本書繫統地論述了過程控制繫統的發展、組成、分類、性能指標，被控過程的數學模型及其獲取方法，單回路控制繫統的基本概念，串級控制繫統的結構組成、工作原理，串級控制繫統的方案設計，補償控制原理和前饋控制的幾種結構形式，大純滯後生產過程的概念，常規控制方案的實現，預估補償控制方案的設計與實現，比值控制繫統、均勻控制繫統、分程控制繫統、選擇性控制繫統的基本概念，繫統設計與實現和參數整定，多變量解耦控制繫統，計算機過程控制繫統的組成與類型，直接數字控制繫統的基本概念及組成、數字式PID控制算法及數字式PID的參數整定、先進控制策略的介紹，以及順序控制繫統、及生產過程的控制等多方面的內容。

李國勇，太原理工大學教授，山西省電機工程協會會員、山西省自動化協會會員，主要授課課程：自動控制原理、現代控制理論基礎、過程控制繫統、繫統仿真及機輔分析、可編程控制器編程與應用、最優控制理論、人工智能及其應用、基於MATLAB的智能控制繫統的分析與設計。

目 錄
第1章 概述 （1）
1．1 過程控制的要求與任務 （1）
1．2 過程控制繫統的組成與特點 （3）
1．2．1 過程控制繫統的組成 （3）
1．2．2 過程控制繫統特點 （5）
1．3 過程控制繫統的性能指標 （6）
1．3．1 單項性能指標 （7）
1．3．2 綜合性能指標 （7）
1．4 過程控制繫統的設計 （8）
1．4．1 確定繫統變量 （9）
1．4．2 確定控制方案 （10）
1．4．3 過程控制繫統硬件選擇 （10）
1．4．4 設計安全保護繫統 （11）
1．4．5 繫統調試和投運 （11）
1．5 過程控制的發展與趨勢 （12）
1．5．1 過程控制裝置的進展 （12）
1．5．2 過程控制策略的進展 （15）
本章小結 （15）
習題 （16）
第2章 被控過程的數學模型 （17）
2．1 過程模型概述 （17）
2．1．1 被控過程的動態特性 （17）
2．1．2 數學模型的表達形式與要求 （20）
2．1．3 建立過程數學模型的基本方法 （23）
2．2 機理法建模 （24）
2．2．1 單容對像的傳遞函數 （24）
2．2．2 多容對像的傳遞函數 （29）
2．3 測試法建模 （32）
2．3．1 對像特性的實驗測定方法 （32）
2．3．2 測定動態特性的時域法 （33）
2．3．3 測定動態特性的頻域法 （40）
2．4 利用MATLAB建立過程模型 （42）
本章小結 （48）
習題 （48）
第3章 執行器 （50）
3．1 氣動調節閥的結構 （50）
3．1．1 氣動執行機構 （50）
3．1．2 閥 （51）
3．1．3 閥門定位器 （52）
3．2 調節閥的流量繫數 （53）
3．2．1 調節閥的流量方程 （53）
3．2．2 流量繫數的定義 （54）
3．2．3 流量繫數計算 （55）
3．3 調節閥結構特性和流量特性 （59）
3．3．1 調節閥的結構特性 （60）
3．3．2 調節閥的流量特性 （62）
3．3．3 調節閥的可調比 （66）
3．4 氣動調節閥的選型 （68）
3．4．1 調節閥結構形式的選擇 （69）
3．4．2 調節閥氣開與氣關形式的選擇 （69）
3．4．3 調節閥流量特性的選擇 （70）
3．4．4 調節閥口徑的確定 （71）
3．5 利用MATLAB確定調節閥的口徑 （78）
本章小結 （84）
習題 （84）
第4章 PID控制原理 （86）
4．1 PID控制的特點 （86）
4．2 比例控制（P控制） （87）
4．2．1 比例控制的調節規律和比例帶 （87）
4．2．2 比例控制的特點 （88）
4．2．3 比例帶對控制過程的影響 （90）
4．3 比例積分控制（PI控制） （92）
4．3．1 積分控制的調節規律 （92）
4．3．2 比例積分控制的調節規律 （94）
4．3．3 積分飽和現像與抗積分飽和的措施 （95）
4．4 比例積分微分控制（PID控制） （97）
4．4．1 微分控制的調節規律 （97）
4．4．2 比例微分控制的調節規律 （97）
4．4．3 比例微分控制的特點 （98）
4．4．4 比例積分微分控制的調節規律 （99）
4．5 數字PID控制 （100）
4．5．1 基本的數字PID控制算法 （101）
4．5．2 改進的數字PID控制算法 （102）
4．6 利用MATLAB實現PID控制規律 （104）
本章小結 （108）
習題 （109）
第5章 簡單控制繫統 （110）
5．1 簡單控制繫統的分析 （110）
5．1．1 控制繫統的工作過程 （110）
5．1．2 簡單控制繫統的組成 （111）
5．1．3 簡單離散控制繫統的組成 （113）
5．2 簡單控制繫統的設計 （114）
5．2．1 被控變量和操作變量的選擇 （114）
5．2．2 檢測變送儀表的選擇 （117）
5．2．3 控制器的選型 （119）
5．3 簡單控制繫統的整定 （123）
5．3．1 控制器參數整定的基本要求 （124）
5．3．2 PID控制器參數的工程整定 （125）
5．3．3 PID控制器參數的自整定 （133）
5．4 簡單控制繫統的投運 （135）
5．5 簡單控制繫統的故障與處理 （137）
5．6 利用MATLAB對簡單控制繫統進行仿真 （139）
5．6．1 利用MATLAB對PID控制器參數進行整定 （139）
5．6．2 利用Simulink對PID控制器參數進行自整定 （142）
本章小結 （146）
習題 （146）
第6章 串級控制繫統 （148）
6．1 串級控制繫統的基本概念 （148）
6．1．1 串級控制的提出 （148）
6．1．2 串級控制繫統的組成 （151）
6．1．3 串級控制繫統的工作過程 （151）
6．2 串級控制繫統的分析 （153）
6．2．1 增強繫統的抗干擾能力 （153）
6．2．2 改善對像的動態特性 （155）
6．2．3 對負荷變化有一定的自適應能力 （157）
6．3 串級控制繫統的設計 （157）
6．3．1 副回路的選擇 （158）
6．3．2 主、副回路工作頻率的選擇 （159）
6．3．3 主、副控制器的選型 （162）
6．4 串級控制繫統的整定 （164）
6．4．1 逐步逼近法 （165）
6．4．2 兩步整定法 （165）
6．4．3 一步整定法 （166）
6．5 串級控制繫統的投運 （167）
6．6 利用MATLAB對串級控制繫統進行仿真 （167）
本章小結 （173）
習題 （173）
第7章 補償控制繫統 （174）
7．1 補償控制的原理 （174）
7．2 前饋控制繫統 （175）
7．2．1 前饋控制的概念 （175）
7．2．2 前饋控制繫統的結構 （176）
7．2．3 前饋控制繫統的設計 （182）
7．2．4 前饋控制繫統的整定 （186）
7．3 大遲延控制繫統 （189）
7．3．1 大遲延繫統的概述 （189）
7．3．2 大遲延控制繫統的設計 （189）
7．4 利用MATLAB對補償控制繫統進行仿真 （194）
本章小結 （197）
習題 （198）
第8章 特殊控制繫統 （199）
8．1 比值控制繫統 （199）
8．1．1 比值控制的概念 （199）
8．1．2 比值控制繫統的類型 （200）
8．1．3 比值控制繫統的設計 （204）
8．1．4 控制器的選型和整定 （211）
8．2 均勻控制繫統 （213）
8．2．1 均勻控制的概念 （213）
8．2．2 均勻控制繫統的設計 （214）
8．2．3 均勻控制繫統的整定 （217）
8．3 分程控制繫統 （218）
8．3．1 分程控制的概念 （218）
8．3．2 分程控制繫統的應用 （219）
8．3．3 分程控制繫統的實施 （222）
8．4 自動選擇性控制繫統 （225）
8．4．1 自動選擇性控制的概念 （225）
8．4．2 自動選擇性控制繫統的類型 （225）
8．4．3 控制器的選型和整定 （228）
8．5 順序控制繫統 （230）
8．5．1 順序控制的概念 （230）
8．5．2 順序控制組成 （230）
8．3．3 順序控制的表示及設計方法 （231）
8．6 利用MATLAB對特殊控制繫統進行仿真 （234）
本章小結 （238）
習題 （238）
第9章 解耦控制繫統 （240）
9．1 解耦控制的基本概念 （240）
9．1．1 控制回路間的耦合 （240）
9．1．2 被控對像的典型耦合結構 （241）
9．2 解耦控制繫統的分析 （242）
9．2．1 耦合程度的分析 （242）
9．2．2 相對增益分析法 （243）
9．2．3 減少及消除耦合的方法 （249）
9．3 解耦控制繫統的設計 （251）
9．3．1 前饋補償解耦法 （251）
9．3．2 反饋解耦法 （254）
9．3．3 對角陣解耦法 （255）
9．3．4 單位陣解耦法 （256）
9．4 解耦控制繫統的實施 （257）
9．4．1 解耦控制繫統的穩定性 （257）
9．4．2 多變量控制繫統的部分解耦 （258）
9．4．3 解耦控制繫統的簡化 （258）
9．5 利用MATLAB對解耦控制繫統進行仿真 （259）
本章小結 （263）
習題 （264）
第10章 計算機過程控制繫統 （266）
10．1 計算機過程控制繫統簡介 （266）
10．2 計算機過程控制繫統的組成 （267）
10．3 計算機過程控制繫統的類型 （268）
10．4 先進過程控制方法 （273）
本章小結 （277）
習題 （277）
第11章 電廠鍋爐設備的控制 （278）
11．1 火力發電廠工藝流程 （278）
11．2 鍋爐給水控制繫統 （279）
11．2．1 概述 （279）
11．2．2 給水繫統的主被調參數、調節參數及控制方式 （280）
11．2．3 給水繫統的對像特性 （281）
11．2．4 給水繫統的控制方案 （283）
11．3 鍋爐主蒸汽溫度控制 （285）
11．3．1 概述 （285）
11．3．2 氣溫控制的被調參數和調節參數及對像特性 （285）
11．3．3 過熱汽溫控制基本方案 （287）
11．4 鍋爐燃燒控制繫統 （290）
11．4．1 燃燒控制的任務 （290）
11．4．2 燃燒繫統的被調參數及控制參數 （291）
11．4．3 燃燒繫統對像的動態特性 （291）
11．4．4 燃燒繫統的控制方案 （293）
附錄A 儀表位號 （297）
參考文獻 （299）

前言

本書自2009年5月初版和2013年1月再版以來，得到了廣大讀者的關心和支持，被國內多所大學選為教材。這次修訂在保持前兩版繫統、實用、易讀的特點和基本框架的基礎上，修改了個別章節的內容，還增加了火力發電廠鍋爐設備的控制。同時新的版本也符合自動化專業培養目標、反映自動化專業教育改革方向、滿足自動化專業教學需要和多學科交叉背景學生的教學需求。

本書將當前在工業生產過程中廣泛應用或應用較為成熟的常規控制繫統和控制方案作為重點，進行了全面繫統的闡述；而對於計算機過程控制繫統和先進控制方法，在本書中僅進行了簡單介紹。因為，隨著生產過程控制技術的迅速發展，它們已各成體繫，大多數的高等院校也已就計算機控制繫統和先進控制理論等內容開設了相應的課程。

本書繫統地論述了如下內容：（1）過程控制繫統的要求、組成、性能指標和發展。（2）被控工業過程的數學模型及其獲取方法，包括對像數學模型動態特性的基本描述形式及獲取方法。（3）執行器的種類、選型和計算。（4）PID控制器控制規律的原理、分析與選型，包括模擬PID控制器和數字PID控制器的選型和參數整定。（5）簡單控制繫統的基本概念、分析和設計，包括被控變量與控制變量的選擇，控制器和測量變送器的選型，控制器參數整定的常用方法與控制繫統投運。（6）串級控制繫統的結構組成、工作原理和方案設計，包括主、副被控變量和操作變量的選擇、主回路和副回路的設計及主控制器和副控制器的選擇，常用的串級控制繫統的參數整定方法。（7）補償控制繫統的原理和前饋控制的幾種結構形式，包括靜態前饋控制、動態前饋控制、復合前饋控制等各種前饋控制繫統的設計，前饋補償器的設計與實現，常用的工程整定方法；以及大遲延生產過程的概念，常規儀表控制方案的實現，補償控制方案的設計與實現。（8）比值控制繫統、均勻控制繫統、分程控制繫統、選擇性控制繫統的基本概念，繫統設計與實現和參數整定。（9）解耦控制繫統，包括多變量繫統的分析（相對增益的概念與計算、耦合繫統中的變量匹配）、控制器參數整定和常用的解耦控制繫統設計方法等。（10）計算機過程控制繫統的組成與類型和常用先進控制策略的簡單介紹。（11）火力發電廠鍋爐設備的控制。

本書取材先進實用，講解深入淺出，各章均有用MATLAB/Simulink編寫的仿真及應用實例，強調了理論與實際相結合。

本書由李國勇、何小剛和楊麗娟任主編，衛明社和王芳任副主編。全書共包含11章，其中第1章由任密蜂編寫；第2章和第11章由何小剛編寫；第3～5章由李國勇編寫；第6章由衛明社編寫；第7章由陳明文編寫；第8章由楊麗娟編寫；第9章由王芳編寫；第10章由魏峰編寫。閻高偉教授主審了全書，並提出了許多寶貴的意見和建議，在此深表謝意。此外，還要感謝電子工業出版社編輯牛平月女士為本書的出版所付出的辛勤工作。

本教材適用學時數為40～56（2.5～3.5學分），章節編排具有相對獨立性，使教師與學生便於取舍，也便於不同層次院校的不同專業選用，以適應不同教學學時的需要。

本書提供配套的電子課件，可登錄華信教育資源網：www.hxedu.com.cn，注冊後免費下載。

由於編者水平有限，錯誤和不妥之處在所難免，敬請讀者指正。

編 者