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第1章 过程控制系统及仿真概述 1

1.1 过程控制的任务与目标 1

1.2 过程控制系统的组成与特点 2

1.3 过程控制系统的分类 4

1.3.1 一般分类 4

1.3.2 按设定值形式分类 5

1.3.3 按系统的结构特点分类 5

1.4 过程控制系统的性能指标 6

1.4.1 时域控制性能指标 6

1.4.2 综合控制性能指标 7

1.5 过程控制系统的MATLAB计算与仿真 8

1.5.1 控制系统计算机仿真 8

1.5.2 控制系统的MATLAB计算与仿真 8

第2章 MATLAB与Simulink基础 10

2.1 MATLAB系统概述 10

2.1.1 MATLAB简介 10

2.1.2 MATLAB使用简介 11

2.1.3 MATLAB编程基础 14

2.2 MATLAB数值计算功能 15

2.2.1 MATLAB数据类型 15

2.2.2 矩阵及其运算 17

2.3 MATLAB图形功能 20

2.3.1 二维图形的绘制 20

2.3.2 三维图形的绘制 23

2.4 程序设计 25

2.4.1 M文件 25

2.4.2 流程控制语句 26

2.5 Simulink仿真基础 28

2.5.1 Simulink的基本操作 28

2.5.2 系统仿真及参数设置 31

2.5.3 Simulink的基本模块 34

2.6 Simulink仿真举例 36

第3章 PID控制器 40

3.1 概述 40

3.2 比例调节器 41

3.2.1 比例调节和比例带 41

3.2.2 比例调节的特点 42

3.3 积分调节器 47

3.3.1 积分调节器概述 47

3.3.2 积分调节器的特点 47

3.3.3 积分速度对控制系统的影响 47

3.4 比例积分调节器 49

3.4.1 比例积分调节 49

3.4.2 比例积分调节器的特点 50

3.4.3 比例积分调节器对系统过渡过程的影响 50

3.4.4 积分饱和及防止 54

3.5 比例微分调节器 56

3.5.1 比例微分控制算法 56

3.5.2 比例微分调节器的特点 57

3.6 比例积分微分调节器 59

3.6.1 比例积分微分调节器的表达式 59

3.6.2 PID调节器的频率响应特性 60

3.6.3 PID调节器的阶跃响应 60

3.7 数字式PID调节器 62

3.7.1 数字式PID控制算法的形式 63

3.7.2 数字式PID控制算法的特点 64

3.8 改进的PID控制算法 65

3.8.1 积分分离PID控制算法 65

3.8.2 抗积分饱和PID控制算法 68

3.8.3 梯形积分PID控制算法 71

3.8.4 变速积分PID控制算法 71

3.8.5 微分先行PID控制算法 74

3.8.6 比例先行I-PD控制算法 77

3.8.7 带有死区的PID调节器 78

3.9 PID调节器参数的工程整定 78

3.9.1 PID调节器参数整定的原则 79

3.9.2 PID调节器工程整定法的特点 80

3.9.3 PID调节器参数的工程整定 80

3.1 0 PID控制器参数的优化整定 92

第4章 简单过程控制系统及Simulink仿真 96

4.1 简单过程控制系统的组成 96

4.2 简单过程控制系统的设计 97

4.2.1 被控对象的动态特性 97

4.2.2 被控变量的选择 107

4.2.3 操纵变量的选择 108

4.2.4 检测变送环节 109

4.2.5 执行器（调节阀）的选择 110

4.3 简单过程控制系统的Simulink仿真 120

第5章 串级控制系统及Simulink仿真 127

5.1 串级控制系统的基本原理和结构 127

5.1.1 串级控制系统的基本概念 127

5.1.2 串级控制系统的组成 131

5.1.3 串级控制系统的工作过程 132

5.2 串级控制系统的分析与设计 135

5.2.1 串级控制系统的分析 135

5.2.2 串级控制系统的设计 143

5.3 串级控制系统控制器参数的整定 153

5.3.1 逐步逼近法 153

5.3.2 两步整定法 153

5.3.3 一步整定法 154

5.4 串级控制系统应用及Simulink仿真 155

5.4.1 串级控制系统用于克服变化剧烈和幅值大的干扰 155

5.4.2 串级控制系统用于克服对象的纯滞后 159

5.4.3 串级控制系统用于克服对象的容量滞后 160

5.4.4 串级控制系统用于克服对象特性的非线性 164

第6章 特殊控制系统及Simulink仿真 169

6.1 比值控制系统 169

6.1.1 比值控制原理 169

6.1.2 比值控制系统的结构类型 169

6.2 比值控制系统设计 172

6.2.1 主动量、从动量的选择 172

6.2.2 控制方案的选择 173

6.2.3 调节器控制规律的选择 173

6.2.4 比值系数的计算 173

6.2.5 实施方案的选择 175

6.2.6 调节器参数的整定 175

6.3 比值控制系统及Simulink仿真 176

6.4 均匀控制系统 185

6.4.1 均匀控制的概念 185

6.4.2 均匀控制系统的特点 186

6.5 均匀控制系统的结构形式 187

6.5.1 简单均匀控制 187

6.5.2 串级均匀控制 187

6.5.3 双冲量均匀控制 188

6.5.4 控制规律的选择 189

6.5.5 均匀控制系统参数整定 189

6.6 均匀控制系统及Simulink仿真 189

6.7 分程控制系统 193

6.7.1 分程控制的概念 193

6.7.2 分程控制系统的应用 194

6.7.3 分程控制应用中的几个问题 196

6.7.4 分程控制的应用 197

6.8 选择性控制系统 198

6.8.1 选择性控制的概念 198

6.8.2 选择性控制系统的类型 198

6.8.3 选择性控制系统设计 205

6.8.4 选择性控制系统的应用 205

6.9 双重控制系统 206

6.9.1 基本原理和结构 206

6.9.2 双重控制系统设计 207

6.9.3 双重控制系统的Simulink仿真 207

6.1 0应用实例 212

6.1 0.1 间歇式生产化学反应的分程控制 213

6.1 0.2 精馏过程中冷凝器的选择性控制系统 213

6.1 0.3 甲烷转化反应中的比值控制及比值报警系统 214

6.1 0.4 隧道窑炉的串级及比值控制系统 214

6.1 0.5 加热炉的安全联锁保护系统 215

第7章 补偿控制系统及Simulink仿真 216

7.1 前馈控制系统 216

7.1.1 前馈控制系统的原理和特点 216

7.1.2 前馈控制系统的基本结构 218

7.2 前馈控制系统的设计 221

7.2.1 前馈控制系统可实现的条件 221

7.2.2 前馈控制器的实施 221

7.2.3 前馈控制系统的参数整定 222

7.3 前馈控制系统的Simulink仿真 230

7.3.1 前馈控制系统 230

7.3.2 前馈-反馈控制系统 231

7.4 大时滞过程控制系统及Simulink仿真 235

7.4.1 改进的常规控制方案 236

7.4.2 预估补偿控制 239

7.4.3 采样控制方案 245

第8章 解耦控制系统 246

8.1 多变量控制系统的耦合 246

8.1.1 第一增益 247

8.1.2 第二增益 247

8.1.3 相对增益 248

8.1.4 相对增益的性质 249

8.1.5 多输入多输出系统的相对增益矩阵 249

8.2 消除和减弱耦合的方法 252

8.2.1 被控变量（输出变量）与操纵变量（输入变量）间的正确匹配 252

8.2.2 控制器的参数整定 253

8.2.3 减少控制回路 253

8.2.4 串接解耦控制 253

8.3 解耦控制系统设计 253

8.3.1 对角阵解耦控制 253

8.3.2 单位矩阵解耦控制 257

8.3.3 前馈补偿解耦控制 259

8.3.4 反馈解耦控制 260

8.3.5 简化解耦控制系统 262

8.4 解耦控制系统的Simulink仿真 263

第9章 典型过程控制系统 270

9.1 传热设备的控制系统 270

9.1.1 传热设备的类型 270

9.1.2 传热设备的控制目的 270

9.1.3 换热器的控制 271

9.1.4 蒸汽加热器的控制 280

9.1.5 冷凝冷却器的控制 281

9.2 锅炉设备的控制 283

9.2.1 锅炉设备概述 283

9.2.2 锅炉锅筒水位控制 285

9.2.3 锅炉燃烧控制系统 296

参考文献 311