計算機過程控制系統是自動化專業必修的專業課程。本書根據該課程特點，介紹了計算機過程控制系統各組成部分的工作原理，在此基礎上又分別介紹了簡單回路系統和復雜控制系統的設計與分析方法。具體內容包括計算機過程控制系統組成和發展概況；檢測技術及常用的儀表和信號接口標準；執行器，主要是調節閥的工作原理和流量特性；被控過程的機理建模與動態特性；PID控制器特點；簡單回路設計及控制器參數整定；前饋、比值、大滯后、串級、多輸入多輸出系統的設計及控制器參數整定的方法。通過學習，讀者可以系統地掌握過程控制系統的基本組成、原理、分析與綜合的理論和方法，針對各種生產過程設計出相應的過程控制方案，并能解決系統設備選型、控制器設計、參數整定等具體問題，為解決自動化專業領域的復雜工程問題打下堅實的基礎。本書取材新穎、闡述嚴謹、內容豐富、重點突出、推導詳細、思路清晰、深入淺出、富有啟發性，便于教學與自學。本書既可作為高等學校理工科本科生和研究生計算機過程控制、儀表與過程控制課程的教材或參考書，也可作為科技人員的參考手冊。
李向舜，博士，畢業于華中科技大學控制科學與工程專業，現任武漢理工大學自動化學院副院長，工業過程智能控制實驗室主任。參與建設艾默生聯合實驗室。
第1章 緒論 1
1.1 過程控制系統應用舉例 1
1.2 過程控制系統組成 3
1.2.1 控制系統 3
1.2.2 過程 5
1.2.3 控制 6
1.2.4 過程控制系統 6
1.2.5 計算機過程控制系統 7
1.3 過程控制系統的性能指標 11
1.3.1 過程控制系統的一般性要求 11
1.3.2 系統響應 12
1.3.3 系統單項性能指標 12
1.3.4 系統積分性能指標 14
1.4 過程控制系統的發展概況 14
1.4.1 機械控制系統 14
1.4.2 氣動控制系統 17
1.4.3 電子控制系統 18
1.4.4 現代計算機控制系統 19
1.5 過程和儀表圖 20
習題1 21
第2章 檢測技術 23
2.1 檢測儀表概述 23
2.1.1 檢測儀表的技術性能指標 23
2.1.2 變送器輸出信號標準 25
2.2 溫度測量 27
2.2.1 溫度測量簡史 27
2.2.2 填充式溫度計 27
2.2.3 金屬電阻 28
2.2.4 熱電偶 29
2.2.5 電阻溫度檢測器（RTD） 31
2.2.6 熱敏電阻 32
2.2.7 集成溫度傳感器 33
2.2.8 輻射式高溫計 33
2.2.9 智能溫度變送器及其應用 33
2.3 壓力測量 34
2.3.1 壓力的定義 35
2.3.2 表面壓力和絕對壓力 35
2.3.3 差壓計 35
2.3.4 機械式壓力表 36
2.3.5 電位計式壓力表 36
2.3.6 壓力變送器的應用 37
2.3.7 智能壓力變送器 38
2.4 物位測量 38
2.4.1 視覺式液位計 39
2.4.2 壓力式液位計 39
2.4.3 電氣式液位計 40
2.4.4 超聲式液位計 41
2.4.5 輻射式液位計 41
2.4.6 雷達式液位計 42
2.4.7 智能液位變送器 42
2.5 流量測量 43
2.5.1 流量的定義 43
2.5.2 流速、流量和壓差的關系 43
2.5.3 雷諾系數 44
2.5.4 流量測量原理 44
2.5.5 差壓式流量計 45
2.5.6 速度式流量計 46
2.5.7 容積式流量計 48
2.5.8 質量式流量計 49
2.5.9 質量流量計 49
習題2 50
第3章 計算機輸入/輸出接口技術 51
3.1 工業控制計算機 51
3.1.1 工控機 51
3.1.2 PLC 52
3.1.3 嵌入式系統 52
3.1.4 智能調節器 53
3.2 計算機輸入/輸出通道 53
3.2.1 數字量輸入/輸出通道 53
3.2.2 模擬量輸入通道 58
3.2.3 采樣定理與信號重構 59
3.2.4 采樣保持 62
3.2.5 A/D轉換與接口技術 65
3.2.6 模擬量輸出通道 72
3.3 工業控制網絡 77
習題3 79
第4章 執行器 81
4.1 調節閥 81
4.1.1 氣動調節閥的組成 81
4.1.2 調節閥的流量特性 87
4.1.3 閃蒸、氣蝕、阻塞流 92
4.1.4 調節閥的氣開式和氣關式 93
4.2 其他閥 94
4.2.1 電動閥 94
4.2.2 電磁閥 95
4.2.3 安全閥 95
4.2.4 減壓閥、止回閥、手動球閥 95
4.3 步進電動機 96
4.3.1 步進電動機的工作原理與驅動方式 96
4.3.2 數字程序控制 101
4.3.3 逐點比較法 102
習題4 107
第5章 過程 110
5.1 機理建模 110
5.1.1 質量守恒方程 112
5.1.2 能量守恒方程 113
5.1.3 物種（成分）守恒方程 114
5.1.4 動量守恒方程 115
5.2 增量法線性化 116
5.3 過程動態特性 120
5.3.1 一階過程 120
5.3.2 二階過程 122
5.3.3 滯后特性 125
5.4 經驗建模 127
5.4.1 最小二乘法 128
5.4.2 過程響應曲線法 131
習題5 136
第6章 反饋控制器 138
6.1 反饋控制與閉環系統 138
6.2 斷續控制 139
6.3 連續控制 141
6.3.1 PID（比例積分微分）控制 141
6.3.2 比例控制 141
6.3.3 積分控制 143
6.3.4 比例積分控制 144
6.3.5 微分控制 145
6.3.6 比例積分微分控制 146
6.3.7 改進型PID 148
6.4 數字控制器 156
6.4.1 差分方程 156
6.4.2 數字控制系統建模 157
6.4.3 數字控制器連續化設計 161
6.4.4 數字式PID 166
6.4.5 工程二階法 169
6.4.6 直接數字控制 173
6.4.7 最少拍有紋波控制 175
6.4.8 最少拍無紋波控制 178
習題6 183
第7章 簡單回路設計 185
7.1 控制器參數整定 185
7.1.1 直接綜合法 186
7.1.2 內部模型法 190
7.1.3 工程整定法 193
7.2 簡單回路設計步驟 196
7.3 被控變量的選擇 196
7.4 控制變量的選擇 198
7.5 控制器的正反作用 202
7.6 簡單控制系統設計實例 204
習題7 206
第8章 復雜控制系統 208
8.1 前饋控制系統 208
8.1.1 前饋控制的原理 208
8.1.2 數字式前饋控制 211
8.2 串級控制系統 213
8.2.1 串級控制系統簡介 213
8.2.2 串級控制系統的特點 216
8.2.3 串級控制系統設計及參數整定 222
8.2.4 數字式串級控制算法 223
8.3 比值控制系統 224
8.3.1 比值控制系統的結構 224
8.3.2 比值控制系統的設計 226
8.3.3 比值控制系統方案及參數整定 228
8.4 大滯后過程控制系統 229
8.4.1 大滯后過程的采樣控制 229
8.4.2 大滯后過程的Smith預估補償控制 229
8.4.3 數字Smith預估控制器 231
8.4.4 大林算法 236
8.5 多輸入多輸出系統 247
8.5.1 控制變量與被控變量的匹配 247
8.5.2 相對增益矩陣 250
8.5.3 解耦控制 253
8.5.4 對角矩陣解耦 253
8.5.5 前饋補償解耦 254
8.5.6 解耦器的簡化 255
8.5.7 數字解耦控制算法 256
習題8 257
參考文獻 258
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