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第一篇 过程模型 1

第1章 引言 1

1.1 了解要控制的对象——工艺流程 1

1.2 控制系统的组成 2

1.3 与控制紧密相关的操作——性能评估和过程监视 3

1.4 过程控制教育 4

第2章 典型过程的特征与模型描述 5

2.1 液位系统 5

2.1.1 单容液位对象 5

2.1.2 双容液位对象 7

2.1.3 三容液位对象 8

2.2 反应器系统 9

2.3 电机系统 12

2.4 TE过程 13

2.4.1 概述 13

2.4.2 TE过程描述 13

2.4.3 TE过程机理建模 18

思考题与习题 21

第3章 基于数据驱动的过程建模 22

3.1 引言 22

3.2 线性回归 22

3.3 非线性回归 24

3.4 软测量模型 25

3.4.1 明确任务 25

3.4.2 辅助变量的选择 25

3.4.3 过程数据的处理及训练样本的确定 26

3.4.4 软测量模型的建立 27

3.4.5 软测量模型的在线校正 29

3.5 主成分分析 30

3.5.1 数据的标准化处理 30

3.5.2 主成分分析的基本原理 30

3.6 偏最小二乘 35

思考题与习题 36

第二篇 控制系统结构与算法 37

第4章 单回路控制 37

4.1 概述 37

4.2 传感器和变送器 37

4.2.1 仪表信号的标准化 38

4.2.2 传感器 41

4.2.3 变送器 41

4.3 执行装置 45

4.3.1 控制阀 45

4.3.2 阀位定位器 46

4.3.3 特制尺寸的控制阀 46

4.3.4 控制阀的口径选择 49

4.4 仪表准确度 50

4.5 基本控制规律 52

4.5.1 比例控制 53

4.5.2 积分控制 54

4.5.3 比例积分控制 55

4.5.4 比例微分控制 55

4.5.5 比例积分微分控制 56

4.5.6 双位控制 57

4.5.7 数字PID控制器 58

4.6 过程控制系统设计 60

4.6.1 概述 60

4.6.2 被控参数、控制参数的选择 61

4.6.3 确定控制方案及控制算法 62

4.6.4 过程控制系统的硬件选择 63

4.7 过程的安全性 73

思考题与习题 74

第5章 扩展的单回路控制策略 75

5.1 串级控制 75

5.1.1 串级控制系统的基本概念 75

5.1.2 串级控制系统分析 77

5.1.3 串级控制系统设计 79

5.1.4 串级控制系统投运及参数整定 82

5.2 时延补偿 84

5.3 推断控制 86

5.4 自适应控制系统 89

思考题与习题 91

第6章 前馈和比值控制 92

6.1 前馈控制系统 92

6.1.1 前馈控制的基本原理 92

6.1.2 前馈控制系统的几种主要结构形式 94

6.1.3 前馈-反馈控制系统 94

6.1.4 前馈-串级控制系统 95

6.1.5 前馈控制规律的实施 96

6.1.6 前馈控制系统的应用 97

6.1.7 前馈控制系统的参数整定 98

6.2 比值控制概述 100

6.2.1 开环比值控制系统 100

6.2.2 单闭环比值控制系统 100

6.2.3 双闭环比值控制系统 101

6.2.4 其他类型的比值控制系统 102

6.2.5 比值系数的计算 103

6.2.6 比值控制方案的实施 104

思考题与习题 107

第7章 控制系统的结构设计 108

7.1 操作变量的选择 108

7.1.1 控制自由度 109

7.1.2 根据工艺流程图计算控制自由度 110

7.1.3 计算实例 114

7.2 受控变量的选择 114

7.2.1 自寻优原理 115

7.2.2 基于自寻优原理选择被控变量的计算方法 116

7.3 受控变量和操作变量配对的方法 118

7.3.1 相对增益法 118

7.3.2 Niederlinski指数计算 119

思考题与习题 120

第8章 面向全流程的控制系统设计方法 122

8.1 自动化系统架构 122

8.2 控制结构设计任务及方法 122

8.2.1 Luyben建议的全流程控制设计方法 123

8.2.2 集成仿真与启发式规则的全流程控制设计方法 124

8.3 Skogestad提出的全流程控制系统结构设计方法 125

8.3.1 用于操作的自由度 126

8.3.2 全流程控制系统设计方法 127

思考题与习题 130

第9章 基于模型的预测控制 132

9.1 概述 132

9.2 模型预测控制的基本原理 133

9.3 动态矩阵控制 135

9.4 商品化的预测控制软件 138

9.4.1 RMPCT概述及主要功能 140

9.4.2 RMPCT的相关参数 140

9.4.3 RMPCT的基本组成 141

9.4.4 RMPCT的关键技术 142

9.4.5 RMPCT的主要应用领域 143

思考题与习题 143

第三篇 控制系统应用 144

第10章 流体输送设备的控制 144

10.1 概述 144

10.2 泵及压缩机的控制方案 145

10.2.1 离心泵 145

10.2.2 容积泵 147

10.2.3 压缩机的控制 148

10.3 离心式压缩机的防喘振控制 149

10.3.1 喘振现象及原因 149

10.3.2 防喘振控制系统 150

10.4 压缩机的串并联运行及其控制 151

思考题与习题 152

第11章 传热设备的控制 153

11.1 概述 153

11.1.1 传热设备分类 153

11.1.2 传热设备的静态特性 154

11.1.3 传热设备的动态特性 155

11.2 一般传热设备的控制 156

11.2.1 载热流体流量控制 157

11.2.2 载热流体汽化温度控制 157

11.2.3 工艺介质分路控制 158

11.2.4 传热面积控制 158

11.3 加热炉的控制 159

11.3.1 加热炉的简单控制 159

11.3.2 加热炉的串级控制 160

11.3.3 加热炉的安全联锁保护 161

11.4 锅炉的控制 162

11.4.1 锅炉锅筒水位控制 164

11.4.2 锅炉燃烧过程控制 165

11.4.3 蒸汽过热系统控制 166

11.5 仿真实例 166

思考题与习题 171

第12章 精馏塔的控制 172

12.1 概述 172

12.1.1 精馏塔的控制要求 172

12.1.2 精馏塔的扰动分析 173

12.2 精馏塔的静态特性 174

12.2.1 总物料平衡 174

12.2.2 能量平衡 174

12.2.3 扰动对静态的影响 175

12.3 精馏塔的动态特性 175

12.3.1 动态平衡方程 176

12.3.2 单一塔板的动态特性 178

12.3.3 精馏塔的受控变量的选择 180

12.4 精馏塔的基本控制方案 181

12.4.1 按精馏段指标控制 182

12.4.2 按提馏段指标控制 183

12.4.3 精馏塔压力控制 184

12.5 二元精馏塔仿真实例 186

思考题与习题 191

第13章 化学反应器的控制 193

13.1 化学反应和化学反应器 193

13.1.1 化学反应特征 193

13.1.2 化学反应器分类 193

13.1.3 化学反应器的控制要求 195

13.2 化学反应的基本规律 195

13.2.1 反应速度方程 195

13.2.2 均相反应动力学方程 196

13.2.3 反应速度常数与温度的关系 196

13.2.4 化学平衡 197

13.3 化学反应器动态数学模型 198

13.3.1 单一不可逆反应 198

13.3.2 反应器-汽提塔 199

13.3.3 含两种反应物的反应器-精馏塔 200

13.4 化学反应器的常规控制 201

13.4.1 单回路控制 202

13.4.2 串级控制 202

13.4.3 前馈控制 203

13.4.4 分程控制 203

13.4.5 分段控制 204

13.5 反应器控制方案的应用 204

13.5.1 反应器-精馏塔控制 204

13.5.2 聚合釜内温控制 205

13.5.3 聚合釜温度-压力串级控制 205

13.6 仿真实例 206

思考题与习题 209

第14章 实时优化控制 210

14.1 概述 210

14.2 实时优化实现流程 212

14.3 实时优化问题描述与求解 214

14.4 线性规划 216

14.4.1 线性规划的标准形式 216

14.4.2 线性规划问题的求解方法 217

14.5 非线性规划 218

14.5.1 非线性规划问题描述 218

14.5.2 非线性规划问题MATLAB解法 218

14.5.3 二次规划 219

思考题与习题 220

第15章 间歇过程控制 222

15.1 间歇过程控制简介 222

15.1.1 间歇过程的定义 222

15.1.2 间歇过程的特点 222

15.1.3 间歇过程控制的研究现状 223

15.2 顺序逻辑控制 224

15.2.1 引言 224

15.2.2 顺序控制技术的现状及进展 225

15.3 批次对批次控制 226

15.3.1 批次对批次控制简介 226

15.3.2 典型的Run-to-Run过程举例 227

15.3.3 常见的几种Run-to-Run控制器 229

15.3.4 厂级控制 231

15.4 指数加权移动平均控制器 233

15.4.1 指数加权移动平均控制器介绍 233

15.4.2 多入多出过程的双指数加权移动平均控制器 238

15.4.3 多变量指数加权移动平均控制器的稳定性分析 239

附录 241

附录A Laplace变换 241

A.1 典型函数的Laplace变换 241

A.2 Laplace变换的性质与定理 243

A.3 微分方程的Laplace变换解法 245

A.3.1 部分分式展开法 246

A.3.2 解微分方程的一般步骤 248

附录B 常微分方程求解 251

B.1 数值积分法 251

B.2 常用方法 254

B.2.1 数值积分算法计算过程 254

B.2.2 积分步长的选择 255

B.2.3 MATLAB的数值积分求解方法 255

参考文献 258