第1講 本專業(yè)發(fā)展目標(biāo)、特點及發(fā)展趨勢-v1

1、過程控制專業(yè)概論陳祥光、蔣健、李兵、劉春濤2012年9月1前言 （1）課程的性質(zhì) 過程控制專業(yè)概論是“過程裝備與控制工程” 專業(yè)一門必修的公共基礎(chǔ)課程。 （2）課程的任務(wù) 能夠比較系統(tǒng)地了解本專業(yè)的主要學(xué)習(xí)課程、研究方向,并對本專業(yè)有較深入的認(rèn)識和正確的理解。 （3）教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配 本課程為16學(xué)時，由4位老師來完成。每位老師講授4學(xué)時。 （4）成績評定 本課程成績評定采用課堂學(xué)習(xí)情況(回答問題、考勤)和課程總結(jié)報告進(jìn)行綜合評定。21.1 本專業(yè)歷史沿革和發(fā)展目標(biāo)（1）學(xué)院機(jī)構(gòu)化工與環(huán)境學(xué)院化學(xué)工程與控制系應(yīng)用化學(xué)與制藥系環(huán)境與能源系過程裝備與控制工程(過程控制方向)專業(yè)化工原理教研室生態(tài)

2、工業(yè)研究所能源化學(xué)工程系31.1 本專業(yè)歷史沿革和發(fā)展目標(biāo)（2）專業(yè)的歷史 北京理工大學(xué)“火炸藥生產(chǎn)過程自動化”（簡稱為68）專業(yè)創(chuàng)建于1965年。國防科委根據(jù)當(dāng)時軍事工業(yè)發(fā)展的需要，應(yīng)第五機(jī)械工業(yè)部的要求，在北京工業(yè)學(xué)院（北京理工大學(xué)的前身）化工系成立“火炸藥生產(chǎn)過程自動化”專業(yè)。 根據(jù)國防科委提出以非常的辦法，非常的速度建立兵工專業(yè)專修科（科8字685號文件）的要求，邊組建邊招生，于1965年秋招收第一屆大學(xué)生。 41.1 本專業(yè)歷史沿革和發(fā)展目標(biāo) 我?！斑^程裝備與控制工程”專業(yè)的前身是“火炸藥生產(chǎn)過程自動化” 創(chuàng)辦于1965年，至今已有40多年歷史了，培養(yǎng)了2500多名本?？粕?，230多

3、名（碩士、博士）研究生。為我國現(xiàn)代化建設(shè)培養(yǎng)了一批高級專門人才。 按照軍民結(jié)合，拓寬專業(yè)面，以學(xué)科為基礎(chǔ)設(shè)置本科專業(yè)的原則，68專業(yè)幾經(jīng)調(diào)整更名，從“火炸藥生產(chǎn)過程自動化” “化工過程控制”“工業(yè)自動化”。 1997年更名為“化學(xué)工程與工藝（自動化方向）”。 2006年又更名為“過程裝備與控制工程（過程控制方向）”。51.1 本專業(yè)歷史沿革和發(fā)展目標(biāo)（3）發(fā)展目標(biāo) 基于控制科學(xué)與工程、化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科交叉建設(shè)過程裝備與控制工程專業(yè)，其發(fā)展的目標(biāo)是： 1. 確保化工與控制學(xué)科的協(xié)調(diào)發(fā)展； 2. 培養(yǎng)過程裝備與控制工程專業(yè)的高級專門人材； 滿足我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求； 3. 保持（過程控制方向的）專

4、業(yè)特色，確保高考學(xué)生生源 質(zhì)量，提高畢業(yè)學(xué)生的就業(yè)率。61.1 本專業(yè)歷史沿革和發(fā)展目標(biāo) 適應(yīng)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)需要，德智體美等全面發(fā)展，基礎(chǔ)扎實、理工結(jié)合、素質(zhì)全面、實踐能力和創(chuàng)造能力強(qiáng)的研究發(fā)展型人才。 本專業(yè)培養(yǎng)具備控制工程、化學(xué)工程、機(jī)械工程和信息管理工程等方面的知識，能在石油化工、生物化工、火化工、能源環(huán)保、食品輕工、冶金建材等領(lǐng)域，從事過程測控系統(tǒng)設(shè)計、自動化儀表開發(fā)、微計算機(jī)應(yīng)用及過程信息管理等方面的高級工程技術(shù)人才。（4）培養(yǎng)目標(biāo)71.1 本專業(yè)歷史沿革和發(fā)展目標(biāo)（5）教師隊伍( 專業(yè)課任課教師) 8（5）教師隊伍 1.1 本專業(yè)歷史沿革和發(fā)展目標(biāo)9（6）兼職教授 趙毅教授19

5、80年畢業(yè)于北京理工大學(xué)化工系化工自動化專業(yè)。1992年5月至1996年3月在日本東京電子機(jī)械大學(xué)做訪問學(xué)者。2001年在南京理工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)獲博士學(xué)位。曾任國營四七五廠廠長、黨委書記。曾任中國北方化學(xué)工業(yè)總公司副總經(jīng)理、第三事業(yè)部副主任、火炸藥局副局長、中國兵器科學(xué)研究院副院長?，F(xiàn)任中國兵器工業(yè)集團(tuán)公司質(zhì)量安全與社會責(zé)任部主任。2006年被聘為北京理工大學(xué)兼職教授。 趙毅博士多年來從事火炸藥生產(chǎn)管理部門的領(lǐng)導(dǎo)工作，精通我國火炸藥生產(chǎn)工藝。提出了多項改造火化工生產(chǎn)工藝的指導(dǎo)性建議，對提升我國火化工生產(chǎn)水平具有重要的意義。 曾多次來我校作有關(guān)國內(nèi)外火炸藥生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展前景的學(xué)術(shù)報告，非常關(guān)心

6、我?；瘜W(xué)工程與技術(shù)學(xué)科的發(fā)展和在火炸藥生產(chǎn)行業(yè)的地位和作用，對開拓新的研究領(lǐng)域起到了積極的作用。 1.1 本專業(yè)歷史沿革和發(fā)展目標(biāo)101.1 本專業(yè)歷史沿革和發(fā)展目標(biāo) 顧大偉教授1977年考入復(fù)旦大學(xué)數(shù)學(xué)系，1979年提前畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)并考取上海交通大學(xué)研究生；1981-1982年在上海交通大學(xué)任講師；1982-1985年于英國帝國理工學(xué)院控制系統(tǒng)理論博士研究生畢業(yè)，獲博士學(xué)位；1989年被委派到英國萊斯特大學(xué)工程系任講師；隨后晉升為高級講師、Reader、教授。2006年被聘為北京理工大學(xué)兼職教授。 顧大偉博士多年來從事最優(yōu)化控制、魯棒最優(yōu)化及超最優(yōu)化控制、多目標(biāo)的魯棒最優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計；運

7、用混合系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、協(xié)同系統(tǒng)技術(shù)對工業(yè)過程進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計。顧大偉博士是首先將 理論和方法介紹到中國的學(xué)者之一。他是 控制系統(tǒng)商用軟件的研制者之一，一些子程序被MATLAB軟件所采用。他也是SLIDE、控制工程可靠軟件EU網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)始人。顧大偉教授是臺灣、日本、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、香港城市大學(xué)客座教授，是幾個國際期刊的特約評論員。111.1 本專業(yè)歷史沿革和發(fā)展目標(biāo) 黃彪教授1983年于北京航空航天大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位；1986年于北京航空航天大學(xué)獲碩士學(xué)位；1997年于加拿大Alberta大學(xué)（化學(xué)與材料工程系）獲博士學(xué)位；1986-1992年在北京理工大學(xué)任講師；1992-1996年在加

8、拿大Alberta大學(xué)任教學(xué)與科研助理；隨后晉升為講師、副教授、教授。2005年被聘為北京理工大學(xué)兼職教授。 目前的研究方向有：化學(xué)工程 、過程控制 、燃料電池 、生物醫(yī)學(xué)工程 、魯棒控制 、控制器性能評估 ，等。 自1997年以來，黃彪教授在國外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文150多篇，在國際學(xué)術(shù)會議上發(fā)表論文60多篇?，F(xiàn)為加拿大化學(xué)工程師協(xié)會系統(tǒng)與控制分會主席；“加拿大化學(xué)工程學(xué)報”副主編。 121.2 本科-碩士-博士(培養(yǎng)與教學(xué)計劃)本科專業(yè)：“過程裝備與控制工程”碩士專業(yè)：“控制科學(xué)與工程”、“化學(xué)工程與技術(shù)”博士專業(yè)：“檢測技術(shù)與自動化裝置”13控制科學(xué)與工程檢測技術(shù)與自動化裝置控制理論與控制

9、工程模式識別與智能系統(tǒng)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)工程化學(xué)工程與技術(shù)應(yīng)用化學(xué)化學(xué)工程化學(xué)工藝生物化工工業(yè)催化1.2 本科-碩士-博士(培養(yǎng)與教學(xué)計劃)141.2 本科-碩士-博士(培養(yǎng)與教學(xué)計劃)畢業(yè)10名博士151.2 本科-碩士-博士(培養(yǎng)與教學(xué)計劃)在讀7名博士16（1）教學(xué)計劃公共基礎(chǔ)課：英語、政治、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、專業(yè)數(shù)學(xué)、 專業(yè)概論，等； 學(xué)科基礎(chǔ)課：電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技 術(shù)基礎(chǔ)、化工原理、過程參數(shù)檢測技術(shù)、過程控 制原理，物理化學(xué)，等；專業(yè)課：過程控制工程、過程控制儀表、過程計算機(jī)控制系 統(tǒng)、微機(jī)與單片機(jī)原理及應(yīng)用、控制系統(tǒng)仿真技 術(shù)、化工動態(tài)學(xué)、誤差理論與數(shù)據(jù)處

10、理、高級過 程控制、化工設(shè)備與機(jī)械，等。1.2 本科-碩士-博士(培養(yǎng)與教學(xué)計劃)17 為了培養(yǎng)學(xué)生具有較強(qiáng)的自學(xué)能力、獲取和應(yīng)用所學(xué)知識的能力，能適應(yīng)我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的需要，能將所學(xué)的基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識融會貫通，靈活地綜合應(yīng)用于工程實踐中，具有研究和解決現(xiàn)代工業(yè)過程控制、微型機(jī)應(yīng)用及儀器儀表領(lǐng)域工程實際問題的初步能力。 圍繞工業(yè)過程參數(shù)的檢測、控制、仿真以及信息的處理等所必需的知識技能來確定專業(yè)教育內(nèi)容、課程設(shè)置和實踐環(huán)節(jié)。其知識結(jié)構(gòu)框架可用圖1表示。（2）課程設(shè)置1.2 本科-碩士-博士(培養(yǎng)與教學(xué)計劃)18圖1 1.2 本科-碩士-博士(培養(yǎng)與教學(xué)計劃)19 實踐教學(xué)與理論教學(xué)既密

11、切聯(lián)系，又相對獨立。它對提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神與實踐能力有著理論教學(xué)不可替代的特殊作用。 專業(yè)認(rèn)知實習(xí) 專業(yè)認(rèn)識實習(xí)是本科生教學(xué)過程中一個重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生由理性認(rèn)識到感性認(rèn)識需要一個過程，學(xué)生到生產(chǎn)第一線了解自動化在工業(yè)生產(chǎn)過程中的作用以及工藝生產(chǎn)過程對自控的要求，了解工藝生產(chǎn)過程中控制系統(tǒng)的運行情況和現(xiàn)場操作人員調(diào)節(jié)過程，使學(xué)生了解工業(yè)生產(chǎn)線上的檢測儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制閥）以及受控對象是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的四個主要的組成部分，為后序?qū)I(yè)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。（3）加強(qiáng)實踐教學(xué)1.2 本科-碩士-博士(培養(yǎng)與教學(xué)計劃)20 專業(yè)實習(xí) 專業(yè)實習(xí)是本科生教學(xué)過程中一個很

12、重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。通過專業(yè)實習(xí)，使本專業(yè)的學(xué)生能了解自動控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中的作用，使學(xué)生增強(qiáng)對生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)的感性認(rèn)識。 專業(yè)實習(xí)是在本專業(yè)學(xué)生修完基礎(chǔ)課、學(xué)科基礎(chǔ)課和部分專業(yè)課的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。通過實習(xí)能加強(qiáng)和擴(kuò)充已學(xué)到的基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識，結(jié)合生產(chǎn)實際學(xué)會在實踐中的應(yīng)用方法，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的實際工作能力。 通過專業(yè)實習(xí)又可以結(jié)合生產(chǎn)或科研中的具體課題，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，搜集資料，總結(jié)工人和工程技術(shù)人員的實際經(jīng)驗，為畢業(yè)設(shè)計奠定一定的基礎(chǔ)。專業(yè)實習(xí)是學(xué)生在畢業(yè)前進(jìn)行工程實踐基本訓(xùn)練的重要階段。1.2 本科-碩士-博士(培養(yǎng)與教學(xué)計劃)21 畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計是本科教學(xué)最后一個綜合性

13、、創(chuàng)造性的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對學(xué)生在校期間所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和實踐技能的全面總結(jié)，是對學(xué)生綜合能力和素質(zhì)的全面檢驗，也是學(xué)生畢業(yè)及學(xué)位資格認(rèn)定的重要依據(jù)，其主要目的和任務(wù)是： 培養(yǎng)綜合運用所學(xué)知識和技能、獨立分析和解決問題的能力；培養(yǎng)查閱文獻(xiàn)，提高外文翻譯水平和專業(yè)基本技能；培養(yǎng)實際動手、實驗研究、獲取新知識的能力；培養(yǎng)撰寫科技論文、正確運用國家標(biāo)準(zhǔn)和科技語言闡述理論和技術(shù)問題的能力。 多年來，本專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計（論文）都是一人一題，95%以上的畢業(yè)設(shè)計（論文）題目與科研項目或生產(chǎn)實際相結(jié)合。1.2 本科-碩士-博士(培養(yǎng)與教學(xué)計劃)221.3 本專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的交叉發(fā)展 “化學(xué)工程與自動

14、化”曾經(jīng)在國內(nèi)稱之為“化工自動化”（國外稱之為“過程控制”），是自動化（或自動控制）領(lǐng)域中的一個很重要的分支，其應(yīng)用領(lǐng)域為廣義化工生產(chǎn)過程自動化。 北美一些國家（如拿大McMaster University，University of Alberta等）的“過程控制”專業(yè)設(shè)在化學(xué)工程系，而歐洲一些國家（如英國University of Cambridge，University of Oxford等）的“過程控制”專業(yè)卻設(shè)在工程系，以工程學(xué)科（或交叉學(xué)科）為背景，發(fā)展“過程控制”專業(yè)是國外高校過程控制學(xué)科的辦學(xué)特色。 以廣義化工（火炸藥化工、石油化工等）為背景，保留該專業(yè)在化工與環(huán)境學(xué)院，融合控

15、制科學(xué)與工程、化學(xué)工程與技術(shù)等多學(xué)科發(fā)展“過程裝備與控制工程（過程控制方向）”專業(yè)是化工與環(huán)境學(xué)院的辦學(xué)特色。 23 以廣義化工（包括：包括火化工、煉油、石化、冶煉、造紙、水泥、醫(yī)藥、食品、紡織等對物料進(jìn)行各種物理、化學(xué)加工處理過程）為對象。 以化工原理、過程控制原理、控制工程為基礎(chǔ)，以檢測技術(shù)、計算機(jī)和過程控制儀表等為技術(shù)手段，研究一般過程參數(shù)（如溫度、壓力、流量、液位、界面等）和特殊參數(shù)（如成份、密度、粘度、組份等）進(jìn)行在線檢測和控制； 研究生產(chǎn)過程（大系統(tǒng)）自動化、智能化及過程信息管理網(wǎng)絡(luò)化，以確保生產(chǎn)過程運行在安全、高效、低耗、節(jié)能和低污染（或零污染）的最佳狀態(tài)。（1）研究對象1.3

16、本專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的交叉發(fā)展24（2）本專業(yè)發(fā)展方向主要的專業(yè)研究方向有： . 化工過程在線檢測與自動控制; . 新型檢測技術(shù)與智能儀器設(shè)計; . 微型機(jī)應(yīng)用與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計； . 工業(yè)過程建模、仿真及優(yōu)化控制; . 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用研究; . 控制系統(tǒng)傳感器性能在線監(jiān)視與故障診斷技術(shù)。1.3 本專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的交叉發(fā)展251.3 本專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的交叉發(fā)展 學(xué)科交叉是創(chuàng)新思想的源泉。不同的思想和不同的科研方法在某一點產(chǎn)生火花，就會使科學(xué)家產(chǎn)生靈感，從而突破原來的固有的思維模式，開創(chuàng)出新的研究領(lǐng)域。 控制科學(xué)與工程學(xué)科已發(fā)展成為一門與“儀器科學(xué)與技術(shù)”、“機(jī)械電子工程”、 “計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)

17、”、“信號與信息處理”等多學(xué)科交叉的新型綜合學(xué)科，特別是與一些新興學(xué)科的交叉，這是控制科學(xué)與工程的特點， 261.3 本專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的交叉發(fā)展 多系統(tǒng)集成創(chuàng)新: 先進(jìn)儀器的開發(fā)需要綜合多方面知識，集成多種技術(shù)。儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的充實、發(fā)展和創(chuàng)新需不斷吸收其它學(xué)科的新成就。需要集成交叉學(xué)科的新理論、新技術(shù)，拓寬本學(xué)科的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。 271.3 本專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的交叉發(fā)展學(xué)科發(fā)展趨勢：作為儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科研究成果的儀器儀表產(chǎn)品的總體發(fā)展趨勢是由傳統(tǒng)的儀器儀表朝著高可靠性、高精度、高靈敏、使用壽命長和環(huán)保型的方向發(fā)展。而新型的儀器儀表與元器件將朝著智能化、小型化（微型化）、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、

18、集成化的方向發(fā)展。281.3 本專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的交叉發(fā)展例如，在研究儀器儀表的信息通訊過程中，要涉及到信息與通訊工程學(xué)科的應(yīng)用基礎(chǔ)；在研究電子測量儀器以及信號獲取過程中，要涉及到電子信息工程學(xué)科的理論和技術(shù)基礎(chǔ)；在研究嵌入式儀器儀表以及數(shù)字信息的傳送與處理過程中，要涉及到計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的技術(shù)基礎(chǔ)。 291.3 本專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的交叉發(fā)展儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科在發(fā)展過程中，不僅要與近鄰學(xué)科進(jìn)行交叉發(fā)展，而且要與偏遠(yuǎn)學(xué)科進(jìn)行交叉發(fā)展。綜合各學(xué)科的最新技術(shù)，在研究開發(fā)儀器儀表相關(guān)類型傳感器、元器件的基礎(chǔ)上，研究新一代智能化、微型化、集成化及網(wǎng)絡(luò)化儀器儀表。 301.4 實驗室建設(shè)與科研工作介紹目前

19、主要設(shè)備和儀器 . 教研室現(xiàn)有30多臺計算機(jī)； . 集中監(jiān)測與分散（集散）控制系統(tǒng)（DCS）； . 專業(yè)基本實驗綜合裝置(ECES-1) ； . CSY-2000系列傳感器與測控技術(shù)實驗裝置； . PCT-過程控制系統(tǒng)實驗裝置; . MPCE-1000型模擬控制系統(tǒng); .多套單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)； .一些測試儀器設(shè)備等。（1）實驗室建設(shè)311.5 實驗室建設(shè)與科研工作介紹321.5 實驗室建設(shè)與科研工作介紹集散控制系統(tǒng)（DCS）:331.5 實驗室建設(shè)與科研工作介紹工程師站與操場作員站控制站341.5 實驗室建設(shè)與科研工作介紹專業(yè)基本實驗綜合裝置(ECES-1); 實驗裝置硬件部分由內(nèi)壓筒、外壓筒、

20、高位水箱、離心泵、電動調(diào)節(jié)閥、變頻器、流量及壓力傳感器、應(yīng)變儀、控制柜等部件組成；軟件部分包括各種自動檢測、控制與通訊技術(shù)，以及實驗指導(dǎo)書等。 1. 實驗內(nèi)容： （1）內(nèi)壓薄壁容器應(yīng)力測定實驗； （2）薄壁圓筒外壓失穩(wěn)實驗； （3）離心泵性能測定實驗； （4）單容及雙容液位對象特征參 數(shù)測定實驗； （5）恒壓力控制實驗； （6）恒流量控制實驗。 2實驗裝置特點 （1）結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積?。▋H約8m2） ；（2）實驗項目多、裝置利用率高；（3）自動化程度高、技術(shù)性能好。 351.5 實驗室建設(shè)與科研工作介紹圖2 361.5 實驗室建設(shè)與科研工作介紹 1. 實驗裝置組成 （1）主控制臺部分； （2）三源部分（振動源、旋轉(zhuǎn)源、加熱源）； （3）傳感器（基本型傳感器有15種，增加型傳感器有7種）； （4）實驗?zāi)K部分（普通型有10個模塊，增強(qiáng)型有8個模塊）； （5）數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件。 2. 相應(yīng)課程的實驗教學(xué) 該裝置可用于高等院校本科生開設(shè)的“傳感器原理與測試技術(shù)”、“自動化檢測技術(shù)”、“工業(yè)自動