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绪论1

0.1 生产过程自动化的发展概况和趋势1

0.2 过程控制的任务和要求7

0.3 控制系统的组成、分类与性能指标11

0.4 本书的结构与教学安排15

思考题与习题16

参考文献18

第一篇 简单控制系统21

第1章 生产过程的数学模型21

1.1 被控对象的动态特性21

1.1.1 基本概念21

1.1.2 若干简单被控对象的动态特性23

1.1.3 工业过程自由度分析31

1.1.4 工业过程动态特性的特点32

1.2 过程数学模型及其建立方法36

1.2.1 过程数学模型的表达形式与对模型的要求36

1.2.2 建立过程数学模型的基本方法38

1.2.3 常用的辨识建模方法39

1.3 小结49

第2章 常规控制及其过程分析50

2.1 基本概念50

2.2 比例控制（P控制）与积分控制（I控制）52

2.2.1 比例控制、积分控制的动作规律52

2.2.2 比例控制和积分控制的特点53

2.2.3 比例带和积分速度对控制过程的影响55

2.3 比例积分控制（PI控制）与比例积分微分控制（PID控制）58

2.3.1 比例积分控制58

2.3.2 积分饱和现象与抗积分饱和60

2.3.3 比例微分控制65

2.3.4 比例积分微分控制规律及特点69

2.4 小结71

第3章 控制系统的整定72

3.1 控制系统整定的基本要求72

3.1.1 单项性能指标73

3.1.2 误差积分性能指标73

3.2 衰减频率特性法75

3.2.1 稳定度判据75

3.2.2 频率特性法整定控制器参数78

3.3 工程整定法85

3.3.1 特性参数法85

3.3.2 稳定边界法86

3.3.3 衰减曲线法87

3.3.4 其他整定方法93

3.4 控制器参数的自整定94

3.4.1 极限环法95

3.4.2 模式识别法97

3.4.3 鲁棒PID参数整定法99

3.5 小结103

第4章 控制系统中的仪器仪表104

4.1 检测变送仪表104

4.1.1 传感器105

4.1.2 变送器109

4.2 执行器——气动调节阀111

4.2.1 气动执行机构112

4.2.2 调节阀与阀门定位器113

4.2.3 调节阀的流量系数与流量特性114

4.2.4 气动调节阀选型125

4.3 安全栅128

4.3.1 危险区域的分类128

4.3.2 防爆仪表的分类、分级和分组130

4.3.3 防爆安全栅131

4.4 小结134

第一篇小结136

思考题与习题136

参考文献147

第二篇 复杂控制系统151

第5章 串级控制系统与比值控制系统151

5.1 串级控制系统的概念151

5.2 串级控制系统的分析156

5.3 串级控制系统设计中的几个问题162

5.3.1 副回路的设计163

5.3.2 主、副回路工作频率的选择164

5.3.3 防止控制器积分饱和的措施166

5.4 控制器的选型和整定方法167

5.4.1 逐步逼近法168

5.4.2 两步整定法168

5.5 比值控制系统169

5.5.1 比值系数的计算170

5.5.2 比值系统中的非线性特性172

5.5.3 比值控制系统的整定173

5.5.4 常见比值控制系统174

5.6 小结175

第6章 基于补偿原理的控制系统177

6.1 概述177

6.2 前馈控制179

6.2.1 基本概念179

6.2.2 静态前馈控制180

6.2.3 动态前馈控制183

6.2.4 前馈-反馈控制系统190

6.3 大迟延控制193

6.3.1 概述193

6.3.2 采用补偿原理克服大迟延的影响194

6.3.3 史密斯预估器的几种改进方案199

6.4 非线性增益补偿204

6.4.1 概述204

6.4.2 对象静态非线性特性的补偿204

6.5 小结209

第7章 解耦控制系统210

7.1 相对增益210

7.1.1 相对增益的定义211

7.1.2 求取相对增益的方法212

7.1.3 相对增益矩阵特性217

7.1.4 奇异值分析法220

7.2 耦合系统中的变量匹配和控制参数整定221

7.2.1 变量之间的配对221

7.2.2 控制回路之间的耦合影响及其整定226

7.2.3 回路间动态耦合的影响233

7.3 解耦控制系统的设计235

7.3.1 前馈补偿法236

7.3.2 对角矩阵法236

7.3.3 单位矩阵法238

7.4 设计解耦控制系统中的问题239

7.4.1 解耦系统的稳定性240

7.4.2 部分解耦242

7.4.3 解耦系统的简化243

7.5 小结245

第二篇小结246

思考题与习题250

参考文献253

第三篇 先进控制系统257

第8章 推理控制257

8.1 推理控制问题的提出257

8.2 推理控制系统258

8.2.1 推理控制系统的组成258

8.2.2 推理控制器的设计261

8.2.3 模型误差对系统性能的影响262

8.3 多变量推理控制系统265

8.3.1 控制器的V规范型结构266

8.3.2 V规范型控制器的设计267

8.3.3 滤波阵的选择272

8.4 应用举例274

8.4.1 丁烷精馏塔及其近似传递函数274

8.4.2 二次输出量的选择276

8.4.3 控制作用的限幅276

8.5 软测量277

8.5.1 基于机理分析模型的软测量技术278

8.5.2 基于实验建模的软测量技术278

8.6 小结279

第9章 预测控制280

9.1 预测控制问题的提出280

9.2 预测控制系统281

9.2.1 预测控制的基本原理281

9.2.2 预测控制算法282

9.2.3 预测控制的机理分析289

9.3 预测控制中的几个问题297

9.3.1 系统的稳定性和鲁棒性297

9.3.2 非最小相位系统中的预测控制299

9.3.3 大迟延系统中的预测控制302

9.4 应用举例306

9.5 小结309

第10章 间歇过程控制311

10.1 间歇过程控制系统311

10.1.1 间歇过程概述311

10.1.2 间歇过程控制的特点和要求312

10.1.3 间歇过程控制模型313

10.2 顺序控制和逻辑控制315

10.2.1 典型的间歇操作顺序315

10.2.2 间歇过程的顺序逻辑表达方式315

10.2.3 状态转换的监视318

10.3 间歇生产过程的控制318

10.3.1 间歇反应器的控制319

10.3.2 快速热处理过程的控制320

10.4 间歇过程的先进控制322

10.4.1 Run-to-Run控制323

10.4.2 迭代学习控制326

10.5 间歇生产过程的管理332

10.6 小结335

第11章 整厂控制336

11.1 概述336

11.1.1 整厂控制的提出338

11.1.2 整厂控制的定义338

11.1.3 整厂控制的内容338

11.2 整厂控制问题的描述339

11.2.1 物料再循环339

11.2.2 热集成340

11.2.3 整厂控制的数学模型342

11.2.4 控制自由度343

11.2.5 一个整厂控制的典型案例343

11.3 整厂控制系统的特性346

11.3.1 再循环带来的稳态响应特性——雪崩效应346

11.3.2 再循环带来的动态响应特性——整体响应速度趋缓352

11.3.3 热集成对动态响应特性的影响——不稳定性与反向响应352

11.3.4 过程扰动的传播特性353

11.4 整厂控制系统的一般设计过程356

11.4.1 确定被控变量357

11.4.2 选择测量点359

11.4.3 确定控制变量360

11.4.4 设计整厂控制结构360

11.5 小结363

第12章 实时优化364

12.1 生产过程中的实时最优化概述364

12.2 实时优化问题的描述367

12.2.1 过程优化目标367

12.2.2 约束和运行模型368

12.2.3 实现优化的方法370

12.3 优化算法371

12.3.1 最优化方法概述371

12.3.2 线性规划372

12.3.3 非线性规划算法375

12.3.4 二次规划381

12.3.5 智能优化算法382

12.4 实时优化应用案例388

12.4.1 乙醛生产过程的实时优化388

12.4.2 集动态控制与稳态优化于一体的精馏过程实时优化391

12.4.3 FCCU反应再生过程的实时优化395

12.5 小结399

第三篇小结401

思考题与习题402

参考文献406

第四篇 过程计算机控制系统413

第13章 数字控制系统413

13.1 数字控制系统的组成413

13.2 数字控制系统的理论分析基础知识415

13.2.1 采样定理415

13.2.2 离散系统的理论分析方法415

13.2.3 连续控制系统到数字控制系统的转换418

13.2.4 数字滤波420

13.2.5 数据处理422

13.3 数字控制算法424

13.3.1 PID控制算式424

13.3.2 PID控制算式的改进426

13.3.3 数字式PID调节参数的整定430

13.4 数字系统与连续系统的接口432

13.4.1 数据输出433

13.4.2 人机界面433

13.5 小结434

第14章 计算机控制系统435

14.1 直接数字控制系统438

14.1.1 直接数字控制系统的原理438

14.1.2 直接数字控制系统的组成438

14.1.3 直接数字控制系统的应用439

14.2 集散控制系统442

14.2.1 集散控制系统的组成443

14.2.2 集散控制系统的特点444

14.2.3 集散控制系统的功能445

14.2.4 集散控制系统的应用447

14.3 现场总线控制系统448

14.3.1 现场总线控制系统概述448

14.3.2 现场总线控制系统的组成449

14.3.3 现场总线控制系统的特点450

14.3.4 现场总线控制系统的功能451

14.3.5 现场总线控制系统的应用454

14.4 小结457

第15章 控制系统中的计算机网络458

15.1 计算机网络的体系结构458

15.2 工业以太网460

15.3 OPC技术463

15.3.1 组件技术464

15.3.2 组件对象模型（COM）465

15.3.3 OPC规范465

15.3.4 OPC的特点及其应用领域468

15.4 现代企业网络结构470

15.5 小结472

第四篇小结474

思考题与习题475

参考文献477

第五篇 典型装置的控制系统481

第16章 精馏塔的自动控制481

16.1 精馏过程及其工艺操作目标481

16.1.1 精馏原理481

16.1.2 连续精馏装置和流程484

16.1.3 精馏塔的基本型式485

16.1.4 精馏过程的工艺操作目标486

16.2 精馏过程的静态特性488

16.2.1 全塔物料平衡488

16.2.2 内部物料平衡489

16.2.3 理论塔板和塔板效率491

16.2.4 能量平衡与分离度491

16.3 精馏过程的动态特性493

16.3.1 二元精馏塔的动态特性493

16.3.2 多元精馏塔的动态特性498

16.3.3 操作条件变化对分馏效果的影响499

16.3.4 动态特性和动态影响分析500

16.4 精馏塔质量指标的选取502

16.4.1 灵敏板的温度控制502

16.4.2 温差控制502

16.4.3 双温差控制503

16.5 精馏塔的基本控制方案504

16.5.1 按精馏段指标控制505

16.5.2 按提馏段指标控制506

16.5.3 按塔顶塔底两端质量指标控制507

16.6 精馏塔的其他控制方案508

16.6.1 内回流控制508

16.6.2 进料热焓控制509

16.6.3 精馏塔的节能控制510

16.6.4 基于软测量的产品质量直接闭环控制513

16.7 小结517

第17章 发酵过程的自动控制518

17.1 发酵过程518

17.1.1 发酵原理518

17.1.2 发酵过程及其特点519

17.1.3 发酵过程的数学模型520

17.2 发酵过程的控制522

17.2.1 发酵过程控制的目标522

17.2.2 发酵过程控制的特点523

17.2.3 发酵过程的基本控制系统523

17.3 发酵控制系统中的几个问题526

17.3.1 质量指标的软测量526

17.3.2 发酵过程的补料控制528

17.3.3 pH值的非线性控制531

17.4 先进控制在发酵过程中的应用533

17.4.1 模型预测控制534

17.4.2 迭代学习控制537

17.5 小结542

第五篇小结543

思考题与习题543

参考文献545

第六篇 控制系统的设计与实现549

第18章 控制系统的设计549

18.1 概述549

18.2 工艺设计对过程控制的影响551

18.3 过程控制中的自由度555

18.3.1 控制自由度的计算555

18.3.2 反馈控制与控制自由度558

18.4 被控变量、操作变量和测量变量的选择559

18.4.1 被控变量的选择559

18.4.2 操作变量的选择560

18.4.3 测量变量的选择561

18.5 控制系统设计问题562

18.6 先进控制系统的设计569

18.6.1 可行性研究570

18.6.2 功能设计572

18.6.3 详细设计573

18.6.4 试运行阶段574

18.7 安全仪表系统的设计574

18.7.1 工艺设计阶段的安全设计576

18.7.2 基本过程控制系统的角色576

18.7.3 过程报警576

18.7.4 安全仪表系统578

18.8 间歇过程控制系统的设计580

18.8.1 间歇过程控制系统的体系结构580

18.8.2 间歇过程控制系统的设计问题581

18.9 小结582

第19章 系统监控技术584

19.1 传统的监控技术585

19.1.1 测量值的上下限585

19.1.2 测量值幅度变化的上限586

19.1.3 采样波动的下限586

19.2 基于统计分析的过程监控技术586

19.2.1 单变量质量控制图587

19.2.2 多变量统计技术597

19.2.3 扩展的统计过程控制技术601

19.3 控制性能的监控603

19.4 小结604

第20章 过程控制系统的实现艺术605

20.1 概述605

20.2 工艺过程和控制系统的集成设计605

20.3 控制系统设计与安全可靠性607

20.3.1 选择性控制系统608

20.3.2 压缩机的防喘振控制609

20.3.3 延迟焦化炉异常工况下的超驰控制611

20.4 控制系统设计与经济目标优化614

20.4.1 双重控制系统614

20.4.2 加热炉多燃料系统的控制615

20.4.3 集动态控制与稳态经济目标优化于一体的控制策略617

20.5 控制系统的易用性619

20.6 小结620

第六篇小结622

思考题与习题623

参考文献626

习题答案629