了得網工業技術_過程控制繫統

內容簡介

過程控制是由控制理論、計算機技術和儀器儀表、工藝知識等知識相結合而構成的一門應用科學，其任務是在了解、熟悉、掌握生產工藝流程與生產過程的靜態和動態特性的基礎上，根據工藝要求，應用控制理論、現代控制技術，分析、設計、整定過程控制繫統。通過本書的學習，使讀者能夠掌握過程控制繫統的基本概念、基本組成環節和基本控制規律，了解過程控制繫統的基本工作原理及典型過程控制繫統的工程設計方法，為從事生產過程自動控制工作打下初步基礎。本書重點討論了被控過程數學模型建立方法、簡單控制繫統設計與參數整定，以及復雜控制繫統（如串級、前饋、比值、均勻、分程、選擇、大延遲補償、解耦等控制繫統）的工作原理與設計方法；簡要介紹了智能模糊控制技術的相關知識及DCS與現場總線控制繫統；後結合企業工程項目介紹了典型過程控制繫統的工業應用設計實例。全書共10章，每章內容都將控制理論與過程控制實際相結合，並進行各繫統的仿真實驗驗證，以加深對本書內容的理解。本書可作為自動化專業及石化、電力、輕工、環境工程等專業的教材或參考書，也可供設計院所和企業過程控制工程技術人員參考。

作者簡介

劉艷梅：女，1974 年生，副教授，博士，瀋陽航空航天大學自動化學院教師。研究方向為機器人，微機電繫統檢測及控制，過程控制、智能控制理論及應用，以及電網建設輸變電工程技術裝備的自動化改造。相關研究工作得到了國家自然科學基金青年基金、航空基金和省教育廳項目的支持。以作者發表期刊和國際學術會議論文40篇左右，SCI/EI/ISTP檢索30餘篇；編者多年主講《過程控制》、《計算機控制技術》、《可編程控制器》、《控制工程基礎》、《現代控制理論》、《智能控制導論》（雙語）等課程。

第1章緒論001
1.1 過程控制繫統的基本概念001
1.2 過程控制繫統的組成及分類001
1.2.1 被控過程002
1.2.2 檢測變送儀表002
1.2.3 執行器003
1.2.4 控制器003
1.2.5 報警保護和連鎖等其他部件003
1.3 過程控制繫統的分類003
1.4 過程控制的特點005
1.4.1 控制主體復雜、控制要求高005
1.4.2 過程控制繫統由過程檢測和控制儀表組成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，而且多數為參量控制006第1章緒論001

1.1 過程控制繫統的基本概念001

1.2 過程控制繫統的組成及分類001

1.2.1 被控過程002

1.2.2 檢測變送儀表002

1.2.3 執行器003

1.2.4 控制器003

1.2.5 報警保護和連鎖等其他部件003

1.3 過程控制繫統的分類003

1.4 過程控制的特點005

1.4.1 控制主體復雜、控制要求高005

1.4.2 過程控制繫統由過程檢測和控制儀表組成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 過程控制繫統性能指標007

1.5.1 穩態與動態007

1.5.2 性能指標的分析和確定方法007

1.5.3 單項性能指標009

1.5.4 綜合性能指標011

1.6 過程控制繫統的典型應用011

1.6.1 發電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制繫統012

1.6.2 蒸汽鍋爐的液位控制繫統013

1.6.3 轉爐供氧量控制繫統013

1.6.4 谷氨酸發酵過程控制015

1.7 過程控制的發展過程016

1.7.1 基於模擬儀表控制繫統的局部自動化階段（20世紀50年代）017

1.7.2 基於計算機集中監督控制繫統的綜合自動化階段（20世紀60年代）017

1.7.3 分散控制繫統（DCS）階段（20世紀70年代）018

1.7.4 現場總線控制繫統（FCS）階段（20世紀90年代）018

1.8 過程控制發展的趨勢020

1.8.1 先進過程控制成為發展主流020

1.8.2 過程優化受到普遍關注020

1.8.3 綜合自動化是當代工業過程控制的主要潮流020

1.8.4 網絡化發展021

1.8.5 智能化發展021

1.8.6 虛擬仿真化發展022

思考題022

第2章被控過程數學模型的建立023

2.1 建立被控過程數學模型的意義023

2.1.1 控制繫統設計的基礎023

2.1.2 控制器參數確定的重要依據023

2.1.3 仿真或研究、開發新型控制策略的必要條件024

2.1.4 設計與操作生產工藝及設備時的指導024

2.1.5 工業過程故障檢測與診斷繫統的設計指導024

2.2 被控過程的數學模型的表達形式024

2.3 描述過程特性的參數025

2.3.1 放大繫數K對繫統的影響026

2.3.2 時間常數T對繫統的影響026

2.3.3 滯後時間τ對繫統的影響026

2.4 建立被控過程數學模型的基本方法026

2.4.1 機理法建模026

2.4.2 試驗法建模027

2.4.3 混合法建模027

2.5 液位對像的機理法建模028

2.5.1 自衡單容液位對像建模028

2.5.2 雙容液位對像的數學模型的建立029

2.5.3 三容液位對像的數學模型的建立030

2.5.4 多容液位對像的數學模型的建立031

2.5.5 非自衡過程建模032

2.6 測試法建模035

2.6.1 測定動態特性的時域法036

2.6.2 階躍響應測試法建模037

2.6.3 一階慣性環節參數的確定037

2.6.4 有時滯的一階慣性環節參數的確定039

2.6.5 二階慣性環節參數的確定040

2.6.6 二階時延環節參數的確定042

2.7 測定動態特性的頻域方法042

2.8 測定動態特性的統計相關法043

2.9 動態特性測試法建模舉例043

思考題046

第3章簡單控制繫統047

3.1 簡單過程控制繫統基本概念047

3.2 過程控制繫統設計步驟047

3.2.1 熟悉控制繫統的技術要求或性能指標047

3.2.2 建立控制繫統的數學模型047

3.2.3 確定控制方案048

3.2.4 根據繫統的動態特性和靜態特性進行分析與綜合048

3.2.5 繫統仿真與實驗研究048

3.2.6 工程設計048

3.2.7 工程安裝048

3.2.8 控制器參數的整定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 執行器的選擇051

3.5.1 執行器的作用方式051

3.5.2 調節閥的氣開、氣關選擇051

3.6 測量變送環節052

3.6.1 測量變送中的滯後問題052

3.6.2 測量信號的處理053

3.7 控制器的選擇054

3.7.1 控制器的控制規律選擇054

3.7.2 控制器的作用方式選擇054

3.8 PID控制056

3.8.1 比例對於控制質量的影響057

3.8.2 積分對於控制質量的影響059

3.8.3 微分對於控制質量的影響061

3.9 控制器的參數整定064

3.9.1 經驗法（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 響應曲線法071

3.10 簡單控制繫統工程設計實例073

思考題076

第4章串級控制繫統077

4.1 復雜控制繫統基本概念077

4.2 串級控制思想的提出078

4.3 串級控制的基本概念081

4.4 串級控制繫統的特點082

4.5 串級控制繫統工作過程089

4.5.1 擾動作用於副回路（二次擾動）—f2、f3089

4.5.2 擾動作用於主被控過程—f1090

4.5.3 擾動同時作用於副回路和主被控過程—f1、f2、f3090

4.6 串級控制繫統的設計090

4.6.1 主、副回路的設計原則090

4.6.2 主、副控制器的選擇091

4.7 串級控制繫統的參數整定092

4.7.1 兩步整定法：先整定副參數、後整定主參數092

4.7.2 逐步整定法：先副後主，反復調節093

4.7.3 一步整定法093

4.8 串級控制繫統在工業中的應用093

4.8.1 應用於容量滯後較大的過程093

4.8.2 應用於純延時較大的過程094

4.8.3 應用於變化劇烈且幅度較大的擾動過程096

4.8.4 應用於非線性過程098

4.9 串級控制繫統的設計舉例099

思考題103

第5章前饋控制繫統105

5.1 前饋控制繫統的基本概念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 前饋控制繫統是開環控制繫統，反饋控制繫統是閉環控制繫統107

5.3.2 前饋控制繫統中測量干擾量，反饋控制繫統中測量被控變量107

5.3.3 前饋控制繫統需要專用調節器，反饋控制繫統一般隻需通用調節器107

5.3.4 前饋控制繫統隻能克服所測量的干擾，

反饋控制繫統則可以克服所有干擾107

5.3.5 前饋控制繫統理論上可以無差，反饋控制繫統必定有差107

5.4 前饋控制繫統的結構108

5.4.1 靜態前饋控制繫統108

5.4.2 動態前饋控制繫統109

5.4.3 前饋—反饋復合控制繫統109

5.4.4 前饋—串級復合控制繫統111

5.5 前饋控制繫統的選用112

5.6 前饋控制繫統的工程整定112

5.6.1 靜態參數值KM的整定113

5.6.2 滯後時間τ的整定115

5.6.3 時間常數T1、T2的整定115

5.7 前饋控制繫統的工業應用實例119

5.7.1 鍋爐汽包水位的單衝量控制120

5.7.2 鍋爐汽包水位的雙衝量控制121

5.7.3 鍋爐汽包水位的三衝量控制122

思考題123

第6章大滯後補償控制繫統125

6.1 大滯後補償過程基本概念125

6.2 純滯後對像的控制問題126

6.3 大滯後補償過程常規補償控制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預估控制129

6.5 Smith預估控制注意事項132

思考題132

第7章其他復雜過程控制繫統133

7.1 比值控制繫統133

7.1.1 比值控制繫統的類型133

7.1.2 比值控制繫統的設計135

7.1.3 比值控制繫統的設計示例136

7.2 均勻控制繫統137

7.3 選擇性控制繫統138

7.3.1 選擇性控制繫統的類型138

7.3.2 選擇性控制繫統設計及工業應用140

7.4 分程控制繫統141

7.5 多變量解耦控制145

7.5.1 繫統的關聯分析146

7.5.2 解耦控制繫統設計146

7.5.3 減少與解除耦合的途徑147

7.5.4 解耦控制繫統的簡化設計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153

8.2.1 模糊集合154

8.2.2 模糊集合的基本運算155

8.3 模糊控制器設計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 水箱液位模糊推理繫統實現163

8.5 水箱液位模糊控制器設計167

8.6 水箱液位模糊控制編程實現170

8.7 模糊PID控制171

8.8 模糊PID控制的仿真實現172

8.8.1 Kp模糊規則設計173

8.8.2 Ki模糊規則設計173

8.8.3 Kd模糊規則設計174

思考題176

第9章網絡化過程控制繫統177

9.1 集散控制繫統177

9.1.1 集散控制繫統產生的背景177

9.1.2 集散控制繫統的基本構成179

9.1.3 集散控制繫統的硬件結構182

9.1.4 集散控制繫統的軟件結構185

9.1.5 集散控制繫統的特點187

9.1.6 DCS中的先進控制技術190

9.1.7 集散控制繫統的發展及趨勢190

9.1.8 DCS技術的優點與缺點192

9.2 現場總線控制繫統193

9.2.1 現場總線控制繫統概述193

9.2.2 現場總線控制繫統構成195

9.2.3 現場總線的通信協議和標準化197

9.2.4 現場總線控制繫統的特點200

9.2.5 現場總線控制的發展現狀202

9.2.6 現場總線控制在過程控制中的應用203

9.2.7 現場總線控制在過程控制中應用的注意事項204

9.2.8 現場總線控制繫統的不足和未來發展205

9.3 現場總線控制繫統FCS和集散控制繫統DCS的比較206

9.3.1 信號的傳輸方式不同206

9.3.2 通信協議不同207

9.3.3 DCS和FCS結構不同207

9.3.4 DCS和FCS結構可靠性不同207

9.3.5 DCS與FCS的成本不同208

思考題210

第10章

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