课程介绍
测控系统原理与设计是测控技术与仪器类专业必修的一门专业课。本课程旨在使学生通过对现代测控系统典型硬件组成环节、测控算法、整机监控程序、抗干扰以及整机工作原理等知识的学习，掌握测控类仪器、系统的设计和分析方法，具备根据特定场景需求设计适合测控系统的能力，培养学生从工程论和系统论视角解决仪器仪表领域或其他行业实际工程测控问题的思想意识和使命感。
课程大纲
1、绪论（支撑课程目标1，建议学时 2学时）
（1）教学内容
介绍本课程的教学任务、性质及学习方法，阐述测控系统的地位与作用、与环境保护和社会持续发展的关联关系，学习一些重要概念、基本术语、系统分类和基本组成，了解测控系统的研究现状及发展趋势。
（2）对课程目标的支撑情况
支撑课程目标1。通过教学使学生了解测控系统的基本概念和知识、重要地位和作用、国内外研究现状和前沿发展趋势，为后续的专业课程学习奠定基础，理解智能仪器仪表产业对环境和社会可持续发展的影响。
（3）教学环节
①课堂教学：采用多媒体和传统教学相结合的方式。
②课后作业：P63 1-1，1-3，训练知识点为理解测控系统的地位与作用、分类和基本组成。
③课外学习：查阅云平台、数字孪生、工业4.0、CPS系统的概念。
（4）课程思政教学内容及教学方式
教学内容：爱国主义情怀和民族自尊心和自信心；为社会发展、提升人民美好生活质量做贡献的强烈使命感和责任感。
教学方式：在介绍测控系统的研究现状及发展趋势时，举例一航天领域的测控系统实例展现我国科技近年的巨大成就和领先地位，激发学生爱国主义情怀和民族自豪感；在阐述测控系统作用时，强调测控系统及仪器对社会可持续发展、保护环境、提升人民美好生活质量的重大促进作用（66%的GDP都与测控系统及仪器产业相关），从而激发学生努力掌握测控系统知识、造福社会的使命感和责任感。
2、测控通道（支撑课程目标 2，建议学时4学时）
（1）教学内容
主要阐述模拟输入通道、模拟输出通道、开关量输入/输出通道的组成、分类、设计分析与技术实现，单元电路的级连设计。
（2）对课程目标的支撑情况
支撑课程目标2。通过教学使学生掌握测控系统向前测控通道、向后测控通道等环节和主要元部件的设计及实施方法。
（3）教学环节
①课堂教学：采用多媒体和传统教学相结合的方式。
②课后作业：P55 2-1，2-7，2-11，2-12，训练知识点为掌握测控通道的组成、结构分类、和级联技术。
③课外学习：查阅各种硬件滤波技术。
3、主机及其接口（支撑课程目标 2，建议学时4学时）
（1）教学内容
主要阐述主机电路、测控接口及程序、人机接口及程序、通讯接口及程序的分类组成及其设计原则、步骤与方法；测控系统硬件总体设计的相关基础。
（2）对课程目标的支撑情况
支撑课程目标2。通过教学使学生掌握测控系统主机及接口（人机、通讯）环节的设计及实施方法，掌握测控系统硬件总体设计、初步依据性价比、环境保护、持续发展等综合因素科学设计与优化系统整机方案的方法。
（3）教学环节
①课堂教学：课程教学采用多媒体和传统教学相结合的方式，注重实例分析。
②课后作业：P118 3-5，3-7，3-9，3-16训练知识点为掌握测控系统主机及接口（人机、通讯）等环节的设计及实施技术。
③课外学习：查阅DSP相关资料。
4、测量数据处理（支撑课程目标3，建议学时4学时）
（1）教学内容
主要阐述量程切换、标度变换、误差校正、非线性校正、数字滤波、越限与报警处理的原理和方法，学习非线性校正和数字滤波的设计步骤及实现方法。
（2）对课程目标的支撑情况
支撑课程目标3。通过教学使学生掌握通用数据处理分析的原理及算法设计、实现方法，能够对测量结果进行分析、预测和评价。
（3）教学环节
①课堂教学：采用多媒体和传统教学相结合的方式。
②课后作业：P192 5-1，5-2，5-8，训练知识点为掌握通用数据处理的方法和技术。
③课外学习：查阅各种软件滤波技术。
④课程实验：数据采集系统（模拟量、开关量）设计实验（4学时）（教学内容和教学目标见实验教学大纲）
（4）课程思政教学内容及教学方式
教学内容：求真务实、勇于创新的科学研究态度。
教学方式：以测量数据的处理目的——用各种方法获得测量数据的真值引入思政内容。数据处理的过程就是求取物理参量实际真值的过程，必须保证求真务实的科学研究态度，不得虚假；为了获取准确度更高的物理参量实际真值，就需要创新的测量与数据处理方法、勇于创新的科学研究态度。
5、PID控制算法（支撑课程目标3，建议学时4学时）
（1）教学内容
主要阐述现代控制方法概论、PID控制原理与程序流程、标准PID算法改进、数字PID的参数选择与工程实现、MATLAB简介、最优控制简介及在复杂工程问题中的应用。
（2）对课程目标的支撑情况
支撑课程目标3。通过教学使学生掌握典型控制方法的原理及算法设计、典型案例建模和求解、实现，能够对控制结果进行分析和评价。
（3）教学环节
①课堂教学：采用多媒体和传统教学相结合的方式。
②课后作业：P214 6-1，6-5，6-6，训练知识点为掌握典型控制方法的设计和分析。
③课外学习：查阅AI控制方法的发展趋势。
④课程实验：PI控制系统（直流电机调速）设计实验（4学时）（教学内容和教学目标见实验教学大纲）。
（4）课程思政教学内容及教学方式
教学内容：树立以建设中国特色社会主义、实现中华民族伟大复兴为核心的坚定理想信念，形成正确的世界观、人生观、价值观。
教学方式：以PI控制系统的控制原理引入思政内容。给控制器一期望值（给定），控制系统在控制器的作用下，可以达到期望的行为输出，如果控制器的控制算法不正确，控制系统的行为就会失控。人体也是控制系统，大脑是人体的控制器，大脑中的算法就是世界观、人生观、价值观，没有正确的三观，人就不会有正确的执行行为。所以，只有以实现中华民族伟大复兴为核心的坚定理想信念为人体控制系统的期望值（给定），以正确的世界观、人生观、价值观作为人体大脑的控制算法，才能让控制自己的行为始终有助于国家的强大和社会的进步。
6、监控程序设计（支撑课程目标3，建议学时2学时）
（1）教学内容
主要阐述监控程序功能、组成、管理，学习键盘、显示、自检程序的设计原理与方法。
（2）对课程目标的支撑情况
支撑课程目标3。通过教学使学生掌握测控系统自身监控程序的设计及实现。
（3）教学环节
①课堂教学：采用多媒体和传统教学相结合的方式。
②课后作业：P231 7-1，7-6，训练知识点为掌握测控系统自身监控程序的设计。
③课外学习：查阅监控程序的自检算法。
7、抗干扰技术（支撑课程目标4，建议学时4学时）
（1）教学内容
主要阐述测控系统噪声干扰的形成、危害，接地、屏蔽等硬件抗干扰技术，软件冗余、软件陷阱等软件抗干扰技术。
（2）对课程目标的支撑情况
支撑课程目标4。通过教学使学生掌握测控系统的干扰成因及危害、软硬件抗干扰方法及工程实现技术。
（3）教学环节
①课堂教学：采用多媒体和传统教学相结合的方式。
②课后作业：P278 8-2，8-5，8-12，训练知识点为掌握抗干扰的技术和方法。
③课外学习：查阅EMC相关知识。
8、系统设计（支撑课程目标4，建议学时4学时）
（1）教学内容
主要阐述测控系统设计要求、步骤和方法，结合本课程所学的知识和设计方法，能够应用专业知识对仪器仪表领域工程问题进行建模和求解，设计一单机测控系统实例（温度巡检系统、远程工业监控系统），评价设计方案合理性。
（2）对课程目标的支撑情况
支撑课程目标4。通过教学使学生掌一个适合特定社会公众测控（或仪表）工程需要的测控仪器或系统的设计方法。
（3）教学环节
①课堂教学：采用多媒体和传统教学相结合的方式。
②课后作业：P308 9-1，9-5，训练知识点为掌握典型测控仪器或系统的设计方法。
③课外学习：智慧校园的内容和实现方法。
（4）课程思政教学内容及教学方式
教学内容：为社会发展、提升人民美好生活质量做贡献的强烈使命感和责任感。
教学方式：由测控系统设计实例引入，设计一个远程工业监控系统对复杂工业现场的工作过程进行监控，以减少人力、节约能耗、提高生产效率，以此强调测控系统及仪器对社会可持续发展、保护环境、提升人民美好生活质量的重大促进作用，从而激发学生努力掌握测控系统知识、造福社会的使命感和责任感。
9、虚拟仪器与测控网络（支撑课程目标4，建议学时2学时）
（1）教学内容
主要阐述虚拟仪器、现场总线的定义、分类及相关基础知识。
（2）对课程目标的支撑情况
支撑课程目标4。通过教学使学生掌握一个适合特定社会公众测控（或仪表）工程需要的测控仪器或系统的设计方法。
（3）教学环节
①课堂教学：采用多媒体和传统教学相结合的方式。
②课后作业：P334 10-2，10-3，10-6，训练知识点为掌握虚拟仪器与测控网络的设计。
③课外学习：查阅以太网相关技术。
④课程实验：网络通讯（串行通讯）验证性 实验（2学时）（教学内容和教学目标见实验教学大纲）。
（4）课程思政教学内容及教学方式
教学内容：具有良好的以基本道德规范为基础的公民道德。
教学方式：以现场总线的通讯协议公开、规范的通讯协议要求引入思政内容。网络化的测控子系统之所以能进行有效信息传输，是因为他们都遵守规范的通讯协议规定（也即他们自己的道德规范）。人类社会之所以是一个有机有序的系统，也是因为有自己的基本道德规范（即通讯协议）规定，所以学生应该具有良好的公民道德，不扰乱社会的运行秩序。
学习目标
测控系统原理与设计是讲授测控系统的组成环节及构成元部件、数据处理和控制算法、监控程序、系统设计方法、软硬件抗干扰技术、测控新技术等专业知识的课程。通过对测控系统的设计和分析学习，培养学生：能够应用专业知识对仪器仪表领域工程问题进行建模和求解；能够使用实验、统计与分析相关数据的综合信息，评价设计方案合理性；能够对构建的模型及其计算结果进行分析、预测和评价，并理解局限性；能够评价智能仪器仪表产业对环境和社会可持续发展的影响。
学习要求
（1）要求学生了解测控系统的基本概念和知识、重要地位和作用、国内外研究现状和前沿发展趋势；
（2）要求学生掌握测控系统硬件设计方法，包括向前测控通道、向后测控通道、测控系统主机及接口（人机、通讯）等环节和主要元部件的设计及实施，掌握测控系统各环节的级联技术、初步依据性价比、环境保护、持续发展等综合因素科学设计与优化系统整机方案的方法；
（3）要求学生掌握测控理论算法及软件设计方法，包括通用数据处理分析、典型控制方法的原理及算法设计、典型案例建模和求解、自身监控程序的设计及实现；
（4）要求学生掌握测控系统的干扰成因及危害、软硬件抗干扰方法及工程实现技术，掌握一个适合特定社会公众测控（或仪表）工程需要的测控仪器或系统的设计方法。
考核标准
测控系统原理与设计是讲授测控系统的组成环节及构成元部件、数据处理和控制算法、监控程序、系统设计方法、软硬件抗干扰技术、测控新技术等专业知识的课程。通过对测控系统的设计和分析学习，培养学生：能够应用专业知识对仪器仪表领域工程问题进行建模和求解；能够使用实验、统计与分析相关数据的综合信息，评价设计方案合理性；能够对构建的模型及其计算结果进行分析、预测和评价，并理解局限性；能够评价智能仪器仪表产业对环境和社会可持续发展的影响。
教材教参
1、《测控系统原理与设计》（第3版），孙传友等主编，北京：北京航空航天大学出版社，2014
2、《工业过程控制工程》，王树青等主编，北京：化学工业出版社，2011
