《過程控制系統（第3版）/普通高等教育自動化類國家級特色專業系列規劃教材》以過程控制系統組成和結構為線索，介紹了過程控制的基本概念，過程控制常用儀表的原理和工程選用，過程對象及建模方法，過程執行器的原理和選擇，過程控制器的設計和整定及先進過程控制策略，串級過程控制系統，各種復雜過程控制系統的控制方案與工程設計，計算機過程控制系統的原理、組成與應用，過程優化技術等。《過程控制系統（第3版）/普通高等教育自動化類國家級特色專業系列規劃教材》除過程控制的基礎知識外，還介紹了基于計算機及先進控制理論等在內的過程控制新技術，如現場總線技術、組態軟件以及控制與管理信息集成技術等。
《過程控制系統（第3版）/普通高等教育自動化類國家級特色專業系列規劃教材》可作為高等院校自動控制、工業自動化及相關專業高年級本科生的教材，也可供有關工程技術人員參考。
第三版前言
第1章過程控制系統概述1
1.1過程控制系統組成及特點1
1.1.1過程控制認識1
1.1.2過程控制系統組成2
1.1.3過程控制的特點4
1.2過程控制系統分類及性能指標4
1.2.1過程控制系統的分類4
1.2.2過程控制的性能指標6
1.3過程控制技術的發展9
1.3.1過程控制儀表的發展9
1.3.2計算機在過程控制中的應用及發展10
1.3.3過程控制理論的發展11
1.3.4我國過程控制技術的發展12
1.4本課程的地位和任務12
1.4.1本課程的地位12
1.4.2本課程的任務13
1.4.3過程控制的設計13
習題與思考題13
第2章過程檢測儀表15
2.1檢測儀表組成及接線方式15
2.1.1檢測儀表組成15
2.1.2過程檢測儀表的接線方式16
2.2測量誤差及處理17
2.2.1測量誤差的基本概念17
2.2.2測量變送中的幾個問題19
2.2.3測量信號的處理19
2.3安全防爆基礎20
2.3.1危險場所劃分20
2.3.2防爆安全柵21
2.4溫度檢測22
2.4.1接觸式與非接觸式測溫22
2.4.2熱電偶23
2.4.3熱電阻25
2.4.4集成式溫度傳感器27
2.4.5接觸式測溫元件的選型與安裝27
2.5壓力檢測28
2.5.1彈性式壓力檢測30
2.5.2應變片式壓力檢測31
2.5.3壓阻式壓力檢測32
2.5.4壓力表的選擇與安裝32
2.6流量檢測33
2.6.1容積式流量計34
2.6.2節流式流量計35
2.6.3浮子式流量計37
2.6.4渦輪流量計38
2.6.5漩渦（渦街）流量計39
2.6.6電磁流量計39
2.6.7超聲波流量計40
2.6.8質量流量計41
2.6.9多相流體的流量測量42
2.7物位測量42
2.7.1浮力式液位測量42
2.7.2靜壓式液位測量43
2.7.3電容式物位測量44
2.7.4超聲波式物位測量44
2.7.5雷達式物位測量45
2.7.6核輻射式物位計46
2.7.7光纖式液位測量46
2.7.8多相界面的測量47
2.8成分測量47
2.8.1熱導式氣體成分測量48
2.8.2紅外式氣體成分測量49
2.8.3氧化鋯氧量成分測量49
2.8.4氣相色譜成分測量50
2.8.5工業電導儀51
2.8.6工業酸度計52
2.8.7濁度的檢測53
2.9過程控制中的軟測量技術53
2.9.1軟測量技術53
2.9.2軟測量方法55
2.9.3基于人工神經網絡的軟測量57
習題與思考題58
第3章過程執行器60
3.1調節閥60
3.1.1電動執行機構61
3.1.2氣動執行機構62
3.1.3調節閥的流通能力63
3.1.4調節閥的流量特性64
3.1.5調節閥的選擇70
3.2變頻器73
3.2.1變頻器原理73
3.2.2變頻器在過程控制中的應用74
習題與思考題76
第4章被控過程77
4.1被控過程特性77
4.1.1自衡過程與非自衡過程77
4.1.2單容和多容過程78
4.1.3振蕩和非振蕩過程79
4.1.4具有反向特性的過程79
4.2過程特性對控制品質的影響80
4.2.1增益（放大系數）K的影響80
4.2.2時間常數T的影響81
4.2.3時滯τ的影響82
4.3被控過程數學模型82
4.3.1建立過程數學模型的目的83
4.3.2過程數學模型的求取方法83
4.3.3過程被控變量的選擇84
4.3.4過程輸入變量的選擇85
4.3.5數學模型的無因次化85
4.4過程建模86
4.4.1機理建模86
4.4.2時域法建模88
4.4.3頻域法建模92
4.4.4最小二乘法建模93
習題與思考題96
第5章常規過程控制策略98
5.1開關控制98
5.1.1可編程序邏輯控制器簡介98
5.1.2PLC在過程控制中的應用101
5.2PID控制104
5.2.1模擬式PID調節器105
5.2.2數字式PID調節器106
5.2.3改進的PID算法107
5.3PID參數的整定109
5.3.1參數整定原則109
5.3.2參數整定方法110
5.4PID調節器控制規律的選擇112
5.4.1根據過程特性選擇調節器控制規律112
5.4.2根據τo/To比值選擇調節器控制規律112
5.4.3控制器正/反作用選擇112
5.5過程控制系統的投運與維護113
習題與思考題114
第6章先進過程控制策略116
6.1內模控制116
6.1.1理想內模控制器117
6.1.2實際內模控制器117
6.2模型預測控制120
6.2.1模型預測控制的特點120
6.2.2模型算法控制121
6.2.3動態矩陣控制123
6.3模糊控制127
6.3.1模糊邏輯基礎128
6.3.2模糊控制系統131
6.3.3模糊控制器設計133
6.4神經網絡控制136
6.4.1神經網絡概念136
6.4.2神經網絡控制139
6.5專家控制142
6.5.1專家系統概述142
6.5.2專家控制系統143
6.5.3專家控制器146
習題與思考題147
第7章串級控制系統149
7.1串級控制系統結構149
7.1.1串級控制問題的提出149
7.1.2串級控制系統結構151
7.2串級控制系統分析152
7.2.1減小了被控對象的等效時間常數152
7.2.2提高了系統工作頻率154
7.2.3對負載變化具有一定的自適應能力155
7.3串級控制系統設計155
7.3.1設計原則155
7.3.2主、副控制器選擇159
7.3.3串級控制系統的整定161
7.4串級控制系統設計舉例162
習題與思考題164
第8章復雜過程控制系統166
8.1前饋控制系統166
8.1.1前饋控制的原理和特點166
8.1.2前饋控制系統的結構形式168
8.1.3前饋控制的應用169
8.2時間滯后控制系統173
8.2.1史密斯預估補償方案173
8.2.2采樣控制方案174
8.3解耦控制系統176
8.3.1多變量系統中的耦合與解耦176
8.3.2相對增益177
8.3.3耦合系統的解耦設計方法183
8.3.4解耦系統的簡化186
8.4比值控制系統187
8.4.1單閉環比值控制187
8.4.2雙閉環比值控制187
8.4.3變比值控制188
8.5均勻控制系統190
8.6超弛控制系統192
8.7分程控制系統193
8.8閥位控制系統196
習題與思考題197
第9章計算機過程控制系統200
9.1計算機過程控制系統的特點和構成200
9.1.1計算機過程控制系統的特點200
9.1.2計算機過程控制系統的發展趨勢201
9.1.3計算機過程控制系統的構成202
9.2計算機過程控制系統的應用形式202
9.2.1巡回檢測與數據處理202
9.2.2直接數字控制系統203
9.2.3監督控制系統203
9.2.4集散控制系統204
9.3集散控制系統204
9.3.1DCS的體系結構204
9.3.2DCS的基本組成205
9.3.3典型DCS簡介209
9.4基于PLC的監督控制與數據采集系統212
9.4.1PLCSCADA系統和DCS的比較213
9.4.2組態軟件214
9.4.3基于Web的遠程監控215
9.5現場總線技術218
9.5.1現場總線及其特點218
9.5.2現場總線通信模型219
9.5.3常見現場總線簡介220
9.5.4現場總線控制系統222
9.6計算機信息集成技術223
9.6.1計算機信息集成概述224
9.6.2實時數據庫與關系數據庫的集成226
9.6.3企業信息集成系統230
習題與思考題231
第10章過程優化技術及應用232
10.1過程優化概述232
10.1.1過程優化基本概念232
10.1.2過程優化的結構233
10.2過程的實時優化問題235
10.2.1實時優化問題的分類235
10.2.2過程實時優化問題描述235
10.3優化算法238
10.3.1線性規劃算法238
10.3.2二次規劃算法239
10.4實時優化應用案例242
習題與思考題243
參考文獻245
附錄A過程控制SAMA圖246
附錄B過程控制儀表位號248
附錄C過程控制部分專業術語中英文對照表251
第1章過程控制系統概述
教學要求
本章概要介紹過程控制系統的基本概念，重點介紹過程控制系統的組成、特點和分類。學完本章后，應能達到如下要求：
掌握過程控制的定義，弄清過程控制的目的；
掌握過程控制系統的組成和特點；
掌握過程控制系統的分類以及相互之間的區別；
掌握過程控制的階躍響應指標，理解偏差積分性能指標；
了解過程控制的發展歷程和發展方向；
了解本課程的地位和性質。
1.1過程控制系統組成及特點
1.1.1過程控制認識
所謂過程控制是指根據工業生產過程的特點，采用測量儀表、執行機構和計算機等自動 化工具，應用控制理論，設計工業生產過程控制系統，實現工業生產過程自動化。
通常把原材料轉變成產品并具有一定生產規模的過程叫做工業生產過程，它可分為連續（ 或批處理）生產過程（如化工、石油、冶金、發電、造紙、生物化工、輕工、水處理、制藥等 ）和離散制造過程（如機械加工、汽車制造等）。
本書討論的工業生產過程主要是指連續生產過程，這些生產過程中自動控制系統的被控參數往往是溫度、壓力、流量、物位和成分等變量。
下面通過一個具體例子來認識一下過程控制。
例1.1過程控制認識。
圖1.1（a）所示是礦石經給礦機下礦后，由皮帶送往磨機的工業生產過程，它是冶金行業選礦生產中的一個生產環節。在生產過程中，要求控制礦石流量以保證產量穩定。以前由人工控制給礦機的頻率來調節礦石流量，產量波動較大。
圖1.1冶金行業選礦過程
礦石流量控制系統（a） 示意圖（b） 方框圖為穩定礦量，在給礦機皮帶上安裝皮帶秤，礦量控制器根據設定的礦量（礦量給定）和皮帶秤的檢測信號自動調節給礦機的頻率，保證產量穩定。該控制系統示意圖如圖1.1（a）所示，根據自動控制原理知識，該控制系統方框圖如圖1.1（b）所示。
這是一個以流量為被控參數的工業生產過程控制系統。通過給礦過程的自動控制，可以穩定產量，并為后續工藝質量的控制提供基礎，而且該過程控制還可以減輕人工操作強度，改善勞動條件等。
過程控制由來已久，早在20世紀中葉，工業生產過程中就開始陸續引入過程控制。特別是近年來，隨著計算機技術、網絡通信技術以及先進控制理論的發展，過程控制已經深入到工業生產過程的各個層面。
過程控制最根本的目的在于抑制外界擾動的影響，確保生產過程的穩定性，并實現生產過程工況的最優化。其實，隨著過程控制的不斷發展，過程控制在工業生產過程中的作用越來越大。具體來說，通過過程控制可以達到保證質量、提高產量、節能降耗、實現安全運行、改善勞動條件、保護環境衛生和提高管理水平等多種目的和要求。
可見，過程控制是保證現代化工業企業安全、優質、低耗和高效生產的主要技術手段。實現過程控制不僅可以給企業帶來優質、高效、節能等直接的經濟效益，還可以為企業和社會帶來間接的社會效益。
1.1.2過程控制系統組成
由圖1.1可知，過程控制系統一般由控制器、執行器、被控過程和測量變送等環節組成，其一般性框圖如圖1.2所示。
圖1.2過程控制系統的一般性框圖
圖1.2也反映了自動控制的本質——反饋。基于反饋構成的閉環控制是過程控制的核心內容。在過程控制中，圖1.2所示的系統也稱為單回路控制系統。在本書后面章節中，將先介紹該系統的各個組成環節，并在此基礎上介紹多種其他復雜控制系統。
圖1.2中，有以下幾個名詞術語：
1） 被控參數（變量）y（t）：被控過程內要求保持設定數值的工藝參數。
2） 控制（操縱）參數（變量）q（t）：受控制器操縱，用以克服擾動量的影響，使被控參數保持設定值的物料量或能量。
3） 擾動量f（t）：除控制參數外，作用于被控過程并引起被控參數變化的各種因素。
4） 給定值r（t）：被控參數的設定值，一般用SP表示。
5） 當前值z（t）：被控參數經測量變送環節實際測量的值，一般用PV表示。
6） 偏差e（t）：被控參數的設定值與當前實際值之差。
7） 控制作用u（t）：控制器的輸出量。
過程控制系統中，有時將控制器、執行器和測量變送環節統稱為過程儀表。這樣，過程控制系統就由過程儀表和被控過程兩部分組成。
例1.2過程控制系統框圖。
在石油化工生產過程中，常常利用液態丙烯汽化來吸收裂解氣體熱量，使裂解氣體的溫度下降到規定數值。圖1.3是一個簡化的丙烯冷卻器溫度控制系統，被冷卻的物料是乙烯裂解氣，其溫度要求控制在15±1.5℃。若溫度太高，冷卻后的氣體會含過多的水分；若溫度太低，乙烯裂解氣會產生結晶析出，堵塞管道。現請指出系統中被控過程、被控參數和控制參數，并畫出該控制系統的方框圖。圖中TT、TC是過程控制中的儀表位號，分別代表溫度檢測和溫度控制，參見附錄A。
圖1.3丙烯冷卻器溫度控制系統示意圖
解由上述工藝介紹可知，在丙烯冷卻器溫度控制系統中，被控過程為丙烯冷卻器；被控參數為乙烯裂解氣的出口溫度；控制參數為氣態丙烯的流量。
該系統方框圖如圖1.4所示。
圖1.4丙烯冷卻器溫度控制系統方框圖
需要注意的是，與示意圖不同，方框圖中箭頭的指向并不代表物料的實際流向。比如在本例示意圖中，氣態丙烯的流向是由丙烯冷卻器流出的。而在方框圖中，氣態丙烯作為控制參數，其信號的流向是指向丙烯冷卻器的。
例1.3過程控制系統組成。
例1.1中的被控過程是指給礦皮帶；測量變送是皮帶秤；執行機構是變頻器和給礦機。作為控制器，礦量控制器一般是由電子元件組成的數字調節器，或可編程序控制器（PLC）、工業計算機（IPC）等。
1.1.3過程控制的特點
同其他自動控制系統相比，過程控制具有如下明顯特點。
（1） 被控過程形形色色
由于生產規模大小不同，工藝要求各異，產品多種多樣，過程控制中被控過程的形式很多，比如化學反應器、精餾塔、鍋爐、壓力容器以及像例1.1中的給礦設備和例1.2中的丙烯冷卻器等。
（2） 控制過程多屬緩慢過程和參量控制形式
許多工業生產過程設備體積大，工藝反應過程緩慢，具有大慣性大滯后等特點。通常是用一些物理量和化學量來表征其生產過程是否正常，因此需要對表征生產過程的溫度、壓力、流量、物位、成分等過程參量進行控制，即過程控制多半為參量控制。
（3） 控制方案多種多樣
由于被控過程的多樣性、復雜性，且控制要求各異，使得控制方案多種多樣，除最常見的單回路和串級控制外，還有前饋、比值、均勻、分程、超弛、閥位等多種過程控制系統。
在這些控制系統中，單回路控制約占總數的一半以上，串級控制約占20%左右。所以本書前幾章均以單回路控制為主線介紹，串級控制作為一章詳細介紹，其他控制系統將在第8章集中闡述。
（4） 定值控制是過程控制的一種主要控制形式
在大部分工業生產中，控制的目的在于克服外界擾動對被控過程的影響，使生產指標或工藝參數保持在設定值不變，或只允許小范圍內波動。如例1.2中，乙烯裂解氣的溫度要求定值在15℃，只允許在±1.5℃范圍內變化。
1.2過程控制系統分類及性能指標
1.2.1過程控制系統的分類
按系統結構和系統給定值的不同，過程控制系統有如下不同的分類方法。
1. 按系統結構特點分
（1） 反饋控制系統
如前所述，反饋是過程控制的核心內容，只有通過反饋才能實現對被控參數的閉環控制， 所以這類系統是過程控制中使用最為普遍的。 反饋控制是根據系統被控參數與給定值的偏差進行工作的，偏差是控制的依據，最后目的 是減小或消除偏差。反饋信號也可能有多個，從而可以構成串級等多回路控制系統。
例1.4閉環與開環控制系統。
圖1.5（a）所示為一列管式換熱器。工藝要求出口物料溫度保持恒定。經分析，如果保持 物料入口流量和蒸汽流量基本恒定，則溫度的波動將會減小到工藝允許的誤差范圍內。現分 別設計了物料入口流量和蒸汽流量兩個控制系統，以保持出口物料溫度恒定。相應的控制系 統方框圖如圖1.5（b）所示。
圖1.5列管式換熱器出口物料溫度控制系統
（a） 示意圖（b） 方框圖
從方框圖可以看出，對于物料入口流量 和蒸汽流量而言，系統均為閉環控制系統。而對于出口物料溫度，并未經過測量變送環節反 饋到系統輸入端，沒有形成閉環系統。故從“出料溫度”這個被控參數角度來說，該控制系 統為開環控制系統。
開環控制系統不能自動地“察覺”被控參數的變化情況，也不能判斷控制參數的校正作用 是否適合實際需要。
（2） 前饋控制系統
前饋控制系統是根據擾動量的大小進行工作的，擾動是控制的依據，屬于開環控制。前饋 控制系統方框圖如圖1.6所示。鑒于前饋控制的種種局限性，所以在實際生產中不能單獨采 用。關于前饋控制的內容詳見8.1節。
圖1.6前饋控制系統方框圖
（3） 前饋反饋復合控制系統
為了充分發揮前饋和反饋的各自優勢，可將兩者結合起來，構成前饋反饋復合控制系統 ，如圖1.7所示。這樣可提高控制系統的動態和靜態特性。關于前饋反饋復合控制系統的 內容見8.1節。
圖1.7前饋反饋復合控制系統方框圖
2. 按給定值信號特點分
（1）定值控制系統
定值控制系統是工業生產過程中應用最多的一種過程控制系統。在運行時，系統被控參數 （如溫度、壓力、流量、物位、成分等）的給定值是固定不變的，有時只允許在規定的小范圍 內變化。
（2）隨動控制系統
一般意義上的隨動控制系統是指位置隨動系統，如火炮、導彈的位置跟蹤等。而在過程控 制中，隨動控制系統是指被控參數的給定值隨時間任意變化的控制系統，它的主要作用是克 服一切擾動，使被控參數隨時跟隨給定值。例如，在鍋爐燃燒控制系統中，要求空氣量隨燃 料量的變化而變化，以保證燃燒的經濟性。此外，像第7章介紹的串級控制系統中的副回路 也屬于隨動控制。
1.2.2過程控制的性能指標
過程控制系統的性能是由組成系統的結構、被控過程與過程儀表（測量變送、執行器和控制器）各環節特性所共同決定的。一個性能良好的過程控制系統，在受到外來擾動作用或給定值發生變化后，應能平穩、準確、迅速地回復（或趨近）到給定值上。過程控制系統性能的評價指標可概括如下：
1） 系統必須是穩定的。
2） 系統應能提供盡可能好的穩態調節（靜態指標）。、
……
新書資訊