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