本書為國家精品課程"過程控制與集散繫統”的配套教材。本書繫統地介紹了有關過程控制的理論與技術。全書共分11章，內容包括概述、過程控制繫統建模方法、過程控制繫統設計、PID調節原理、串級控制、特殊控制方法、補償控制、關聯分析與解耦控制、模糊控制、預測控制和先進控制。 本書從基本概念出發，深入淺出地闡述了過程控制繫統的本質與特點，同時配合大量的應用實例，力圖使學生掌握過程控制繫統分析、設計和優化的基本原理和方法。 本書可作為高等學校自動化類專業本科及研究生的教材，也可作為有關領域工程技術人員的參考書。

劉曉玉，武漢科技大學信息科學與工程學院，繫主任，副教授，主講《過程控制》課程，副主編，過程控制及其MATLAB實現（第2版。

第1章 概述 1
1．1 過程控制的任務 1
1．2 過程控制繫統的組成與特點 2
1．2．1 過程控制繫統組成 2
1．2．2 過程控制繫統特點 3
1．3 過程控制繫統的性能指標 4
1．4 過程控制的進展 6
1．4．1 過程控制裝置的進展 6
1．4．2 過程控制策略與算法的進展 8
1．4．3 對過程控制發展進程的總結
和思考 9
本章小結 10
習題 10
第2章 過程控制繫統建模方法 11
2．1 過程控制繫統建模概念 11
2．1．1 建模的概念 11
2．1．2 建模的意義 12
2．1．3 建模的基本方法 13
2．2 機理建模方法 14
2．2．1 單容對像的傳遞函數 15
2．2．2 其他典型工業過程對像的傳遞
函數 18
2．3 測試建模方法 19
2．3．1 對像特性的實驗測定方法 19
2．3．2 測定動態特性的時域法 20
2．3．3 最小二乘法 24
2．4 基於MATLAB的繫統建模 26
2．4．1 典型工業過程階躍響應的MATLAB
仿真 26
2．4．2 測試建模中MATLAB的應用 31
本章小結 36
習題 37
第3章 過程控制繫統設計 40
3．1 過程控制繫統設計的任務和步驟 40
3．2 確定控制變量與控制方案 41
3．2．1 確定控制目標 41
3．2．2 確定控制方案 42
3．2．3 確定安全保護措施 44
3．3 過程控制繫統的檢測和變送
裝置 44
3．3．1 檢測和變送的相關概念 44
3．3．2 溫度檢測儀表 45
3．3．3 流量檢測儀表 46
3．3．4 壓力檢測儀表 49
3．3．5 物位檢測儀表 50
3．3．6 檢測儀表的選型 50
3．4 過程控制繫統的執行機構 51
3．4．1 調節閥的結構 51
3．4．2 調節閥的作用方式 53
3．4．3 調節閥的靜態特性 54
3．4．4 調節閥的動態特性 56
3．4．5 調節閥的選型 60
3．5 過程控制繫統設計實例 61
本章小結 65
習題 65
第4章 PID調節原理 67
4．1 PID控制概述 67
4．2 比例調節（P調節） 68
4．2．1 比例調節的動作規律和比例帶 68
4．2．2 比例調節的特點―有差調節 69
4．2．3 比例帶對調節過程的影響 70
4．3 積分調節（Ⅰ調節） 71
4．3．1 積分調節規律和積分速度 71
4．3．2 積分調節的特點―無差調節 71
4．3．3 積分速度對於調節過程的影響 72
4．4 微分調節（D調節） 72
4．5 比例積分微分調節（PID調節） 73
4．5．1 比例積分（PI）調節 73
4．5．2 比例微分調節 76
4．5．3 比例積分微分調節規律及其基本
特征 77
4．6 數字PID控制 79
4．6．1 數字PID控制算法 79
4．6．2 改進的數字PID算法 80
4．7 PID調節器參數的工程整定 82
4．7．1 PID參數整定的基本原則 83
4．7．2 PID參數的工程整定方法 83
4．7．3 PID參數的自整定方法 88
4．7．4 數字PID參數的整定 89
4．8 智能PID控制方法 90
4．8．1 模糊PID控制 90
4．8．2 神經網絡PID控制 91
4．8．3 專家智能自整定PID控制 92
4．9 基於MATLAB的PID控制
仿真 92
4．9．1 P、I、D及其組合控制的仿真 92
4．9．2 抗積分飽和控制方法的仿真 95
4．9．3 改進的微分控制方法的仿真 97
4．9．4 PID參數工程整定的仿真 100
本章小結 103
習題 103
第5章 串級控制 106
5．1 串級控制繫統的基本原理 106
5．1．1 串級控制繫統的基本概念 106
5．1．2 串級控制繫統的組成 108
5．1．3 串級控制繫統的工作過程 108
5．2 串級控制繫統的特點 109
5．3 串級控制繫統的設計 113
5．3．1 主、副回路的設計方法 113
5．3．2 主、副控制器正、反作用方式的
確定 117
5．3．3 防止控制器積分飽和的措施 118
5．4 串級控制繫統的控制器參數
整定 120
5．5 串級控制繫統的應用實例 122
5．6 串級控制的MATLAB仿真 124
本章小結 126
習題 126
第6章 特殊控制方法 128
6．1 比值控制繫統 128
6．1．1 比值控制繫統的基本概念 128
6．1．2 比值控制繫統的分析 128
6．1．3 比值控制繫統設計 131
6．1．4 比值控制繫統的實施 132
6．1．5 比值控制繫統的整定 136
6．1．6 比值控制繫統中的若干問題 136
6．2 均勻控制繫統 138
6．2．1 均勻控制的概念 138
6．2．2 均勻控制繫統的結構形式 140
6．2．3 控制器的參數整定 142
6．3 分程控制繫統 143
6．3．1 基本概念 143
6．3．2 分程控制的應用 143
6．3．3 分程閥總流量特性的改善 146
6．4 選擇性控制繫統 148
6．4．1 基本概念 148
6．4．2 選擇性控制繫統的類型及應用 148
6．4．3 選擇性控制繫統的設計 151
6．4．4 積分飽和及其防止措施 151
6．5 閥位控制繫統 152
6．5．1 基本概念 152
6．5．2 閥位控制繫統的應用 153
6．5．3 閥位控制繫統的設計與整定 154
6．6 特殊控制的MATLAB仿真 155
6．6．1 比值控制的MATLAB仿真 155
6．6．2 均勻控制的MATLAB仿真 158
本章小結 161
習題 161
第7章 補償控制 163
7．1 補償控制的基本原理與結構 163
7．2 前饋控制繫統 164
7．2．1 前饋控制繫統的概念 164
7．2．2 前饋控制繫統的基本結構 165
7．3 大遲延過程繫統 168
7．3．1 Smith預估器 168
7．3．2 大林（Dahlin）算法 171
7．4 補償控制的MATLAB仿真 176
7．4．1 前饋控制仿真 176
7．4．2 Smith預估補償控制仿真 178
本章小結 180
習題 180
第8章 關聯分析與解耦控制 182
8．1 控制回路間的關聯 182
8．1．1 控制回路間的耦合 182
8．1．2 被控對像的典型耦合結構 183
8．1．3 耦合程度分析方法 184
8．2 相對增益矩陣 185
8．2．1 相對增益矩陣的定義 185
8．2．2 相對增益的計算 185
8．2．3 第二放大繫數qij的直接計算法 186
8．2．4 相對增益矩陣的特性 187
8．3 減少及消除耦合的方法 189
8．4 解耦控制繫統設計 190
8．4．1 前饋補償解耦法 190
8．4．2 反饋解耦法 192
8．4．3 對角陣解耦法 192
8．4．4 單位陣解耦法 194
8．4 關聯分析與解耦控制的
MATLAB仿真 195
本章小結 199
習題 199
第9章 模糊控制 201
9．1 概述 201
9．2 模糊集合的基本概念 202
9．2．1 模糊集合 202
9．2．2 模糊集的基本運算 203
9．3 模糊關繫 205
9．3．1 普通關繫 205
9．3．2 模糊關繫 206
9．3．3 模糊變換 208
9．3．4 模糊決策 208
9．4 模糊推理 209
9．4．1 模糊邏輯 209
9．4．2 模糊語言算子 209
9．4．3 模糊推理 211
9．5 模糊控制器原理及設計 213
9．5．1 模糊控制繫統的組成 213
9．5．2 模糊控制原理 213
9．5．3 模糊控制繫統設計 214
9．6 工業電阻爐溫度模糊控制繫統 224
9．6．1 繫統簡介 224
9．6．2 電阻爐溫度模糊控制器設計 224
9．6．3 控制效果 227
9．7 浮選過程模糊控制繫統 227
9．7．1 浮選工藝過程 227
9．7．2 浮選過程模糊控制器設計 228
9．7．3 控制效果 230
9．8 模糊控制的MATLAB仿真 231
本章小結 233
習題 234
第10章 預測控制 235
10．1 模型預測控制的基本原理 235
10．2 動態矩陣控制 236
10．2．1 預測模型 236
10．2．2 滾動優化 237
10．2．3 反饋校正 238
10．2．4 算法實現 240
10．2．5 參數選擇 241
10．2．6 DMC的主要特征和優點 242
10．3 模型算法控制 243
10．3．1 具有簡易性能指標的MAC
算法 243
10．3．2 具有一般性能指標的MAC
算法 246
10．3．3 算法實現 248
10．3．4 MAC的主要特征和優點 249
10．4 廣義預測控制算法 250
10．4．1 廣義預測控制基本理論 250
10．4．2 基於Toeplitz預測方程的廣義
預測控制算法 256
10．5 基於MATLAB的預測控制
仿真 259
10．5．1 動態矩陣控制（DMC）仿真 259
10．5．2 廣義預測控制（GPC）仿真 261
本章小結 264
習題 265
第11章 先進控制 266
11．1 自適應控制 266
11．1．1 自適應控制概述 266
11．1．2 模型參考自適應控制 267
11．1．3 自校正控制 269
11．2 智能控制 276
11．2．1 智能控制基礎 276
11．2．2 智能控制的理論結構 277
11．2．3 遞階控制 278
11．2．4 基於知識的專家控制 280
11．2．5 仿人智能控制 281
11．2．6 神經控制 284
11．3 魯棒控制 288
11．3．1 基本概念 288
11．3．2 H∞優化與魯棒控制 289
11．3．3 標準H∞控制 290
11．3．4 H∞控制的求解 291
本章小結 294
習題 294
附錄A 工藝流程圖中的儀表圖例
符號 295
參考文獻 296

本書為國家精品課程“過程控制與集散繫統”的配套教材。

本書第1版於2009年1月出版，書名為《過程控制與集散繫統》，第2版於2013年9月出版，書名變更為《過程控制及其MATLAB實現》。

第3版在保持本書原有特色的基礎上，主要做了以下幾方面的調整和更新：將MATLAB仿真融入每章中；第1章增加對過程控制發展進程的總結和思考；精簡第2章內容，突出機理建模基本方法及測試建模的時域法、最小二乘法；重寫第3章，通過實例講解過程控制繫統設計方法，從產品選型需求出發總結各類過程參量檢測儀表原理，介紹執行機構原理和特點；第4章增加對PID參數經驗試湊法的解釋；刪掉第12、13章。

本書主要有以下幾個方面的特色：

（1）突出工程教育理念。以使學生樹立工程思想、掌握工程概念、具備工程思維為產出結果，通過大量工程實例引發學生對各種工業生產過程中復雜工程問題的認知，使其從中發現相關控制問題，學會依據控制理論、結合實際工程需求和客觀條件分析工程問題、解決工程問題。

（2）注意理論和應用相結合。將控制理論的概念和方法嵌入到過程控制工程應用背景下，通過整合、協調理論和應用的教學內容，采用澄清、總結歸納和啟發等教學方法，力求使學生控制概念清晰、理論基礎扎實、實踐應用能力強，且能舉一反三。

（3）加強過程控制MATLAB仿真。直接將MATLAB仿真與過程控制繫統數學建模、PID調節、串級控制、各種復雜控制和先進控制等內容相結合。仿真實例有驗證、設計、分析等類型，是對相關教學內容的有力驗證和補充解釋，可豐富教師的教學手段，可加深學生對過程控制相關理論的認知和理解，加強過程控制繫統設計和分析能力。仿真實例也可作為學生實驗及課程設計的素材。

本書參考學時為32學時，必修章節為前8章；若作為研究生教學用書，可增加第9～11章的教學內容。相關教學資源可登錄國家精品課程網站http://202.114.240.202/C1/zcr-1.htm獲取。

參加第3版編寫工作的有：劉曉玉（第1、2、3、4章）、黃衛華（第5章）、孫靈芳（第6章）、吳懷宇（第7、8章）、方康玲（第9章）、劉斌（第10、11章）。由劉曉玉任主編，吳懷宇、劉斌、方康玲、黃衛華任副主編。

由於編者水平有限，不足之處在所難免，希望讀者不吝指正（liuxiaoyu@wust.edu.cn）。