课程类别：实践教学环节 课程名称：专业综合实验周（二）
开课单位：机械工程学院 课程编号：B05020507K
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（二）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、过程设备状态监测与故障诊断、过程装备工作过程仿真、过程工业控制、过程装备控制、过程工业仿真系统等实验内容等实验内容，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（二）主要专业实验包括测试系统实验、化工仿真系统实验、双容三容水箱实验装置实验、力学仿真、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。
4. 通过力学仿真实验，加深学生对过程过程装备力学基础课程内容的理解，使学生具备过程设备分析计算的能力。
5. 通过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。
3. 气体压缩及压力控制实验。
包括：压力PID单回路控制系统的常用方法；压力PID单回路控制系统组态；压力PID控制器参数整定方法；利用计算机测试软件对气体压缩进行实验，将PIC-01设为纯比例作用，增益KC以增量逐渐变化，得出气体压力控制等幅振荡和阶跃响应曲线；了解压力PID单回路控制系统组态，掌握压力PID单回路控制系统的常用方法及压力PID控制器参数整定方法，进一步巩固有关知识。
4. 列管式热交换器传热实验。
包括：热交换器温度PID单回路控制常用方法；温度PID单回路控制系统的组态；温度PID控制器参数整定方法；热交换器传热特性实验。对列管式热交换器传热进行实验，采用温度PID单回路控制系统，得出响应曲线，等幅振荡和阶跃响应曲线；了解工业生产中温度的检测、记录与控制的重要意义，熟悉温度测量的方法，掌握温度PID控制器参数整定方法，进一步巩固有关知识。
第三部分 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. 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。
2. 锅炉内胆温度特性及流量控制实验
包括：前馈、前馈反馈控制系统的基本概念、反馈控制与前馈控制的区别；锅炉内胆温度特性实验；锅炉内胆流量控制实验。本实验利用电动调节阀单回路控制锅炉内胆温度，然后利用变频器支路作为扰动，它的扰动对前馈部分进行补偿，并且可以测定，从而改变执行器的输入信号，消除干扰对被控量的影响。
3. 电动调节阀流量特性测试及流量控制实验
包括：调节阀的流量特性；正确分辨理想流量特性和工作流量特性的差别；在正确拆装调节阀组件基础上，对其工作流量特性进行测量；电动调节阀流量控制实验。本实验是对电动调节阀流量特性进行测试以及对流量进行控制，采用两种不同调节阀，运行组态界面程序，记录相应前后流量计测量值，得出各自流量特性，绘制相应特性曲线。
4. 变频器流量特性测试及流量控制实验
包括：简单过程控制系统的构成；简单过程控制的原理；变频器流量特性测试实验；变频器流量控制实验。本实验采用计算机控制，将液位控制在设定高度。根据上水箱液位信号输出给计算机,计算机根据P、I、D参数进行PID运算，输出信号给变频器，然后由变频器控制水泵2供水系统的进水流量，从而达到控制设定液位基本恒定的目的。
第四部分 力学仿真实验
实验目的：应用ANSYS软件对钢板进行应力及变形分析，通过创建有限元模型，再施加载荷并求解，最后输出图形显示与数据列表显示结果；熟悉ANSYS软件的功能，掌握应用ANSYS软件进行机械结构及其零部件的静力学分析的方法。应用ANSYS软件对单自由度系统的固有频率分析，通过创建两个单元，分别模拟质量块和弹簧，再施加约束并制定分析类型、选项及要扩展的模态数，最后求解，并列表固有频率；熟悉ANSYS软件的功能，掌握应用ANSYS软件进行机械结构及其零部件的动力力学分析的方法。
主要实验内容：应用ANSYS软件分析钢板的应力及变形；应用ANSYS软件分析压力容器的应力及变形；应用ANSYS软件分析单自由度系统的固有频率。
第五部分 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。
第六部分 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 |
4 |
16 |
20 |
第三部分 三容水箱实验装置实验 |
2 |
8 |
10 |
第四部分 力学仿真实验 |
2 |
6 |
8 |
第五部分 虚拟仪器用于控制系统实验 |
2 |
4 |
6 |
第六部分 齿轮箱系统故障诊断实验 |
2 |
6 |
8 |
合计 |
14 |
52 |
66 |
注：4周实验，每周按16学时计，共计64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58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%。
