控制工程手册（上）

　　《控制工程手册》分上、下册，本书是上册，包括4篇内容，第1篇是自动检测仪表，包括测量技术基础，温度、压力、流量、物位测量仪表，在线分析仪表，机械量测量仪表，显示仪表，执行机构和控制阀，*后还介绍了防爆安全技术。第2篇是计算机控制系统，内容包括可编程控制器PLC、集散控制系统DCS、安全仪表系统SIS、成套专用控制系统、监控软件、现场总线与工业以太网以及工业物联网。第3篇是控制工程方法，内容包括单回路控制器、*进控制、智能控制、伺服控制和间歇控制。第4篇是控制工程技术，包括信号处理和数据校正技术、系统建模技术、软测量技术、过程优化技术、性能评估技术、故障诊断技术、安全性技术。手册着力创新，突破了自动控制在流程工业中应用的限制，首次将装备自动化、企业能源管理、公用工程自动化纳入控制工程体系中来，既有传统专业知识的介绍，更有在探索和研究中的新技术、新方法。本手册是面向控制领域工程技术人员和高校师生的实用型手册，旨在启迪人们的创新思维。

　　孙优贤 工业自动化专家，中国工程院院士。在现代控制工程领域取得重大研究成果。针对复杂工业系统的高度不确定性、高度非线性、高度关联性、特大纯滞后和信息不完全性等特点，创造性地提出了一整套系统建模技术、先进控制技术、在线优化技术、故障诊断技术、容错控制技术、系统集成技术和综合自动化技术，并在大型工业装置中得到成功应用，初步建立了现代控制工程的方法论体系。领导建立了我国**个国家工程研究中心，创造性地解决了制浆、造纸、生物化工等大型生产线计算机控制系统软件总体设计中的重大关键技术，成功地研制了Supcon 集散控制系统、现场总线控制系统、Suny TDCS9200工业控制计算机系统，以及综合自动化系统的硬件平台和软件平台，并实现了产业化，在制浆造纸、生物化工自动化工程领域，针对大型企业的各个生产过程，建立了24种动态数学模型，开发了25种高级控制算法，18种计算机控制系统，研制了6种造纸专用仪表和12个软测量软件，并在20多个省市推广应用，取得了重大的经济效益。获得国家科技进步二、三等各1项，国家教学成果奖2项，省部级科技进步一、二等奖15项。

绪论 ……………………………………………………………… 1
第 1 篇 自动检测仪表 ……………………………………… 011
第1章 测量技术基础 ………………… 12
1．1 测量方法 ……………………… 12
1．2 测量误差及测量不确定度 ……… 12
第2章 温度测量仪表 ………………… 15
2．1 概述 …………………………… 15
2．2 电接点温度计 ………………… 18
2．3 热电偶 ………………………… 22
2．4 热电阻 ………………………… 34
2．5 辐射式测温仪表………………… 38
2．6 红外测温仪表 ………………… 45
2．7 红外热像仪 …………………… 46
2．8 光导纤维红外测温仪…………… 47
参考文献 ……………………………… 49
第3章 压力测量仪表 ………………… 50
3．1 压力的概念及单位……………… 50
3．2 应变式压力 (差压) 变送器 …… 52
3．3 电容式压力 (差压) 变送器 …… 56
3．4 差动电感压力 (差压) 变送器 … 60
3．5 振弦式压力 (差压) 变送器 …… 63
3．6 硅谐振式压力 (差压) 变送器 …… 65
3．7 压力开关 ……………………… 68
3．8 压力 (差压) 变送器安装与维护 … 70
参考文献 ……………………………… 73
第4章 流量测量仪表 ………………… 74
4．1 概论 …………………………… 74
4．2 容积式流量计 ………………… 76
4．3 浮子流量计 …………………… 80
4．4 涡轮流量计 …………………… 83
4．5 旋涡流量计 …………………… 89
4．6 电磁流量计 …………………… 96
4．7 超声流量计 …………………… 101
4．8 节流式流量计 ………………… 107
4．9 质量流量计 …………………… 117
4．10 插入式流量计………………… 121
4．11 明渠流量计…………………… 123
4．12 多相流测量…………………… 127
参考文献 …………………………… 139
第5章 物位测量仪表………………… 141
5．1 物位测量仪表及分类 ………… 141
5．2 浮力式液位计 ………………… 141
5．3 差压式液位计 ………………… 146
5．4 电容式物位测量仪表 ………… 149
5．5 超声波物位测量仪表 ………… 151
5．6 射线式物位测量仪表 ………… 153
5．7 雷达物位计 …………………… 155
参考文献 …………………………… 159
第6章 在线分析仪表………………… 160
6．1 概述 …………………………… 160
6．2 热导式气体分析仪 …………… 161
6．3 红外气体分析仪 ……………… 165
6．4 氧化锆氧分析仪 ……………… 170
6．5 工业色谱分析仪 ……………… 174
6．6 质谱仪及色谱-质谱联用仪 …… 178
6．7 pH计 ………………………… 186
6．8 工业电导率仪 ………………… 190
6．9 半导体激光气体分析仪 ……… 194
参考文献 …………………………… 201
第7章 机械量测量仪表 ……………… 202
7．1 位移与角度传感器 …………… 202
7．2 速度测量仪表 ………………… 219
7．3 转矩检测仪表 ………………… 227
7．4 测力称重式仪表 ……………… 236
7．5 核辐射测厚仪表 ……………… 246
7．6 机器视觉 ……………………… 250
7．7 陀螺经纬仪 …………………… 253
参考文献 …………………………… 257
第8章 显示仪表……………………… 258
8．1 概述 …………………………… 258
8．2 模拟式显示仪表 ……………… 258
8．3 数字显示仪表 ………………… 264
8．4 智能显示仪表 ………………… 267
参考文献 …………………………… 269
第9章 执行机构和控制阀 …………… 270
9．1 执行器 ………………………… 270
9．2 气动执行器结构及分类 ……… 271
9．3 控制阀 ………………………… 274
9．4 执行器的选型原则 …………… 280
9．5 电动执行器 …………………… 282
9．6 智能式执行机构 ……………… 284
参考文献 …………………………… 285
第10章 防爆安全技术 ……………… 286
10．1 防爆基础 …………………… 286
10．2 仪表防爆技术………………… 292
10．3 防爆仪表通用要求…………… 301
10．4 隔爆型仪表…………………… 306
10．5 本质安全仪表………………… 309
10．6 本质安全仪表系统…………… 317
参考文献 …………………………… 327
第 2 篇 计算机控制系统 ………………………………………………………………… 329
第1章 可编程控制器PLC ………… 336
1．1 概述 …………………………… 336
1．2 PLC的硬件系统 ……………… 340
1．3 PLC软件配置 ………………… 350
1．4 PLC应用系统设计 …………… 356
1．5 PLC应用系统软件设计 ……… 365
1．6 大中型PLC工程应用实例 …… 369
1．7 PLC应用小程序实例 ………… 374
参考文献 …………………………… 376
第2章 集散控制系统DCS ………… 377
2．1 概述 …………………………… 377
2．2 通信网络 ……………………… 381
2．3 主要站点配置 ………………… 385
2．4 异构系统互联 ………………… 407
2．5 IEC61131-3 标准编程语言 … 413
2．6 高级应用 ……………………… 421
2．7 DCS大规模网络设计 ………… 429
2．8 国内外主要DCS产品 ………… 434
2．9 系统选型 ……………………… 444
2．10 工程应用 …………………… 446
2．11 DCS的抗干扰措施…………… 464
2．12 DCS应用案例 ……………… 466
参考文献 …………………………… 478
第3章 安全仪表系统SIS …………… 479
3．1 概述 …………………………… 479
3．2 功能安全概论 ………………… 484
3．3 安全仪表系统的硬件配置 …… 498
3．4 安全仪表系统的软件配置 …… 506
3．5 安全仪表系统的工程应用 …… 541
参考文献 …………………………… 556
第4章 成套专用控制系统 …………… 557
4．1 概述 …………………………… 557
4．2 成套专用控制系统的硬件系统 … 558
4．3 成套专用控制系统的软件
系统 …………………………… 563
4．4 造纸过程成套专用控制系统 … 564
4．5 制药过程成套专用控制
系统 …………………………… 597
第5章 监控软件……………………… 617
5．1 概述 …………………………… 617
5．2 监控软件主要功能和主要组成
模块 …………………………… 622
5．3 监控软件的典型应用示例 …… 655
5．4 监控软件的发展趋势 ………… 662
5．5 国内外监控软件产品简介 …… 665
参考文献 …………………………… 671
第6章 现场总线与工业以太网 ……… 672
6．1 概述 …………………………… 672
6．2 现场总线技术基础 …………… 674
6．3 主流现场总线技术 …………… 679
6．4 工业以太网 …………………… 725
6．5 基于现场总线的网络化控制系统
与互联技术 …………………… 746
6．6 现场设备管理系统 …………… 750
6．7 现场总线的工程应用 ………… 757
参考文献 …………………………… 759
第7章 工业物联网技术 ……………… 761
7．1 概述 …………………………… 761
7．2 工业物联网关键技术 ………… 762
7．3 工业物联网相关标准 ………… 766
7．4 工业物联网典型应用 ………… 776
参考文献 …………………………… 786
第 3 篇 控制工程方法 …………………………………………………………………… 787
第1章 单回路控制器………………… 788
1．1 传统PID控制方法 …………… 788
1．2 PID控制器的参数整定 ……… 793
1．3 新型PID控制方法 …………… 798
1．4 自抗扰控制器 ………………… 805
参考文献 …………………………… 811
第2章 先进控制……………………… 813
2．1 复杂控制系统 ………………… 813
2．2 模型预测控制 ………………… 825
2．3 自适应控制系统 ……………… 852
2．4 最优控制 ……………………… 862
2．5 解耦控制 ……………………… 869
参考文献 …………………………… 875
第3章 智能控制……………………… 877
3．1 智能控制基础 ………………… 877
3．2 模糊控制 ……………………… 880
3．3 神经网络控制 ………………… 905
3．4 专家控制 ……………………… 932
参考文献 …………………………… 956
第4章 伺服控制……………………… 958
4．1 伺服系统及控制技术简介 …… 958
4．2 电动伺服控制 ………………… 961
4．3 气动伺服控制 ………………… 970
4．4 液压伺服控制 ………………… 978
参考文献 …………………………… 990
第5章 间歇控制……………………… 991
5．1 间歇过程 ……………………… 991
5．2 间歇过程的控制 ……………… 994
5．3 间歇过程控制实例———注塑
成型过程控制………………… 1016
参考文献 …………………………… 1037
第 4 篇 控制工程技术 …………………………………………………………………… 1039
第1章 信号处理和数据校正技术 … 1040
1．1 概述 ………………………… 1040
1．2 计算机数字信号处理 ………… 1041
1．3 过程数据校正………………… 1045
参考文献 …………………………… 1052
第2章 系统建模技术 ……………… 1054
2．1 概述 ………………………… 1054
2．2 机理建模技术………………… 1054
2．3 系统辨识技术………………… 1057
2．4 智能建模技术………………… 1064
2．5 混合建模技术………………… 1067
参考文献 …………………………… 1070
第3章 软测量技术 ………………… 1072
3．1 软测量的基本概念…………… 1072
3．2 基于机理分析的软测量建模
技术 ………………………… 1073
3．3 基于回归分析的软测量建模
技术 ………………………… 1082
3．4 基于状态估计的软测量技术 … 1087
3．5 基于支持向量机的软测量
建模技术 …………………… 1091
3．6 软测量系统的工程设计 ……… 1096
参考文献 …………………………… 1105
第4章 过程优化技术 ……………… 1106
4．1 最优化问题的基本概念 ……… 1106
4．2 最优化方法…………………… 1108
4．3 典型过程优化的工业应用 …… 1126
4．4 过程优化商业软件简介 ……… 1138
参考文献 …………………………… 1141
第5章 性能评估技术 ……………… 1142
5．1 性能评估技术简介 …………… 1142
5．2 控制器性能评估流程 ………… 1144
5．3 控制器性能评估方法与技术 … 1146
5．4 控制器性能评估工业应用 …… 1156
参考文献 …………………………… 1160
第6章 故障诊断技术 ……………… 1162
6．1 控制系统故障诊断技术 ……… 1162
6．2 动设备故障诊断技术 ………… 1172
6．3 故障预测技术………………… 1191
参考文献 …………………………… 1196
第7章 安全性技术 ………………… 1198
7．1 概述 ………………………… 1198
7．2 功能安全 …………………… 1198
7．3 控制系统网络安全 …………… 1211
参考文献 …………………………… 1216
索引 …………………………………… 1217