21世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材：《过程控制与自动化仪表》PDF电子书（共六章，附各章思考题与习题）

21世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材 过程控制与自动化仪表 主编张井岗 副主编许建平佟威刘红丽 参编王海稳邵雪卷 北大淳出版社 PEKING UNIVERSITY PRESS

21 世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材 过程控制与自动化仪表 主 编 张井岗 孙红雨 段 锦 副主编 许建平 佟 威 刘红丽 郑洪江 参 编 王海稳 邵雪卷 审 曹茂 参 编 胡军安 参参

前言 本书是北京大学出版社《21世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材》之一,经过 205年5月在西安召开的组稿会和2005年8月在长春工业大学召开的审稿会研讨,最终 确定了参与编写的单位和编写大纲。 过程控制与自动化仪表是一门与工业生产过程联系十分密切的课程。伴随着现代科技 进步,过程控制技术得到了迅速发展,出现了很多先进的自动化成套设备及装置,例如集 散控制系统(DCS)、现场总线(FB)、可编程逻辑器件(PLC等,生产过程控制逐渐由常规仪 表控制向计算机控制发展,常规PID控制向先进过程控制(APC优化控制发展,生产过程 自动化水平迅速从局部自动化向综合自动化发展。本书第1章绪论主要讲述过程控制系统 的特点、组成及分类。第2章简单控制系统介绍了过程控制系统的典型结构,过渡过程的 基本形式、品质指标及对象特性,调节器基本控制规律及单回路控制系统的设计。第3章 检测与控制仪表介绍了过程参数和单元组合仪表。第4章复杂控制系统介绍了串级、均匀、 比值、前馈、分程和选择性控制系统等各种复杂系统的特性、设计方法以及参数整定方法 等。第5章先进控制系统介绍了解耦控制、内模控制、预测控制、软测量、推断控制及稳 态优化控制。第6章过程控制系统的应用实例,对精馏塔控制系统、锅炉控制系统、传热 设备控制系统、化学反应器的控制、生化过程的控制和冶金过程的控制进行了分析和讨论。 本书在内容上既介绍了典型的传统控制方法和装置,以使学生建立基本的概念,使知 识能渐进衔接;同时又介绍了新技术、新方法,使知识结构适应现代科学技术发展和生产 的需要。本课程的工程实践性强,因此本书在编写过程中特别注重学生能力的培养和知识 的应用。在编写时专门开设第6章“过程控制系统的应用实例”。在本书的教学中配以相 应的实验,力求理论和实践的密切结合。本书每章附有与内容相关的思考题与习题,以帮 助学生消化和巩固上课学习的内容 本书由太原科技大学张井岗教授主编,编写了第1章并同时审阅了全书,第2章由西 安建筑科技大学佟威老师编写,第3章由武汉理工大学刘红丽老师编写,第4章由吉林工 程技术师范学院许建平老师编写,第5章由太原科技大学王海稳老师编写,第6章由太原 科技大学邵雪卷老师编写。江南大学的杨慧中教授对本书早期的组稿和大纲的制定做了大 量的工作,在此表示衷心的感谢! 尽管全体编者都尽了很大努力,但由于水平有限,疏漏之处在所难免,在此恳请广大 专家和读者给予批评和指正。 编者 2007年6月

前 言 本书是北京大学出版社《21世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材》之一，经过 2005 年 5 月在西安召开的组稿会和 2005 年 8 月在长春工业大学召开的审稿会研讨，最终 确定了参与编写的单位和编写大纲。 过程控制与自动化仪表是一门与工业生产过程联系十分密切的课程。伴随着现代科技 进步，过程控制技术得到了迅速发展，出现了很多先进的自动化成套设备及装置，例如集 散控制系统(DCS)、现场总线(FB)、可编程逻辑器件(PLC)等，生产过程控制逐渐由常规仪 表控制向计算机控制发展，常规 PID 控制向先进过程控制(APC)优化控制发展，生产过程 自动化水平迅速从局部自动化向综合自动化发展。本书第 1 章绪论主要讲述过程控制系统 的特点、组成及分类。第 2 章简单控制系统介绍了过程控制系统的典型结构，过渡过程的 基本形式、品质指标及对象特性，调节器基本控制规律及单回路控制系统的设计。第 3 章 检测与控制仪表介绍了过程参数和单元组合仪表。第 4 章复杂控制系统介绍了串级、均匀、 比值、前馈、分程和选择性控制系统等各种复杂系统的特性、设计方法以及参数整定方法 等。第 5 章先进控制系统介绍了解耦控制、内模控制、预测控制、软测量、推断控制及稳 态优化控制。第 6 章过程控制系统的应用实例，对精馏塔控制系统、锅炉控制系统、传热 设备控制系统、化学反应器的控制、生化过程的控制和冶金过程的控制进行了分析和讨论。 本书在内容上既介绍了典型的传统控制方法和装置，以使学生建立基本的概念，使知 识能渐进衔接；同时又介绍了新技术、新方法，使知识结构适应现代科学技术发展和生产 的需要。本课程的工程实践性强，因此本书在编写过程中特别注重学生能力的培养和知识 的应用。在编写时专门开设第 6 章“过程控制系统的应用实例”。在本书的教学中配以相 应的实验，力求理论和实践的密切结合。本书每章附有与内容相关的思考题与习题，以帮 助学生消化和巩固上课学习的内容。 本书由太原科技大学张井岗教授主编，编写了第 1 章并同时审阅了全书，第 2 章由西 安建筑科技大学佟威老师编写，第 3 章由武汉理工大学刘红丽老师编写，第 4 章由吉林工 程技术师范学院许建平老师编写，第 5 章由太原科技大学王海稳老师编写，第 6 章由太原 科技大学邵雪卷老师编写。江南大学的杨慧中教授对本书早期的组稿和大纲的制定做了大 量的工作，在此表示衷心的感谢！ 尽管全体编者都尽了很大努力，但由于水平有限，疏漏之处在所难免，在此恳请广大 专家和读者给予批评和指正。 编 者 2007 年 6 月

目录 第1章绪论… 第3章检测与控制仪表 1过程控制概述 3.1概述 12当前控制系统的发展的趋势. 3.1.1测量误差 13过程控制系统的组成及分类 3.12仪表的主要性能指标 1.3.1过程控制系统的组成 3.1.3仪表防爆的基本知识 13.2过程控制系统的分类 3.2过程参数检测 14过程控制的要求 3.21温度测量 思考题与习题 3.22压力的检测 第2章简单控制系统 10 3.23流量的检 2.1典型结构和控制指标 3.24液位检测仪表… 2.1.1典型结构 3.25成分分析仪表 3.3单元组合仪表 2.1.2过渡过程的基本形式 2.1.3控制指标 3477 33.1单元组合仪表的信号传输 22过程动态特性与建模 方式及信号制 221过程特性的基本类型 332变送单元 222过程建模 3.3.3控制器单元 22.3对象各环节特性对控制 334执行单元 品质的 思考题与习题 23控制器基本控制规律 35第4章复杂控制系统……218 2.3.IPD控制算法 41串级控制系统 2.3.2离散PID控制算法 4.1.1串级控制系统的 24单回路控制系统的设计 原理和结构 24.1检测信号的获取 4.1.2串级控制系统的特点分析…20 与处理加工 57 4.1.3串级控制系统的设计 242执行器的若干问题 4.14串级控制系统的投运和 2.4.3系统被控变量的选择 参数整定 244操纵变量的选择. 4.1.5串级控制系统的 24.5控制器参数整定 工业应用 思考题与习题 42均匀控制系统

目 录 第 1 章 绪论....................................................... 1 1.1 过程控制概述 ........................................ 1 1.2 当前控制系统的发展的趋势................. 3 1.3 过程控制系统的组成及分类................. 5 1.3.1 过程控制系统的组成................. 5 1.3.2 过程控制系统的分类................. 7 1.4 过程控制的要求 .................................... 8 思考题与习题 ................................................. 9 第 2 章 简单控制系统.................................. 10 2.1 典型结构和控制指标........................... 10 2.1.1 典型结构 .................................. 10 2.1.2 过渡过程的基本形式............... 13 2.1.3 控制指标 .................................. 14 2.2 过程动态特性与建模........................... 17 2.2.1 过程特性的基本类型............... 17 2.2.2 过程建模 .................................. 20 2.2.3 对象各环节特性对控制 品质的影响 .............................. 33 2.3 控制器基本控制规律........................... 35 2.3.1 PID 控制算法........................... 35 2.3.2 离散 PID 控制算法 .................. 45 2.4 单回路控制系统的设计....................... 57 2.4.1 检测信号的获取 与处理加工 .............................. 57 2.4.2 执行器的若干问题................... 61 2.4.3 系统被控变量的选择............... 72 2.4.4 操纵变量的选择....................... 73 2.4.5 控制器参数整定....................... 73 思考题与习题 ............................................... 79 第 3 章 检测与控制仪表.............................. 81 3.1 概述 ...................................................... 82 3.1.1 测量误差................................... 82 3.1.2 仪表的主要性能指标............... 83 3.1.3 仪表防爆的基本知识............... 86 3.2 过程参数检测....................................... 87 3.2.1 温度测量................................... 88 3.2.2 压力的检测............................. 107 3.2.3 流量的检测............................. 114 3.2.4 液位检测仪表......................... 125 3.2.5 成分分析仪表......................... 132 3.3 单元组合仪表..................................... 140 3.3.1 单元组合仪表的信号传输 方式及信号制......................... 141 3.3.2 变送单元................................. 146 3.3.3 控制器单元............................. 167 3.3.4 执行单元................................. 191 思考题与习题 ............................................. 217 第 4 章 复杂控制系统 ................................ 218 4.1 串级控制系统..................................... 218 4.1.1 串级控制系统的 原理和结构............................. 218 4.1.2 串级控制系统的特点分析..... 220 4.1.3 串级控制系统的设计............. 223 4.1.4 串级控制系统的投运和 参数整定................................. 225 4.1.5 串级控制系统的 工业应用................................. 226 4.2 均匀控制系统..................................... 228

过程控制与自动化仪表 42.1基本原理与结构 .228 5.14解耦控制系统实现中 42.2控制器参数整定 的问题 42.3需要说明的几个问题 5.2纯滞后补偿和内模控制 4.3比值控制系统. 521 Smithe(史密斯)预估 4.3.1基本原理和结构 补偿控制 4.3.2比值系数的确定 522内模控制 43.3比值控制系统的设计及设计 523内模控制的应用 293 中的有关问题 237 5.3预测控制系统 4.34比值控制系统的 5.31预测控制的发展 其他问题 238 5.32预测控制的原理 4.3.5工业应用举例 .238 53.3预测控制的良好性质31 44前馈控制系统 534实施预测控制系统时 44.1前馈控制系统的基本概念239 的注意问题 44.2前馈控制系统的几种 5.3.5预测控制系统的稳定性和 主要结构形式 稳健性 44.3前馈控制的选用与稳定性….246 536预测控制软件包的 444前馈控制系统的工程整定….247 发展历程 44.5前馈控制系统的工业应用.249 5.37预测控制的应用概况 45分程控制系统 538预测控制发展方向……1310 4.5.1分程控制基本原理与 54软测量和推断控制系统.… 系统结构 54.1软测量技术的产生 311 4.5,2分程控制系统设计和实施中 542软测量方法的研究现状…311 的一些问题 543软测量技术的基本过程…311 4.5.3分程控制系统的 544软测量模型的建立 工业应用示例 55 54.5软测量模型的在线校正 46选择性控制系统 257 546软测量技术工业应用 46.1选择性控制系统 547软测量技术研究的方向 原理和结构…25 548推断控制 4.62选择性控制系统设计和 5.5稳态优化控制系统 实施中的一些问题 5.5.1基于传统模型的 46.3选择性控制工业应用举例261 稳态优化方法 思考题与习题 5.52基于非传统模型的 第5章先进控制系统 268 稳态优化方法…… 思考题与习题 5.1系统关联与解耦控制 51.1系统耦合及对控制过程 第6章过程控制系统的应用实例 的影响 6.1精馏塔的控制 5.1.2相对增益 6.1.1精馏原理 5.1.3解耦控制设计方法 6.12精馏塔的控制要求

·VI· 过程控制与自动化仪表 ·VI· 4.2.1 基本原理与结构......................228 4.2.2 控制器参数整定......................232 4.2.3 需要说明的几个问题..............233 4.3 比值控制系统 .....................................233 4.3.1 基本原理和结构......................233 4.3.2 比值系数的确定......................237 4.3.3 比值控制系统的设计及设计 中的有关问题..........................237 4.3.4 比值控制系统的 其他问题 .................................238 4.3.5 工业应用举例..........................238 4.4 前馈控制系统 .....................................239 4.4.1 前馈控制系统的基本概念......239 4.4.2 前馈控制系统的几种 主要结构形式..........................242 4.4.3 前馈控制的选用与稳定性......246 4.4.4 前馈控制系统的工程整定......247 4.4.5 前馈控制系统的工业应用......249 4.5 分程控制系统 .....................................252 4.5.1 分程控制基本原理与 系统结构 .................................252 4.5.2 分程控制系统设计和实施中 的一些问题 .............................254 4.5.3 分程控制系统的 工业应用示例..........................255 4.6 选择性控制系统 .................................257 4.6.1 选择性控制系统 原理和结构 .............................257 4.6.2 选择性控制系统设计和 实施中的一些问题..................259 4.6.3 选择性控制工业应用举例......261 思考题与习题 ..............................................261 第 5 章 先进控制系统.................................268 5.1 系统关联与解耦控制.........................269 5.1.1 系统耦合及对控制过程 的影响 .....................................269 5.1.2 相对增益 .................................271 5.1.3 解耦控制设计方法..................276 5.1.4 解耦控制系统实现中 的问题..................................... 283 5.2 纯滞后补偿和内模控制.................... 285 5.2.1 Smith(史密斯)预估 补偿控制................................. 286 5.2.2 内模控制................................. 290 5.2.3 内模控制的应用..................... 293 5.3 预测控制系统..................................... 295 5.3.1 预测控制的发展..................... 295 5.3.2 预测控制的原理..................... 296 5.3.3 预测控制的良好性质............. 301 5.3.4 实施预测控制系统时 的注意问题............................. 301 5.3.5 预测控制系统的稳定性和 稳健性..................................... 302 5.3.6 预测控制软件包的 发展历程................................. 303 5.3.7 预测控制的应用概况............. 308 5.3.8 预测控制发展方向................. 310 5.4 软测量和推断控制系统..................... 310 5.4.1 软测量技术的产生................. 311 5.4.2 软测量方法的研究现状......... 311 5.4.3 软测量技术的基本过程......... 311 5.4.4 软测量模型的建立................. 313 5.4.5 软测量模型的在线校正......... 318 5.4.6 软测量技术工业应用............. 318 5.4.7 软测量技术研究的方向......... 319 5.4.8 推断控制................................. 320 5.5 稳态优化控制系统............................. 323 5.5.1 基于传统模型的 稳态优化方法......................... 324 5.5.2 基于非传统模型的 稳态优化方法......................... 328 思考题与习题 ............................................. 330 第 6 章 过程控制系统的应用实例 ......... 332 6.1 精馏塔的控制..................................... 332 6.1.1 精馏原理................................. 332 6.1.2 精馏塔的控制要求................. 333

VII· 6.1.3精馏塔的干扰因素 643化学反应速度 6.14精馏塔的基本关系. 及其影响因素 6.1.5精馏塔被控变量的选择…….336 644化学平衡及其影响因素…378 6.1.6精馏塔的基本控制方案….338 64.5化学反应器的控制 6.1.7复杂控制在精馏塔中 6.5生化过程的控制 的应用 6.51生化反应过程的衡算关系…386 6.1.8精馏塔的先进控制 6.52细胞生长的动力学模型…387 6.2锅炉设备的控制 349 653氧传递模型 621锅炉汽包水位的控制 .350 6.54生化过程的参数检测 622锅炉燃烧系统的控制 357 6.55生化过程的控制 623过热蒸汽系统的控制 66冶金过程的控制 6.3传热设备的控制 66.1高炉炼铁生产过程的控制…393 6.31传热设备的类型 361 662转炉炼钢过程的控制 632传热设备的控制要求 663初轧生产过程的控制 633一般传热设备的控制 362 思考题与习题 397 634蒸发器的控制 369附录常用管道仪表流程图 6.4化学反应器的控制 设计符号 64.1化学反应器的类型 642化学反应器的控制要求…374参考文献…42

目 录 ·VII· ·VII· 6.1.3 精馏塔的干扰因素..................334 6.1.4 精馏塔的基本关系..................335 6.1.5 精馏塔被控变量的选择..........336 6.1.6 精馏塔的基本控制方案..........338 6.1.7 复杂控制在精馏塔中 的应用 .....................................342 6.1.8 精馏塔的先进控制..................344 6.2 锅炉设备的控制 ................................349 6.2.1 锅炉汽包水位的控制..............350 6.2.2 锅炉燃烧系统的控制..............357 6.2.3 过热蒸汽系统的控制..............360 6.3 传热设备的控制 ................................361 6.3.1 传热设备的类型......................361 6.3.2 传热设备的控制要求..............362 6.3.3 一般传热设备的控制..............362 6.3.4 蒸发器的控制..........................369 6.4 化学反应器的控制 ............................372 6.4.1 化学反应器的类型..................372 6.4.2 化学反应器的控制要求..........374 6.4.3 化学反应速度 及其影响因素......................... 375 6.4.4 化学平衡及其影响因素......... 378 6.4.5 化学反应器的控制................. 379 6.5 生化过程的控制................................. 385 6.5.1 生化反应过程的衡算关系..... 386 6.5.2 细胞生长的动力学模型......... 387 6.5.3 氧传递模型............................. 388 6.5.4 生化过程的参数检测............. 389 6.5.5 生化过程的控制..................... 391 6.6 冶金过程的控制................................. 392 6.6.1 高炉炼铁生产过程的控制..... 393 6.6.2 转炉炼钢过程的控制............. 394 6.6.3 初轧生产过程的控制............. 395 思考题与习题 ............................................. 397 附录 常用管道仪表流程图 设计符号.............................................. 399 参考文献............................................................ 402