第1章 緒論 001
1.1 過程控制系統(tǒng)的基本概念 001
1.2 過程控制系統(tǒng)的組成及分類 001
1.2.1 被控過程 002
1.2.2 檢測(cè)變送儀表 002
1.2.3 執(zhí)行器 003
1.2.4 控制器 003
1.2.5 報(bào)警保護(hù)和連鎖等其他部件 003
1.3 過程控制系統(tǒng)的分類 003
1.4 過程控制的特點(diǎn) 005
1.4.1 控制主體復(fù)雜、控制要求高 005
1.4.2 過程控制系統(tǒng)由過程檢測(cè)和控制儀表組成 005
1.4.3 被控過程是多種多樣的、非電量的 006
1.4.4 過程控制的控制過程多屬慢過程，而且多數(shù)為參量控制 006
1.4.5 過程控制方案十分豐富 006
1.4.6 定值控制是過程控制的一種常用形式 006
1.5 過程控制系統(tǒng)性能指標(biāo) 007
1.5.1 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài) 007
1.5.2 性能指標(biāo)的分析和確定方法 007
1.5.3 單項(xiàng)性能指標(biāo) 009
1.5.4 綜合性能指標(biāo) 011
1.6 過程控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用 011
1.6.1 發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng) 012
1.6.2 蒸汽鍋爐的液位控制系統(tǒng) 013
1.6.3 轉(zhuǎn)爐供氧量控制系統(tǒng) 013
1.6.4 谷氨酸發(fā)酵過程控制 015
1.7 過程控制的發(fā)展過程 016
1.7.1 基于模擬儀表控制系統(tǒng)的局部自動(dòng)化階段（20世紀(jì)50年代） 017
1.7.2 基于計(jì)算機(jī)集中監(jiān)督控制系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化階段（20世紀(jì)60年代） 017
1.7.3 分散控制系統(tǒng)（DCS）階段（20世紀(jì)70年代） 018
1.7.4 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）階段（20世紀(jì)90年代） 018
1.8 過程控制發(fā)展的趨勢(shì) 020
1.8.1 先進(jìn)過程控制成為發(fā)展主流 020
1.8.2 過程優(yōu)化受到普遍關(guān)注 020
1.8.3 綜合自動(dòng)化是當(dāng)代工業(yè)過程控制的主要潮流 020
1.8.4 網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展 021
1.8.5 智能化發(fā)展 021
1.8.6 虛擬仿真化發(fā)展 022
思考題 022
第2章 被控過程數(shù)學(xué)模型的建立 023
2.1 建立被控過程數(shù)學(xué)模型的意義 023
2.1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) 023
2.1.2 控制器參數(shù)確定的重要依據(jù) 023
2.1.3 仿真或研究、開發(fā)新型控制策略的必要條件 024
2.1.4 設(shè)計(jì)與操作生產(chǎn)工藝及設(shè)備時(shí)的指導(dǎo) 024
2.1.5 工業(yè)過程故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo) 024
2.2 被控過程的數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式 024
2.3 描述過程特性的參數(shù) 025
2.3.1 放大系數(shù)K對(duì)系統(tǒng)的影響 026
2.3.2 時(shí)間常數(shù)T對(duì)系統(tǒng)的影響 026
2.3.3 滯后時(shí)間τ對(duì)系統(tǒng)的影響 026
2.4 建立被控過程數(shù)學(xué)模型的基本方法 026
2.4.1 機(jī)理法建模 026
2.4.2 試驗(yàn)法建模 027
2.4.3 混合法建模 027
2.5 液位對(duì)象的機(jī)理法建模 028
2.5.1 自衡單容液位對(duì)象建模 028
2.5.2 雙容液位對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的建立 029
2.5.3 三容液位對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的建立 030
2.5.4 多容液位對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的建立 031
2.5.5 非自衡過程建模 032
2.6 測(cè)試法建模 035
2.6.1 測(cè)定動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域法 036
2.6.2 階躍響應(yīng)測(cè)試法建模 037
2.6.3 一階慣性環(huán)節(jié)參數(shù)的確定 037
2.6.4 有時(shí)滯的一階慣性環(huán)節(jié)參數(shù)的確定 039
2.6.5 二階慣性環(huán)節(jié)參數(shù)的確定 040
2.6.6 二階時(shí)延環(huán)節(jié)參數(shù)的確定 042
2.7 測(cè)定動(dòng)態(tài)特性的頻域方法 042
2.8 測(cè)定動(dòng)態(tài)特性的統(tǒng)計(jì)相關(guān)法 043
2.9 動(dòng)態(tài)特性測(cè)試法建模舉例 043
思考題 046
第3章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng) 047
3.1 簡(jiǎn)單過程控制系統(tǒng)基本概念 047
3.2 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 047
3.2.1 熟悉控制系統(tǒng)的技術(shù)要求或性能指標(biāo) 047
3.2.2 建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 047
3.2.3 確定控制方案 048
3.2.4 根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性進(jìn)行分析與綜合 048
3.2.5 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究 048
3.2.6 工程設(shè)計(jì) 048
3.2.7 工程安裝 048
3.2.8 控制器參數(shù)的整定 048
3.3 被制變量選擇 048
3.3.1 被控變量的選擇方法 049
3.3.2 被控變量的選擇原則 049
3.4 控制變量的選擇 050
3.5 執(zhí)行器的選擇 051
3.5.1 執(zhí)行器的作用方式 051
3.5.2 調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)選擇 051
3.6 測(cè)量變送環(huán)節(jié) 052
3.6.1 測(cè)量變送中的滯后問題 052
3.6.2 測(cè)量信號(hào)的處理 053
3.7 控制器的選擇 054
3.7.1 控制器的控制規(guī)律選擇 054
3.7.2 控制器的作用方式選擇 054
3.8 PID控制 056
3.8.1 比例對(duì)于控制質(zhì)量的影響 057
3.8.2 積分對(duì)于控制質(zhì)量的影響 059
3.8.3 微分對(duì)于控制質(zhì)量的影響 061
3.9 控制器的參數(shù)整定 064
3.9.1 經(jīng)驗(yàn)法（湊試法） 065
3.9.2 臨界比例度法 066
3.9.3 衰減曲線法 068
3.9.4 響應(yīng)曲線法 071
3.10 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)實(shí)例 073
思考題 076
第4章 串級(jí)控制系統(tǒng) 077
4.1 復(fù)雜控制系統(tǒng)基本概念 077
4.2 串級(jí)控制思想的提出 078
4.3 串級(jí)控制的基本概念 081
4.4 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 082
4.5 串級(jí)控制系統(tǒng)工作過程 089
4.5.1 擾動(dòng)作用于副回路（二次擾動(dòng)）—f2、f3 089
4.5.2 擾動(dòng)作用于主被控過程—f1 090
4.5.3 擾動(dòng)同時(shí)作用于副回路和主被控過程—f1、f2、f3 090
4.6 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 090
4.6.1 主、副回路的設(shè)計(jì)原則 090
4.6.2 主、副控制器的選擇 091
4.7 串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 092
4.7.1 兩步整定法：先整定副參數(shù)、后整定主參數(shù) 092
4.7.2 逐步整定法：先副后主，反復(fù)調(diào)節(jié) 093
4.7.3 一步整定法 093
4.8 串級(jí)控制系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用 093
4.8.1 應(yīng)用于容量滯后較大的過程 093
4.8.2 應(yīng)用于純延時(shí)較大的過程 094
4.8.3 應(yīng)用于變化劇烈且幅度較大的擾動(dòng)過程 096
4.8.4 應(yīng)用于非線性過程 098
4.9 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)舉例 099
思考題 103
第5章 前饋控制系統(tǒng) 105
5.1 前饋控制系統(tǒng)的基本概念 105
5.2 前饋控制原理 106
5.3 前饋控制與反饋控制的比較 107
5.3.1 前饋控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)，反饋控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng) 107
5.3.2 前饋控制系統(tǒng)中測(cè)量干擾量，反饋控制系統(tǒng)中測(cè)量被控變量 107
5.3.3 前饋控制系統(tǒng)需要專用調(diào)節(jié)器，反饋控制系統(tǒng)一般只需通用調(diào)節(jié)器 107
5.3.4 前饋控制系統(tǒng)只能克服所測(cè)量的干擾，
反饋控制系統(tǒng)則可以克服所有干擾 107
5.3.5 前饋控制系統(tǒng)理論上可以無(wú)差，反饋控制系統(tǒng)必定有差 107
5.4 前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 108
5.4.1 靜態(tài)前饋控制系統(tǒng) 108
5.4.2 動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng) 109
5.4.3 前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng) 109
5.4.4 前饋—串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng) 111
5.5 前饋控制系統(tǒng)的選用 112
5.6 前饋控制系統(tǒng)的工程整定 112
5.6.1 靜態(tài)參數(shù)值KM的整定 113
5.6.2 滯后時(shí)間τ的整定 115
5.6.3 時(shí)間常數(shù)T1、T2的整定 115
5.7 前饋控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例 119
5.7.1 鍋爐汽包水位的單沖量控制 120
5.7.2 鍋爐汽包水位的雙沖量控制 121
5.7.3 鍋爐汽包水位的三沖量控制 122
思考題 123
第6章 大滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng) 125
6.1 大滯后補(bǔ)償過程基本概念 125
6.2 純滯后對(duì)象的控制問題 126
6.3 大滯后補(bǔ)償過程常規(guī)補(bǔ)償控制 127
6.3.1 微分先行控制方案 127
6.3.2 中間微分反饋控制方案 128
6.4 Smith預(yù)估控制 129
6.5 Smith預(yù)估控制注意事項(xiàng) 132
思考題 132
第7章 其他復(fù)雜過程控制系統(tǒng) 133
7.1 比值控制系統(tǒng) 133
7.1.1 比值控制系統(tǒng)的類型 133
7.1.2 比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 135
7.1.3 比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)示例 136
7.2 均勻控制系統(tǒng) 137
7.3 選擇性控制系統(tǒng) 138
7.3.1 選擇性控制系統(tǒng)的類型 138
7.3.2 選擇性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工業(yè)應(yīng)用 140
7.4 分程控制系統(tǒng) 141
7.5 多變量解耦控制 145
7.5.1 系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析 146
7.5.2 解耦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 146
7.5.3 減少與解除耦合的途徑 147
7.5.4 解耦控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì) 150
思考題 151
第8章 模糊控制 152
8.1 模糊控制的基本概念 152
8.2 模糊控制基礎(chǔ) 153
8.2.1 模糊集合 154
8.2.2 模糊集合的基本運(yùn)算 155
8.3 模糊控制器設(shè)計(jì) 157
8.3.1 模糊控制器輸入變量的模糊化 157
8.3.2 模糊控制規(guī)則及模糊推理 159
8.3.3 解模糊化方法 162
8.4 水箱液位模糊推理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 163
8.5 水箱液位模糊控制器設(shè)計(jì) 167
8.6 水箱液位模糊控制編程實(shí)現(xiàn) 170
8.7 模糊PID控制 171
8.8 模糊PID控制的仿真實(shí)現(xiàn) 172
8.8.1 Kp模糊規(guī)則設(shè)計(jì) 173
8.8.2 Ki模糊規(guī)則設(shè)計(jì) 173
8.8.3 Kd模糊規(guī)則設(shè)計(jì) 174
思考題 176
第9章 網(wǎng)絡(luò)化過程控制系統(tǒng) 177
9.1 集散控制系統(tǒng) 177
9.1.1 集散控制系統(tǒng)產(chǎn)生的背景 177
9.1.2 集散控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成 179
9.1.3 集散控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 182
9.1.4 集散控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 185
9.1.5 集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 187
9.1.6 DCS中的先進(jìn)控制技術(shù) 190
9.1.7 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢(shì) 190
9.1.8 DCS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 192
9.2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 193
9.2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)概述 193
9.2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)構(gòu)成 195
9.2.3 現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)化 197
9.2.4 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 200
9.2.5 現(xiàn)場(chǎng)總線控制的發(fā)展現(xiàn)狀 202
9.2.6 現(xiàn)場(chǎng)總線控制在過程控制中的應(yīng)用 203
9.2.7 現(xiàn)場(chǎng)總線控制在過程控制中應(yīng)用的注意事項(xiàng) 204
9.2.8 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的不足和未來(lái)發(fā)展 205
9.3 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS和集散控制系統(tǒng)DCS的比較 206
9.3.1 信號(hào)的傳輸方式不同 206
9.3.2 通信協(xié)議不同 207
9.3.3 DCS和FCS結(jié)構(gòu)不同 207
9.3.4 DCS和FCS結(jié)構(gòu)可靠性不同 207
9.3.5 DCS與FCS的成本不同 208
思考題 210
第10章 過程控制工業(yè)應(yīng)用實(shí)例 211
10.1 燃機(jī)的水冷系統(tǒng)介紹 211
10.2 燃機(jī)的水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 211
10.3 系統(tǒng)建模 212
10.3.1 影響因素與耦合關(guān)系 212
10.3.2 問題描述及數(shù)學(xué)模型 212
10.3.3 問題特性 213
10.4 系統(tǒng)解耦控制策略 216
10.5 系統(tǒng)解耦控制仿真 223
參考文獻(xiàn) 226