过程控制系统

　　过程控制是由控制理论、计算机技术和仪器仪表、工艺知识等知识相结合而构成的一门应用科学，其任务是在了解、熟悉、掌握生产工艺流程与生产过程的静态和动态特性的基础上，根据工艺要求，应用控制理论、现代控制技术，分析、设计、整定过程控制系统。通过本书的学习，使读者能够掌握过程控制系统的基本概念、基本组成环节和基本控制规律，了解过程控制系统的基本工作原理及典型过程控制系统的工程设计方法，为从事生产过程自动控制工作打下初步基础。 本书重点讨论了被控过程数学模型建立方法、简单控制系统设计与参数整定，以及复杂控制系统（如串级、前馈、比值、均匀、分程、选择、大延迟补偿、解耦等控制系统）的工作原理与设计方法；简要介绍了智能模糊控制技术的相关知识及DCS与现场总线控制系统；最后结合企业工程项目介绍了典型过程控制系统的工业应用设计实例。全书共10章，每章内容都将控制理论与过程控制实际相结合，并进行各系统的仿真实验验证，以加深对本书内容的理解。本书可作为自动化专业及石化、电力、轻工、环境工程等专业的教材或参考书，也可供设计院所和企业过程控制工程技术人员参考。

　　刘艳梅：女，1974 年生，副教授，博士，沈阳航空航天大学自动化学院教师。研究方向为机器人，微机电系统检测及控制，过程控制、智能控制理论及应用，以及电网建设输变电工程技术装备的自动化改造。相关研究工作得到了国家自然科学基金青年基金、航空基金和省教育厅项目的支持。以第一作者发表期刊和国际学术会议论文40篇左右，SCI/EI/ISTP检索30余篇；编者多年主讲《过程控制》、《计算机控制技术》、《可编程控制器》、《控制工程基础》、《现代控制理论》、《智能控制导论》（双语）等课程。

第1章 绪论\t001
1．1 过程控制系统的基本概念\t001
1．2 过程控制系统的组成及分类\t001
1．2．1 被控过程\t002
1．2．2 检测变送仪表\t002
1．2．3 执行器\t003
1．2．4 控制器\t003
1．2．5 报警保护和连锁等其他部件\t003
1．3 过程控制系统的分类\t003
1．4 过程控制的特点\t005
1．4．1 控制主体复杂、控制要求高\t005
1．4．2 过程控制系统由过程检测和控制仪表组成\t005
1．4．3 被控过程是多种多样的、非电量的\t006
1．4．4 过程控制的控制过程多属慢过程，而且多数为参量控制\t006
1．4．5 过程控制方案十分丰富\t006
1．4．6 定值控制是过程控制的一种常用形式\t006
1．5 过程控制系统性能指标\t007
1．5．1 稳态与动态\t007
1．5．2 性能指标的分析和确定方法\t007
1．5．3 单项性能指标\t009
1．5．4 综合性能指标\t011
1．6 过程控制系统的典型应用\t011
1．6．1 发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统\t012
1．6．2 蒸汽锅炉的液位控制系统\t013
1．6．3 转炉供氧量控制系统\t013
1．6．4 谷氨酸发酵过程控制\t015
1．7 过程控制的发展过程\t016
1．7．1 基于模拟仪表控制系统的局部自动化阶段（20世纪50年代）\t017
1．7．2 基于计算机集中监督控制系统的综合自动化阶段（20世纪60年代）\t017
1．7．3 分散控制系统（DCS）阶段（20世纪70年代）\t018
1．7．4 现场总线控制系统（FCS）阶段（20世纪90年代）\t018
1．8 过程控制发展的趋势\t020
1．8．1 先进过程控制成为发展主流\t020
1．8．2 过程优化受到普遍关注\t020
1．8．3 综合自动化是当代工业过程控制的主要潮流\t020
1．8．4 网络化发展\t021
1．8．5 智能化发展\t021
1．8．6 虚拟仿真化发展\t022
思考题\t022
第2章 被控过程数学模型的建立\t023
2．1 建立被控过程数学模型的意义\t023
2．1．1 控制系统设计的基础\t023
2．1．2 控制器参数确定的重要依据\t023
2．1．3 仿真或研究、开发新型控制策略的必要条件\t024
2．1．4 设计与操作生产工艺及设备时的指导\t024
2．1．5 工业过程故障检测与诊断系统的设计指导\t024
2．2 被控过程的数学模型的表达形式\t024
2．3 描述过程特性的参数\t025
2．3．1 放大系数K对系统的影响\t026
2．3．2 时间常数T对系统的影响\t026
2．3．3 滞后时间τ对系统的影响\t026
2．4 建立被控过程数学模型的基本方法\t026
2．4．1 机理法建模\t026
2．4．2 试验法建模\t027
2．4．3 混合法建模\t027
2．5 液位对象的机理法建模\t028
2．5．1 自衡单容液位对象建模\t028
2．5．2 双容液位对象的数学模型的建立\t029
2．5．3 三容液位对象的数学模型的建立\t030
2．5．4 多容液位对象的数学模型的建立\t031
2．5．5 非自衡过程建模\t032
2．6 测试法建模\t035
2．6．1 测定动态特性的时域法\t036
2．6．2 阶跃响应测试法建模\t037
2．6．3 一阶惯性环节参数的确定\t037
2．6．4 有时滞的一阶惯性环节参数的确定\t039
2．6．5 二阶惯性环节参数的确定\t040
2．6．6 二阶时延环节参数的确定\t042
2．7 测定动态特性的频域方法\t042
2．8 测定动态特性的统计相关法\t043
2．9 动态特性测试法建模举例\t043
思考题\t046
第3章 简单控制系统\t047
3．1 简单过程控制系统基本概念\t047
3．2 过程控制系统设计步骤\t047
3．2．1 熟悉控制系统的技术要求或性能指标\t047
3．2．2 建立控制系统的数学模型\t047
3．2．3 确定控制方案\t048
3．2．4 根据系统的动态特性和静态特性进行分析与综合\t048
3．2．5 系统仿真与实验研究\t048
3．2．6 工程设计\t048
3．2．7 工程安装\t048
3．2．8 控制器参数的整定\t048
3．3 被制变量选择\t048
3．3．1 被控变量的选择方法\t049
3．3．2 被控变量的选择原则\t049
3．4 控制变量的选择\t050
3．5 执行器的选择\t051
3．5．1 执行器的作用方式\t051
3．5．2 调节阀的气开、气关选择\t051
3．6 测量变送环节\t052
3．6．1 测量变送中的滞后问题\t052
3．6．2 测量信号的处理\t053
3．7 控制器的选择\t054
3．7．1 控制器的控制规律选择\t054
3．7．2 控制器的作用方式选择\t054
3．8 PID控制\t056
3．8．1 比例对于控制质量的影响\t057
3．8．2 积分对于控制质量的影响\t059
3．8．3 微分对于控制质量的影响\t061
3．9 控制器的参数整定\t064
3．9．1 经验法（凑试法）\t065
3．9．2 临界比例度法\t066
3．9．3 衰减曲线法\t068
3．9．4 响应曲线法\t071
3．10 简单控制系统工程设计实例\t073
思考题\t076
第4章 串级控制系统\t077
4．1 复杂控制系统基本概念\t077
4．2 串级控制思想的提出\t078
4．3 串级控制的基本概念\t081
4．4 串级控制系统的特点\t082
4．5 串级控制系统工作过程\t089
4．5．1 扰动作用于副回路（二次扰动）―f2、f3\t089
4．5．2 扰动作用于主被控过程―f1\t090
4．5．3 扰动同时作用于副回路和主被控过程―f1、f2、f3\t090
4．6 串级控制系统的设计\t090
4．6．1 主、副回路的设计原则\t090
4．6．2 主、副控制器的选择\t091
4．7 串级控制系统的参数整定\t092
4．7．1 两步整定法：先整定副参数、后整定主参数\t092
4．7．2 逐步整定法：先副后主，反复调节\t093
4．7．3 一步整定法\t093
4．8 串级控制系统在工业中的应用\t093
4．8．1 应用于容量滞后较大的过程\t093
4．8．2 应用于纯延时较大的过程\t094
4．8．3 应用于变化剧烈且幅度较大的扰动过程\t096
4．8．4 应用于非线性过程\t098
4．9 串级控制系统的设计举例\t099
思考题\t103
第5章 前馈控制系统\t105
5．1 前馈控制系统的基本概念\t105
5．2 前馈控制原理\t106
5．3 前馈控制与反馈控制的比较\t107
5．3．1 前馈控制系统是开环控制系统，反馈控制系统是闭环控制系统\t107
5．3．2 前馈控制系统中测量干扰量，反馈控制系统中测量被控变量\t107
5．3．3 前馈控制系统需要专用调节器，反馈控制系统一般只需通用调节器\t107
5．3．4 前馈控制系统只能克服所测量的干扰，
反馈控制系统则可以克服所有干扰\t107
5．3．5 前馈控制系统理论上可以无差，反馈控制系统必定有差\t107
5．4 前馈控制系统的结构\t108
5．4．1 静态前馈控制系统\t108
5．4．2 动态前馈控制系统\t109
5．4．3 前馈―反馈复合控制系统\t109
5．4．4 前馈―串级复合控制系统\t111
5．5 前馈控制系统的选用\t112
5．6 前馈控制系统的工程整定\t112
5．6．1 静态参数值KM的整定\t113
5．6．2 滞后时间τ的整定\t115
5．6．3 时间常数T1、T2的整定\t115
5．7 前馈控制系统的工业应用实例\t119
5．7．1 锅炉汽包水位的单冲量控制\t120
5．7．2 锅炉汽包水位的双冲量控制\t121
5．7．3 锅炉汽包水位的三冲量控制\t122
思考题\t123
第6章 大滞后补偿控制系统\t125
6．1 大滞后补偿过程基本概念\t125
6．2 纯滞后对象的控制问题\t126
6．3 大滞后补偿过程常规补偿控制\t127
6．3．1 微分先行控制方案\t127
6．3．2 中间微分反馈控制方案\t128
6．4 Smith预估控制\t129
6．5 Smith预估控制注意事项\t132
思考题\t132
第7章 其他复杂过程控制系统\t133
7．1 比值控制系统\t133
7．1．1 比值控制系统的类型\t133
7．1．2 比值控制系统的设计\t135
7．1．3 比值控制系统的设计示例\t136
7．2 均匀控制系统\t137
7．3 选择性控制系统\t138
7．3．1 选择性控制系统的类型\t138
7．3．2 选择性控制系统设计及工业应用\t140
7．4 分程控制系统\t141
7．5 多变量解耦控制\t145
7．5．1 系统的关联分析\t146
7．5．2 解耦控制系统设计\t146
7．5．3 减少与解除耦合的途径\t147
7．5．4 解耦控制系统的简化设计\t150
思考题\t151
第8章 模糊控制\t152
8．1 模糊控制的基本概念\t152
8．2 模糊控制基础\t153
8．2．1 模糊集合\t154
8．2．2 模糊集合的基本运算\t155
8．3 模糊控制器设计\t157
8．3．1 模糊控制器输入变量的模糊化\t157
8．3．2 模糊控制规则及模糊推理\t159
8．3．3 解模糊化方法\t162
8．4 水箱液位模糊推理系统实现\t163
8．5 水箱液位模糊控制器设计\t167
8．6 水箱液位模糊控制编程实现\t170
8．7 模糊PID控制\t171
8．8 模糊PID控制的仿真实现\t172
8．8．1 Kp模糊规则设计\t173
8．8．2 Ki模糊规则设计\t173
8．8．3 Kd模糊规则设计\t174
思考题\t176
第9章 网络化过程控制系统\t177
9．1 集散控制系统\t177
9．1．1 集散控制系统产生的背景\t177
9．1．2 集散控制系统的基本构成\t179
9．1．3 集散控制系统的硬件结构\t182
9．1．4 集散控制系统的软件结构\t185
9．1．5 集散控制系统的特点\t187
9．1．6 DCS中的先进控制技术\t190
9．1．7 集散控制系统的发展及趋势\t190
9．1．8 DCS技术的优点与缺点\t192
9．2 现场总线控制系统\t193
9．2．1 现场总线控制系统概述\t193
9．2．2 现场总线控制系统构成\t195
9．2．3 现场总线的通信协议和标准化\t197
9．2．4 现场总线控制系统的特点\t200
9．2．5 现场总线控制的发展现状\t202
9．2．6 现场总线控制在过程控制中的应用\t203
9．2．7 现场总线控制在过程控制中应用的注意事项\t204
9．2．8 现场总线控制系统的不足和未来发展\t205
9．3 现场总线控制系统FCS和集散控制系统DCS的比较\t206
9．3．1 信号的传输方式不同\t206
9．3．2 通信协议不同\t207
9．3．3 DCS和FCS结构不同\t207
9．3．4 DCS和FCS结构可靠性不同\t207
9．3．5 DCS与FCS的成本不同\t208
思考题\t210
第10章 过程控制工业应用实例\t211
10．1 燃机的水冷系统介绍\t211
10．2 燃机的水冷系统结构\t211
10．3 系统建模\t212
10．3．1 影响因素与耦合关系\t212
10．3．2 问题描述及数学模型\t212
10．3．3 问题特性\t213
10．4 系统解耦控制策略\t216
10．5 系统解耦控制仿真\t223
参考文献\t226