1 控制系统的基本概念 1
1.1 概述 1
1.1.1 生产过程自动化系统所包含的内容 1
1.1.2 过程装备控制的任务和要求 2
1.2 控制系统的组成 2
1.2.1 过程装备控制的基本概念 2
1.2.2 系统组成 3
1.3 控制系统的方框图 4
1.4 控制系统的分类 6
1.4.1 按给定值的变化规律划分 6
1.4.2 按系统输出信号对操纵变量影响的方式划分 6
1.4.3 按系统的复杂程度划分 7
1.4.4 按系统克服干扰的方法划分 8
1.4.5 按控制作用的形式划分 8
1.4.6 按控制系统的特性划分 9
1.5 控制系统的过渡过程及其性能指标 9
1.5.1 控制系统的过渡过程 9
1.5.2 控制系统的性能指标 10
1.5.3 自动控制系统性能的基本要求 12
思考题与习题 13
2 过程控制系统设计基础 15
2.1 数学模型 15
2.1.1 微分方程 15
2.1.2 传递函数 16
2.1.3 方框图的简化 18
2.2 被控对象的动态特性 23
2.2.1 被控对象的数学描述 23
2.2.2 被控对象的特性参数 26
2.2.3 对象特性的实验测定 28
2.3 控制器的动态特性 33
2.3.1 控制器的基本控制规律 33
2.3.2 控制规律的选取 41
2.4 单回路控制系统 42
2.4.1 单回路控制系统的设计 42
2.4.2 控制器参数的工程整定 46
思考题与习题 49
3 复杂控制系统 52
3.1 串级控制系统 52
3.1.1 基本原理 52
3.1.2 主要特点及其应用场合 55
3.1.3 控制器参数工程整定 56
3.2 前馈控制系统 57
3.2.1 基本原理 57
3.2.2 主要结构形式 59
3.2.3 参数整定 62
3.3 比值控制系统 63
3.3.1 定比值控制系统 64
3.3.2 变比值控制系统 65
3.3.3 比值控制系统的实施 66
3.3.4 比值控制系统的参数整定 68
3.4 选择性控制系统 69
3.4.1 基本原理 69
3.4.2 选择性控制的类型 70
3.4.3 选择性控制中选择器性质的确定 71
3.4.4 积分饱和防止措施 71
3.5 均匀控制系统 71
3.5.1 基本原理及特点 71
3.5.2 均匀控制的类型 72
3.5.3 控制器的参数整定 73
3.6 分程控制系统 73
思考题与习题 75
4 过程检测技术 77
4.1 测量与误差的基本知识 77
4.1.1 测量的基本概念 77
4.1.2 误差的基本概念 79
4.1.3 仪器仪表的主要性能指标 83
4.2 传感器概述 86
4.2.1 传感器基本概念及组成 87
4.2.2 传感器分类 88
4.2.3 传感器特性及标定 89
4.2.4 新型传感器介绍 90
4.2.5 传感器选用 94
4.2.6 传感器发展动向 95
4.3 压力测量 96
4.3.1 概述 96
4.3.2 液柱式压力计 97
4.3.3 弹性式压力计 100
4.3.4 压阻式压力计 101
4.3.5 压电式压力计 103
4.3.6 压力计的选用 104
4.4 温度测量 105
4.4.1 概论 105
4.4.2 热膨胀式温度计 106
4.4.3 热电偶测温仪表 107
4.4.4 热电阻测温仪表 111
4.4.5 测温仪表的选用 114
4.5 流量测量 114
4.5.1 概述 114
4.5.2 压差式流量计 114
4.5.3 转子式流量计 118
4.5.4 涡街流量计 119
4.5.5 电磁式流量计 120
4.5.6 热式气体质量流量计 121
4.5.7 流量测量仪表的选用 123
4.6 液位测量 123
4.6.1 概述 123
4.6.2 浮力式液位计 123
4.6.3 静压式液位计 125
4.6.4 电容式液位计 127
4.6.5 光纤液位计 128
4.6.6 液位计的选用 129
4.7 物质成分分析 130
4.7.1 红外线气体分析仪 130
4.7.2 氧化锆氧气分析仪 133
4.7.3 工业电导仪 135
4.7.4 气相色谱仪 139
4.8 过程检测技术的新进展 142
4.8.1 智能传感器 142
4.8.2 软测量技术 143
4.8.3 多传感器信息融合 144
4.8.4 虚拟仪器 145
4.8.5 过程监测系统应用实例 147
思考题与习题 148
5 过程控制装置 151
5.1 变送器 151
5.1.1 差压变送器 152
5.1.2 防爆安全栅 163
5.1.3 温度变送器 167
5.1.4 标准仪表的信号标准以及与电源连接的方式 171
5.1.5 典型系统的变送器选择 172
5.2 控制器 172
5.2.1 控制器控制规律的实现方法 173
5.2.2 PID控制器的硬件结构 176
5.2.3 典型系统的控制器选择 187
5.3 执行器 188
5.3.1 气动执行器 188
5.3.2 电动执行器 199
5.3.3 电-气转换器及电-气阀门定位器 201
5.3.4 典型系统执行器的选择 203
思考题与习题 204
6 计算机控制系统 206
6.1 概述 206
6.2 计算机控制系统的组成及分类 207
6.2.1 计算机控制系统的组成 207
6.2.2 计算机控制系统的分类 209
6.3 A/D与D/A转换器 213
6.3.1 A/D转换器 213
6.3.2 A/D选择原则 214
6.3.3 D/A转换器 215
6.3.4 D/A选择原则 216
6.3.5 A/D、D/A接口板介绍 217
6.4 计算机测试系统 218
6.4.1 计算机在测试技术中的作用 218
6.4.2 计算机测试系统的基本结构 218
6.4.3 数据采集 220
6.4.4 计算机测试系统的设计 222
6.5 直接数字控制系统 223
6.5.1 DDC系统概述 223
6.5.2 DDC的基本算法 226
6.5.3 改进的PID算法 230
6.5.4 DDC的PID算法中参数的整定 234
6.5.5 采样周期的选择 235
6.6 可编程序控制器及其应用 236
6.6.1 概述 236
6.6.2 可编程序控制器的基本组成与工作原理 237
6.6.3 可编程序控制器的编程指令 239
6.6.4 可编程序控制器的应用举例 241
6.7 集散控制系统与现场总线控制系统 243
6.7.1 集散控制系统 243
6.7.2 现场总线控制系统 248
6.7.3 工业系统计算机控制新技术 252
6.8 计算机控制系统的设计与实现 254
6.8.1 计算机控制系统的设计原则 254
6.8.2 计算机控制系统设计的一般步骤 255
6.8.3 计算机控制系统设计实例 256
6.9 提高计算机控制系统可靠性的措施 261
6.9.1 提高元器件的可靠性 261
6.9.2 冗余技术 261
6.9.3 采取抗干扰措施 262
思考题与习题 265
7 典型过程控制系统应用方案 267
7.1 热交换器温度反馈——静态前馈控制系统 267
7.1.1 生产过程对系统设计的要求 267
7.1.2 系统组成 267
7.1.3 仪表静态参数的设置 268
7.2 单回路控制系统的应用 269
7.2.1 生产工艺简况 270
7.2.2 系统设计 270
7.3 流体输送设备的控制 272
7.3.1 概述 272
7.3.2 泵及压缩机的典型控制方案 273
7.4 反应器的控制 277
7.4.1 化学反应的特点与基本规律 277
7.4.2 化学反应器的控制要求和手段 279
7.4.3 反应器温度被控变量的选择 280
7.4.4 以温度作为控制指标的控制方案 282
7.5 精馏塔的控制 284
7.5.1 概述 284
7.5.2 精馏塔的基本关系 285
7.5.3 精馏塔的控制要求及干扰因素 285
7.5.4 被控变量的选择 286
7.5.5 精馏塔的控制 287
7.6 计算机数字控制的典型实例——炉温控制系统的计算机控制 288
7.6.1 控制方案设计 288
7.6.2 硬件线路 289
7.6.3 控制算法的确定 290
7.6.4 程序流程框图 291
7.6.5 控制系统的调试 291
思考题与习题 293
8 先进过程控制系统简介 294
8.1 概述 294
8.2 自适应控制系统 294
8.2.1 基本概念 294
8.2.2 自适应控制系统的基本类型 295
8.3 推断控制系统 295
8.4 预测控制系统 296
8.5 模糊控制系统 298
8.6 人工神经网络控制系统 300
8.6.1 人工神经网络的数学模型 300
8.6.2 人工神经网络拓扑结构及学习算法 301
8.6.3 常用神经网络简介 302
8.6.4 人工神经网络与自动控制 304
附录1 拉普拉斯变换对照表 307
附录2 常用标准热电阻分度表 309
F2.1 Pt100型铂热电阻分度表 309
F2.2 Cu50型热电阻分度表 310
附录3 常用标准热电偶分度表 311
F3.1 铂铑10-铂热电偶分度表（S型） 311
F3.2 铂铑13-铂热电偶分度表（R型） 312
F3.3 铂铑30-铂铑6热电偶分度表（B型） 313
F3.4 铜-铜镍（康铜）热电偶分度表（T型） 314
F3.5 镍铬-铜镍（康铜）热电偶分度表（E型） 315
附录4 常用管道仪表流程图设计符号 316
附录5 课外项目设计参考题目 319
参考文献 320