过程控制系统PDF电子书下载

绪论 1

0.1 生产过程自动化的发展概况和趋势 1

0.2 过程控制的任务和要求 7

0.3 控制系统的组成、分类与性能指标 11

0.4 本书的结构与教学安排 15

思考题与习题 16

参考文献 18

第一篇 简单控制系统 21

第1章 生产过程的数学模型 21

1.1 被控对象的动态特性 21

1.1.1 基本概念 21

1.1.2 若干简单被控对象的动态特性 23

1.1.3 工业过程自由度分析 31

1.1.4 工业过程动态特性的特点 32

1.2 过程数学模型及其建立方法 36

1.2.1 过程数学模型的表达形式与对模型的要求 36

1.2.2 建立过程数学模型的基本方法 38

1.2.3 常用的辨识建模方法 39

1.3 小结 49

第2章 常规控制及其过程分析 50

2.1 基本概念 50

2.2 比例控制（P控制）与积分控制（I控制） 52

2.2.1 比例控制、积分控制的动作规律 52

2.2.2 比例控制和积分控制的特点 53

2.2.3 比例带和积分速度对控制过程的影响 55

2.3 比例积分控制（PI控制）与比例积分微分控制（PID控制） 58

2.3.1 比例积分控制 58

2.3.2 积分饱和现象与抗积分饱和 60

2.3.3 比例微分控制 65

2.3.4 比例积分微分控制规律及特点 69

2.4 小结 71

第3章 控制系统的整定 72

3.1 控制系统整定的基本要求 72

3.1.1 单项性能指标 73

3.1.2 误差积分性能指标 73

3.2 衰减频率特性法 75

3.2.1 稳定度判据 75

3.2.2 频率特性法整定控制器参数 78

3.3 工程整定法 85

3.3.1 特性参数法 85

3.3.2 稳定边界法 86

3.3.3 衰减曲线法 87

3.3.4 其他整定方法 93

3.4 控制器参数的自整定 94

3.4.1 极限环法 95

3.4.2 模式识别法 97

3.4.3 鲁棒PID参数整定法 99

3.5 小结 103

第4章 控制系统中的仪器仪表 104

4.1 检测变送仪表 104

4.1.1 传感器 105

4.1.2 变送器 109

4.2 执行器——气动调节阀 111

4.2.1 气动执行机构 112

4.2.2 调节阀与阀门定位器 113

4.2.3 调节阀的流量系数与流量特性 114

4.2.4 气动调节阀选型 125

4.3 安全栅 128

4.3.1 危险区域的分类 128

4.3.2 防爆仪表的分类、分级和分组 130

4.3.3 防爆安全栅 131

4.4 小结 134

第一篇小结 136

思考题与习题 136

参考文献 147

第二篇 复杂控制系统 151

第5章 串级控制系统与比值控制系统 151

5.1 串级控制系统的概念 151

5.2 串级控制系统的分析 156

5.3 串级控制系统设计中的几个问题 162

5.3.1 副回路的设计 163

5.3.2 主、副回路工作频率的选择 164

5.3.3 防止控制器积分饱和的措施 166

5.4 控制器的选型和整定方法 167

5.4.1 逐步逼近法 168

5.4.2 两步整定法 168

5.5 比值控制系统 169

5.5.1 比值系数的计算 170

5.5.2 比值系统中的非线性特性 172

5.5.3 比值控制系统的整定 173

5.5.4 常见比值控制系统 174

5.6 小结 175

第6章 基于补偿原理的控制系统 177

6.1 概述 177

6.2 前馈控制 179

6.2.1 基本概念 179

6.2.2 静态前馈控制 180

6.2.3 动态前馈控制 183

6.2.4 前馈-反馈控制系统 190

6.3 大迟延控制 193

6.3.1 概述 193

6.3.2 采用补偿原理克服大迟延的影响 194

6.3.3 史密斯预估器的几种改进方案 199

6.4 非线性增益补偿 204

6.4.1 概述 204

6.4.2 对象静态非线性特性的补偿 204

6.5 小结 209

第7章 解耦控制系统 210

7.1 相对增益 210

7.1.1 相对增益的定义 211

7.1.2 求取相对增益的方法 212

7.1.3 相对增益矩阵特性 217

7.1.4 奇异值分析法 220

7.2 耦合系统中的变量匹配和控制参数整定 221

7.2.1 变量之间的配对 221

7.2.2 控制回路之间的耦合影响及其整定 226

7.2.3 回路间动态耦合的影响 233

7.3 解耦控制系统的设计 235

7.3.1 前馈补偿法 236

7.3.2 对角矩阵法 236

7.3.3 单位矩阵法 238

7.4 设计解耦控制系统中的问题 239

7.4.1 解耦系统的稳定性 240

7.4.2 部分解耦 242

7.4.3 解耦系统的简化 243

7.5 小结 245

第二篇小结 246

思考题与习题 250

参考文献 253

第三篇 先进控制系统 257

第8章 推理控制 257

8.1 推理控制问题的提出 257

8.2 推理控制系统 258

8.2.1 推理控制系统的组成 258

8.2.2 推理控制器的设计 261

8.2.3 模型误差对系统性能的影响 262

8.3 多变量推理控制系统 265

8.3.1 控制器的V规范型结构 266

8.3.2 V规范型控制器的设计 267

8.3.3 滤波阵的选择 272

8.4 应用举例 274

8.4.1 丁烷精馏塔及其近似传递函数 274

8.4.2 二次输出量的选择 276

8.4.3 控制作用的限幅 276

8.5 软测量 277

8.5.1 基于机理分析模型的软测量技术 278

8.5.2 基于实验建模的软测量技术 278

8.6 小结 279

第9章 预测控制 280

9.1 预测控制问题的提出 280

9.2 预测控制系统 281

9.2.1 预测控制的基本原理 281

9.2.2 预测控制算法 282

9.2.3 预测控制的机理分析 289

9.3 预测控制中的几个问题 297

9.3.1 系统的稳定性和鲁棒性 297

9.3.2 非最小相位系统中的预测控制 299

9.3.3 大迟延系统中的预测控制 302

9.4 应用举例 306

9.5 小结 309

第10章 间歇过程控制 311

10.1 间歇过程控制系统 311

10.1.1 间歇过程概述 311

10.1.2 间歇过程控制的特点和要求 312

10.1.3 间歇过程控制模型 313

10.2 顺序控制和逻辑控制 315

10.2.1 典型的间歇操作顺序 315

10.2.2 间歇过程的顺序逻辑表达方式 315

10.2.3 状态转换的监视 318

10.3 间歇生产过程的控制 318

10.3.1 间歇反应器的控制 319

10.3.2 快速热处理过程的控制 320

10.4 间歇过程的先进控制 322

10.4.1 Run-to-Run控制 323

10.4.2 迭代学习控制 326

10.5 间歇生产过程的管理 332

10.6 小结 335

第11章 整厂控制 336

11.1 概述 336

11.1.1 整厂控制的提出 338

11.1.2 整厂控制的定义 338

11.1.3 整厂控制的内容 338

11.2 整厂控制问题的描述 339

11.2.1 物料再循环 339

11.2.2 热集成 340

11.2.3 整厂控制的数学模型 342

11.2.4 控制自由度 343

11.2.5 一个整厂控制的典型案例 343

11.3 整厂控制系统的特性 346

11.3.1 再循环带来的稳态响应特性——雪崩效应 346

11.3.2 再循环带来的动态响应特性——整体响应速度趋缓 352

11.3.3 热集成对动态响应特性的影响——不稳定性与反向响应 352

11.3.4 过程扰动的传播特性 353

11.4 整厂控制系统的一般设计过程 356

11.4.1 确定被控变量 357

11.4.2 选择测量点 359

11.4.3 确定控制变量 360

11.4.4 设计整厂控制结构 360

11.5 小结 363

第12章 实时优化 364

12.1 生产过程中的实时最优化概述 364

12.2 实时优化问题的描述 367

12.2.1 过程优化目标 367

12.2.2 约束和运行模型 368

12.2.3 实现优化的方法 370

12.3 优化算法 371

12.3.1 最优化方法概述 371

12.3.2 线性规划 372

12.3.3 非线性规划算法 375

12.3.4 二次规划 381

12.3.5 智能优化算法 382

12.4 实时优化应用案例 388

12.4.1 乙醛生产过程的实时优化 388

12.4.2 集动态控制与稳态优化于一体的精馏过程实时优化 391

12.4.3 FCCU反应再生过程的实时优化 395

12.5 小结 399

第三篇小结 401

思考题与习题 402

参考文献 406

第四篇 过程计算机控制系统 413

第13章 数字控制系统 413

13.1 数字控制系统的组成 413

13.2 数字控制系统的理论分析基础知识 415

13.2.1 采样定理 415

13.2.2 离散系统的理论分析方法 415

13.2.3 连续控制系统到数字控制系统的转换 418

13.2.4 数字滤波 420

13.2.5 数据处理 422

13.3 数字控制算法 424

13.3.1 PID控制算式 424

13.3.2 PID控制算式的改进 426

13.3.3 数字式PID调节参数的整定 430

13.4 数字系统与连续系统的接口 432

13.4.1 数据输出 433

13.4.2 人机界面 433

13.5 小结 434

第14章 计算机控制系统 435

14.1 直接数字控制系统 438

14.1.1 直接数字控制系统的原理 438

14.1.2 直接数字控制系统的组成 438

14.1.3 直接数字控制系统的应用 439

14.2 集散控制系统 442

14.2.1 集散控制系统的组成 443

14.2.2 集散控制系统的特点 444

14.2.3 集散控制系统的功能 445

14.2.4 集散控制系统的应用 447

14.3 现场总线控制系统 448

14.3.1 现场总线控制系统概述 448

14.3.2 现场总线控制系统的组成 449

14.3.3 现场总线控制系统的特点 450

14.3.4 现场总线控制系统的功能 451

14.3.5 现场总线控制系统的应用 454

14.4 小结 457

第15章 控制系统中的计算机网络 458

15.1 计算机网络的体系结构 458

15.2 工业以太网 460

15.3 OPC技术 463

15.3.1 组件技术 464

15.3.2 组件对象模型（COM） 465

15.3.3 OPC规范 465

15.3.4 OPC的特点及其应用领域 468

15.4 现代企业网络结构 470

15.5 小结 472

第四篇小结 474

思考题与习题 475

参考文献 477

第五篇 典型装置的控制系统 481

第16章 精馏塔的自动控制 481

16.1 精馏过程及其工艺操作目标 481

16.1.1 精馏原理 481

16.1.2 连续精馏装置和流程 484

16.1.3 精馏塔的基本型式 485

16.1.4 精馏过程的工艺操作目标 486

16.2 精馏过程的静态特性 488

16.2.1 全塔物料平衡 488

16.2.2 内部物料平衡 489

16.2.3 理论塔板和塔板效率 491

16.2.4 能量平衡与分离度 491

16.3 精馏过程的动态特性 493

16.3.1 二元精馏塔的动态特性 493

16.3.2 多元精馏塔的动态特性 498

16.3.3 操作条件变化对分馏效果的影响 499

16.3.4 动态特性和动态影响分析 500

16.4 精馏塔质量指标的选取 502

16.4.1 灵敏板的温度控制 502

16.4.2 温差控制 502

16.4.3 双温差控制 503

16.5 精馏塔的基本控制方案 504

16.5.1 按精馏段指标控制 505

16.5.2 按提馏段指标控制 506

16.5.3 按塔顶塔底两端质量指标控制 507

16.6 精馏塔的其他控制方案 508

16.6.1 内回流控制 508

16.6.2 进料热焓控制 509

16.6.3 精馏塔的节能控制 510

16.6.4 基于软测量的产品质量直接闭环控制 513

16.7 小结 517

第17章 发酵过程的自动控制 518

17.1 发酵过程 518

17.1.1 发酵原理 518

17.1.2 发酵过程及其特点 519

17.1.3 发酵过程的数学模型 520

17.2 发酵过程的控制 522

17.2.1 发酵过程控制的目标 522

17.2.2 发酵过程控制的特点 523

17.2.3 发酵过程的基本控制系统 523

17.3 发酵控制系统中的几个问题 526

17.3.1 质量指标的软测量 526

17.3.2 发酵过程的补料控制 528

17.3.3 pH值的非线性控制 531

17.4 先进控制在发酵过程中的应用 533

17.4.1 模型预测控制 534

17.4.2 迭代学习控制 537

17.5 小结 542

第五篇小结 543

思考题与习题 543

参考文献 545

第六篇 控制系统的设计与实现 549

第18章 控制系统的设计 549

18.1 概述 549

18.2 工艺设计对过程控制的影响 551

18.3 过程控制中的自由度 555

18.3.1 控制自由度的计算 555

18.3.2 反馈控制与控制自由度 558

18.4 被控变量、操作变量和测量变量的选择 559

18.4.1 被控变量的选择 559

18.4.2 操作变量的选择 560

18.4.3 测量变量的选择 561

18.5 控制系统设计问题 562

18.6 先进控制系统的设计 569

18.6.1 可行性研究 570

18.6.2 功能设计 572

18.6.3 详细设计 573

18.6.4 试运行阶段 574

18.7 安全仪表系统的设计 574

18.7.1 工艺设计阶段的安全设计 576

18.7.2 基本过程控制系统的角色 576

18.7.3 过程报警 576

18.7.4 安全仪表系统 578

18.8 间歇过程控制系统的设计 580

18.8.1 间歇过程控制系统的体系结构 580

18.8.2 间歇过程控制系统的设计问题 581

18.9 小结 582

第19章 系统监控技术 584

19.1 传统的监控技术 585

19.1.1 测量值的上下限 585

19.1.2 测量值幅度变化的上限 586

19.1.3 采样波动的下限 586

19.2 基于统计分析的过程监控技术 586

19.2.1 单变量质量控制图 587

19.2.2 多变量统计技术 597

19.2.3 扩展的统计过程控制技术 601

19.3 控制性能的监控 603

19.4 小结 604

第20章 过程控制系统的实现艺术 605

20.1 概述 605

20.2 工艺过程和控制系统的集成设计 605

20.3 控制系统设计与安全可靠性 607

20.3.1 选择性控制系统 608

20.3.2 压缩机的防喘振控制 609

20.3.3 延迟焦化炉异常工况下的超驰控制 611

20.4 控制系统设计与经济目标优化 614

20.4.1 双重控制系统 614

20.4.2 加热炉多燃料系统的控制 615

20.4.3 集动态控制与稳态经济目标优化于一体的控制策略 617

20.5 控制系统的易用性 619

20.6 小结 620

第六篇小结 622

思考题与习题 623

参考文献 626

习题答案 629