過程控制工程為自動控制學科的重要組成部分，是自動化專業學生的必修課程之一。本書是在原國家規劃教材《過程控制工程》（第三版）的基礎上重新編寫的。

全書共分12章，第1章為過程控制概論；第2～6章講述常規控制技術，內容包括過程動態建模，PID單回路控制，前饋與比值控制，串級、均勻、選擇與分程控制等；第7、8章為先進控制技術，內容包括關聯分析與解耦設計、基於模型的控制方法等;第9章結合具體工程應用過程，詳細討論了過程控制繫統的設計思想與實現方案；第10～12章為常用過程的控制方案，內容包括傳熱設備控制、精餾塔控制、化學反應過程控制等。

本書可作為高等院校自動化及相關專業高年級本科生或研究生的教材，也可供煉油、石油化工、化工、冶金、電力、輕工、環保等領域從事工業過程控制工程的技術人員參考。

1過程控制概論1

1.1控制繫統的組成與目標1

1.1.1控制繫統的由來1

1.1.2控制繫統的組成3

1.1.3過程控制的術語與目標4

1.2控制儀表與控制裝置5

1.2組合控制儀表5

1.2.2計算機控制裝置6

1.3過程控制策略9

1.3.1反饋控制9

1.3.2前饋控制11

1.4反饋控制繫統的分類12

1.5過程控制的任務和要求13

思考題與習題116



2過程動態特性17

2.1典型工業過程的動態特性17

2.1.1自衡過程17

2.1.2非自衡過程19

2.2機理建模方法21

2.2.1機理建模的步驟21

2.2.2常用的方程21

2.2.3機理建模舉例26

2.3測量變送環節31

2.3.1關於測量誤差31

2.3.2測量信號的處理32

2.4控制閥32

2.4.1控制閥概述32

2.4.2流量特性和閥門增益33

2.4.3流量特性的選擇36

2.5廣義對像及經驗建模方法38

2.5.1廣義對像的概念38

2.5.2經驗建模的步驟39

2.5.3廣義對像的測試法建模39

思考題與習題245



3反饋控制48

3.1控制繫統的性能指標48

3.1.1以階躍響應曲線的特征參數作為性能指標48

3.1.2偏差積分性能指標50

3.2三種常規的反饋控制模式51

3.2.1比例控制51

3.2.2比例積分控制52

3.2.3比例積分微分控制55

3.3PID控制器的選取與整定56

3.3.1控制器的選型56

3.3.2PID參數整定57

3.3.3PID參數自整定60

3.4單回路反饋控制繫統的投運64

思考題與習題364



4前饋控制和比值控制65

4.1前饋控制繫統65

4.1.1前饋控制的基本原理65

4.1.2前饋控制繫統的特點67

4.2前饋控制繫統的結構形式67

4.2.1靜態前饋67

4.2.2動態前饋68

4.2.3前饋反饋控制69

4.2.4多變量前饋控制70

4.2.5用計算機實施前饋控制72

4.3比值控制繫統73

4.3.1定比值控制74

4.3.2變比值控制76

4.3.3比值控制的實施77

4.3.4比值控制繫統的設計與投運80

4.3.5比值控制繫統中的若干問題81

思考題與習題483



5其他典型控制繫統85

5.1串級控制繫統85

5.1.1串級控制的概念及方框圖描述85

5.1.2串級控制繫統分析86

5.1.3串級控制繫統設計87

5.1.4串級控制繫統舉例90

5.2均勻控制96

5.2.1均勻控制的由來96

5.2.2均勻控制的實現97

5.2.3均勻控制的控制器參數整定99

5.3選擇性控制繫統99

5.3.1用於設備軟保護的選擇性控制99

5.3.2其他選擇性控制繫統101

5.4分程控制繫統和閥位控制繫統103

5.4.1分程控制繫統103

5.4.2閥位控制繫統107

5.5非線性過程增益補償108

5.5.1非線性過程的特點108

5.5.2非線性增益補償方法111

5.5.3pH中和過程控制116

思考題與習題5122



6計算機控制繫統125

6.1計算機控制繫統概述125

6.2信號采集與處理127

6.2.1信號采集與變換127

6.2.2信號處理與數據濾波130

6.3數字PID控制算法133

6.3.1數字PID控制算式133

6.3.2數字PID改進算式134

6.3.3數字PID控制的實現137

6.4數字控制繫統舉例139

6.4.1DCS（Distributed Control System）概念139

6.4.2JX-300X繫統結構140

6.4.3JX-300X繫統軟件144

思考題與習題6146



7多回路控制繫統分析與設計147

7.1相對增益147

7.1.1相對增益的概念148

7.1.2相對增益矩陣的計算149

7.2耦合繫統的變量配對與控制參數整定151

7.2.1耦合繫統的變量配對151

7.2.2耦合多回路繫統的控制參數整定153

7.3多回路繫統的解耦設計157

7.3.1基於方塊圖的線性解耦器158

7.3.2基於過程機理的非線性解耦器163

思考題與習題7165



8基於模型的控制方法167

8.1史密斯預估控制167

8.1.1史密斯補償原理167

8.1.2史密斯預估器的幾種改進方案170

8.2內模控制171

8.2.1內模控制繫統的結構與性質171

8.2.2內模控制器的設計方法172

8.2.3改進型內模控制繫統173

8.3模型預測控制176

8.3.1模型預測控制的基本原理177

8.3.2SISO無約束動態矩陣控制178

8.3.3MIMO受約束動態矩陣控制181

8.3.4預測控制軟件包簡介183

8.4應用示範186

8.4.1Wood-Berry塔的預測控制仿真186

8.4.2工業應用實例187

思考題與習題8191



9過程控制繫統方案設計192

9.1概論192

9.2連續放熱反應釜的控制193

9.3處理廢水的氯化消毒處理198

9.4烴類廢氣收集罐的壓力控制201

思考題與習題9206



10傳熱設備的控制211

10.1傳熱設備的靜態與動態特性211

10.1.1熱量傳遞的三種方式211

10.1.2換熱設備的結構類型213

10.1.3換熱設備的靜態特性213

10.1.4換熱設備的動態特性215

10.2換熱設備的控制217

10.2.1換熱器的控制217

10.2.2蒸汽加熱器的控制218

10.2.3冷凝冷卻器的控制219

10.3加熱爐的控制220

10.3.1加熱爐的單回路控制方案221

10.3.2加熱爐的串級控制方案222

10.4鍋爐設備的控制225

10.4.1汽包水位的控制227

10.4.2燃燒繫統的控制232

10.4.3蒸汽過熱繫統的控制235

思考題與習題10235



11精餾塔的控制238

11.1精餾塔的控制目標238

11.1.1質量指標238

11.1.2產品產量和能量消耗239

11.2精餾塔的靜態特性和動態特性240

11.2.1精餾塔的靜態特性240

11.2.2精餾塔的動態模型242

11.3精餾塔質量指標的選取247

11.3.1靈敏板的溫度控制247

11.3.2溫差控制248

11.3.3雙溫差控制248

11.4精餾塔的常用控制方案249

11.4.1物料平衡控制251

11.4.2精餾段質量指標控制255

11.4.3提餾段質量指標控制261

11.4.4兩端質量指標控制263

11.5精餾塔的先進控制方案267

11.5.1內回流控制267

11.5.2產品質量的軟測量與推斷控制268

11.5.3精餾塔的節能控制270

思考題與習題11272



12化學反應過程控制274

12.1化學反應過程概述274

12.1.1化學反應器的類型274

12.1.2化學反應的基本規律276

12.2化學反應器的動態數學模型279

12.2.1基本動態方程式279

12.2.2反應器的熱穩定性280

12.3反應器的基本控制方案282

12.3.1概述282

12.3.2反應器的溫度控制283

12.3.3外圍條件的穩定控制286

12.4典型反應器的控制方案設計288

12.4.1聚合反應釜的控制288

12.4.2合成氨過程的控制291

思考題與習題12297



參考文獻298

第四版前言

過程工業涉及煉油、化工、制藥、環保等國民經濟支柱產業，過程控制工程為高等院校自動化及相關專業的核心專業課程，旨在培養學生從事過程控制繫統設計與工程實施能力。

作為自動化及相關專業高年級本科生或研究生的教材，本書已被國內許多高校選用。為適合各高校對教學內容的要求，對原書進行修訂改版。本次修訂，除對原書不妥之處進行勘誤外，考慮到原書第9章內容與過程控制不是很緊密，故刪除了該章節。

與此同時，原書在控制方案的綜合設計與定性分析方面略顯不足。對於復雜的實際工藝過程，如何設計簡單合理實用的控制方案成為工程應用中的一大難點，特別對於某些工藝過程尚不存在或對像特性難以獲取時，這種情況在自控設計院中經常踫到。為此，本次修訂第9章改為“過程控制繫統方案設計”，專門結合某些具體應用過程，詳細討論控制方案的設計思想與實現，並進行方案比較，以提高讀者對於自動化控制繫統的綜合設計能力。另外，該章習題列舉了多個工程應用實例，供讀者練習討論。

本次修訂由戴連奎、張建明和謝磊負責統編。在該書的編寫過程中，得到了各兄弟學校老師，特別是講授過程控制工程課程的老師和企業界從事過程控制工作的技術人員的大力支持和幫助，在此向他們表示深深的感謝。此外，也要感謝支持、幫助和關心我們編寫工作的浙江大學控制學院的老師與學生。同時，我們要感謝所有幫助此書編寫和出版的朋友!



編著者

2020年4月於浙大求是園





第三版前言

過程工業涉及煉油、化工、冶金、制藥等國民經濟支柱產業，過程控制繫統已成為保證現代企業安全、平穩、優化、環保低耗和高效益生產的主要技術手段。“過程控制工程”為自動化與相關專業的核心專業課程，旨在培養學生從事過程控制繫統設計與工程實施能力。

本書是在傳承王驥程教授主編的《化工過程控制工程》(第二版)、王樹青教授等人編著的《工業過程控制工程》與《過程控制工程》(第二版)的基礎上，結合作者幾十年來的教學和科研實踐經驗以及對過程控制問題的理解重新編寫而成的。本書可作為自動化及相關專業高年級本科生或碩士生的教材。

全書共分12章，第1章對過程控制工程的一些基本概念和知識進行概述；第2章介紹過程機理建模法和基於響應數據的經驗建模法；第3章重點介紹單回路反饋控制方法；第4章講述前饋控制和比值控制方法；第5章詳細介紹了過程工業中一些典型的控制方案，如串級控制、非線性增益補償控制、均勻控制、選擇控制、分程控制和閥位控制；第6章簡要介紹以DCS為主的計算機控制繫統；第7章討論多回路控制繫統的關聯分析與解耦設計；第8章講述幾種基於模型的先進控制算法，包括史密斯預估控制、內模控制、預測控制；第9章概述了間歇生產過程的控制問題；第10～12章分別介紹了過程工業中的傳熱設備、精餾塔與化學反應器的常用控制方案。

本書第1、7、10、11章由戴連奎編寫；第2～6章由於玲編寫；第8、12章由田學民編寫；第9章由謝磊編寫；王樹青教授對本書編寫提供了很多基礎材料；全書由戴連奎統稿。

本書結構緊湊，重點突出。針對過程工業的實際應用狀況，本書詳細分析了常用的反饋控制技術；在此基礎上，以若干典型過程設備為控制對像，全面地探討了控制問題的提出、控制方案的設計與控制繫統的實施等關鍵環節。與此同時，引入了大量的應用實例，並運用Matlab/SimuLink平臺進行了深入的數字仿真研究，顯著提升了本書的吸引力和易讀性，增強了高校學生對過程控制技術的感性認識。

為方便教學與自學，本書除提供完整的電子教案外，還提供了大量的仿真實驗模型。本書配套材料可免費提供給采用本書作為教材的相關院校使用。如有需要，請發電子郵件至cipedu@163.com索取。本書配套的實驗指導書《過程控制工程實驗》,書號978-7-122-16956-3,歡迎選用。

在該書的編寫過程中，得到了各兄弟學校老師，特別是教授過程控制課程的老師和企業界從事過程控制工作技術人員的大力支持和幫助，在此向他們表示深深的感謝。此外，也要感謝支持、幫助和關心我們編寫工作的浙江大學控制繫老師與學生。同時，我們要感謝所有幫助此書編寫和出版的朋友!



編著者

2012年7月於浙大求是園