习实验；PLC控制梯形图程序的编制；逻辑指令、定时器、计数器应用；PLC控制红绿灯实验。根据实验要求，分配I/O端子，进行电路设计，并编写step7程序，由电路原理图，进行接线，将程序下载到PLC中调试程序以实现实验要求；熟悉PLC控制梯形图程序的编制，加深理解PLC定时器等指令。

3. PLC控制步进电机实验。

包括：PLC结构化编程练习；PLC控制梯形图程序的编制；PLC控制步进电机实验。根据实验要求，分配I/O端子，进行电路设计，并编写step7程序，由电路原理图，进行接线，将程序下载到PLC中调试程序以实现实验要求；熟悉PLC控制梯形图程序的编制，加深理解PLC对步进电机的控制过程。

第五部分 三容水箱实验装置实验

实验目的：了解各个工艺参数对水箱液位控制的影响，能够根据实验数据对参数进行调整并抽象对应的数学模型。掌握阀的控制方法与控制过程。

主要实验内容：

1. 单容水箱DDC控制实验。

包括：简单过程控制系统性能测试的常用方法；一阶纯滞后系统的特征参数设定方法；单容水箱实验。对上水箱单容特性进行测试，按照其流程图，进行接线，阀门开度值变化，使系统输入幅值适宜的阶跃信号，输出也为变化信号，观察实验曲线，记录阶跃响应曲线数据处理结果值，根据K、T、τ平均值写出广义的传递函数。

2. 双容水箱液位控制实验。

包括：简单过程控制系统的构成；双容液位计算机控制方法；双容水箱实验。采用计算机控制,将（下水箱）液位控制在设定高度。通过上水箱根据下水箱信号输出给计算机,计算机根据P、I、D参数进行PID运算，输出信号给电动调节阀，然后由电动调节阀控制水泵1出水流量，控制上水箱液位，再控制下水箱液位，从而达到控制设定液位的目的。

3. 温度PID连续控制试验。

包括：温度控制系统构成；控制原理及仪表应用；温度PID连续控制试验。采用计算机控制,将加热器水的温度控制在设定温度。根据加热器温度变送输出给计算机，计算机根据PID运算，然后控制输出信号。通过调压模块，调整电加热器的功率，使的加热器里水的温度控制在设定的温度。也可控制加热器外层冷却水的流量（温度），控制热水器里的温度。

第六部分 单片机应用实验

实验目的：了解工业上常用的单片机控制系统原理，能够根据生产实际进行硬件设计以及对应的程序设计，实现对某一过程的控制。

主要实验内容：

1. 单片机测温实验。

包括：单片机采集温度的过程；NTC测温原理；ADC的编程方法。以STC大学计划实验箱为研究对象，重点研究NTC工作原理及ADC采集过程；熟悉单片机采集温度的过程，学习NTC测温原理及ADC的编程方法。

2. 单片机控制步进电机实验。

包括：步进电机的工作原理；通过单片机控制步进电机完成相应的精确定位实验。以STC大学计划实验箱为研究对象，重点研究NTC工作原理及ADC采集过程；熟悉步进电机的工作原理，通过单片机控制步进电机完成相应的精确定位实验。

第七部分 虚拟仪器用于控制系统实验

实验目的：了解液位传感器的工作原理和水泵的起停控制方法，学习Labview软件，培养学生自行设计监测与控制系统的能力和使用现代软件工具的能力。

主要实验内容：基于虚拟仪器的水箱液位控制实验。包括：用给定的实验对象水箱、液位传感器、控制器、数据采集卡、阀门等器件组建液位控制系统；在Labview软件中编制图形化监测系统软件和PID液位控制软件；实现液位实时控制并输出液位曲线。

第八部分 齿轮箱系统故障诊断实验

实验目的：了解齿轮传动原理及其主要故障形式，理解各种故障下齿轮箱系统的振动、噪声变化情况，组建振动噪声测试系统；学习MATLAB软件，培养学生自行设计监测与故障诊断系统的能力和使用现代软件工具的能力。

主要实验内容：在给定的实验台上布置能够反映故障特征的振动、噪声测试点；组建振动噪声测试系统，采集正常、齿轮故障和轴承故障三种工况下的振动噪声测试数据；编制简单的特征提取与故障诊断程序对所测试数据进行分析，获得故障识别结果。

四、学时分配

实验内容	讲授（学时）	试验（学时）	小计
第一部分 测试系统实验	2	12	14
第二部分 化工仿真系统实验	2	8	10
第三部分 机电一体化综合实验平台实验	2	4	6
第四部分 PLC实验箱实验	2	6	8
第五部分 三容水箱实验装置实验	2	6	8
第六部分 单片机应用实验	2	4	6
第七部分 虚拟仪器用于控制系统实验	2	4	6
第八部分 齿轮箱系统故障诊断实验	2	6	8
合计	16	50	66

注：3周实验，每周按24学时计，共计72学时，其中大型实验周动员与安全教育共占用2学时，实验报告书写及评阅占用4学时，实际实验按66学时安排。

五、课程目标达成评价的途径和措施

1. 考核目标

在考核学生对过程装备与控制专业课程学习的基础上，重点要求学生掌握综合所学知识的实践应用能力，能独立完成各项实验。

2. 考核方式

实验操作和实验报告考核。

3. 计分办法

采用五级等级分制，分为优秀、良好、中等、及格、不及格；实验操作占40%，实验报告占60%。