工程测试与过程控制系统

绪论1

第1章工程测试技术3

1.1测试技术的基本概念及应用3

1.1.1测试技术的基本概念3

1.1.2工程测试技术的工程应用6

1.2测试系统的基本特性8

1.2.1测量过程与测量误差8

1.2.2测量装置的性能指标9

1.2.3误差的分类10

1.2.4误差的估计和处理11

1.3传感器及工程应用14

1.3.1电阻式传感器14

1.3.2电感式传感器18

1.3.3电容式传感器20

1.3.4磁电式传感器22

1.3.5压电式传感器24

1.3.6光电式传感器26

1.3.7半导体式传感器26

1.3.8机械工程测试技术应用29

1.4信号调理技术40

1.4.1电桥电路40

1.4.2信号放大42

1.4.3信号调制与解调46

1.4.4信号变换与滤波50

1.5过程控制测量技术54

1.5.1温度测量54

1.5.2压力测量62

1.5.3流量测量69

1.5.4液位测量79

1.5.5成分测量86

思考题与习题93

第2章简单控制系统97

2.1简单控制系统结构组成及控制指标97

2.1.1简单控制系统结构组成97

2.1.2简单控制系统的控制指标98

2.2典型受控过程的数学模型100

2.2.1纯滞后过程的建模100

2.2.2单容过程的建模101

2.2.3多容过程的建模103

2.2.4具有反向响应的过程106

2.2.5不稳定过程107

2.3被控变量与操纵变量的选择108

2.3.1被控变量的选择108

2.3.2操纵变量的选择109

2.4过程可控程度分析109

2.4.1度量过程可控程度（简称可控性）的指标kmωc的导出110

2.4.2广义对象时间常数T和纯滞后τ对可控程度kmωc的影响111

2.5广义对象各环节对可控程度的影响113

2.5.1干扰通道特性Gf(s)对控制质量的影响113

2.5.2调节通道特性Gp(s)对控制质量的影响116

2.6检测变送环节119

2.7执行器环节120

2.7.1执行器概述120

2.7.2气动执行器121

2.7.3调节阀流量特性和阀门增益124

2.7.4电/气转换器和电/气阀门定位器126

2.7.5电动执行器128

2.8连续PID控制及其调节过程130

2.8.1基本概念130

2.8.2比例调节131

2.8.3比例积分调节134

2.8.4比例微分调节138

2.8.5比例积分微分调节139

2.8.6控制规律的选择140

2.9控制器参数整定和控制系统投运140

2.9.1控制系统的投运141

2.9.2控制系统的工程整定方法141

思考题与习题143

第3章常用复杂控制系统146

3.1串级控制系统146

3.1.1串级控制系统基本概念146

3.1.2串级控制系统分析148

3.1.3串级控制系统设计152

3.1.4串级控制系统投运及参数整定155

3.2均匀控制系统155

3.2.1均匀控制系统的由来和目的155

3.2.2均匀控制系统的特点156

3.2.3均匀控制方案156

3.2.4均匀控制系统的理论分析159

3.3比值控制系统163

3.3.1比值控制问题的由来163

3.3.2比值控制方案164

3.3.3比值控制系统的实施167

3.3.4比值控制系统的投运及整定170

3.3.5比值调节系统实施的若干问题170

3.4前馈控制系统173

3.4.1前馈控制系统的基本原理173

3.4.2前馈控制系统的几种结构形式175

3.4.3前馈控制规律的实施179

3.5分程控制系统180

3.5.1分程控制系统的基本概念180

3.5.2分程控制系统的方案实施183

3.5.3阀位控制系统184

3.6选择性控制系统185

3.6.1概述185

3.6.2超驰控制设计应用185

3.6.3关于防积分饱和的方法187

3.6.4其他选择控制系统188

3.7按计算指标进行控制的控制系统189

思考题与习题192

第4章先进控制系统198

4.1状态反馈控制198

4.1.1状态反馈和极点配置原理198

4.1.2状态反馈控制系统设计和应用中的问题202

4.2内模控制205

4.2.1内模控制的基本原理205

4.2.2内模控制在PID控制参数整定中的应用214

4.3简化模型预测控制220

4.3.1单输入单输出SMPC220

4.3.2多输入多输出SMPC228

4.4预测控制233

4.4.1预测控制基本原理234

4.4.2预测控制的基本算法235

4.4.3预测控制系统的性能分析243

4.4.4预测控制的工业应用247

4.5多变量解耦控制252

4.5.1控制回路间的关联和相对增益矩阵252

4.5.2关联系统的控制器的整定266

4.5.3多变量解耦控制系统270

思考题与习题275

第5章过程控制系统的应用280

5.1离心泵控制系统280

5.1.1离心泵的工作原理及主要部件281

5.1.2离心泵的工作特性283

5.1.3离心泵的控制方案284

5.1.4容积式泵的控制方案286

5.2离心压缩机防喘振控制286

5.2.1离心压缩机的喘振286

5.2.2离心压缩机防喘振控制系统的设计288

5.2.3测量出口流量的可变极限流量防喘振控制290

5.2.4离心压缩机串/并联时的防喘振控制291

5.3锅炉设备的控制293

5.3.1工艺流程简介293

5.3.2锅炉汽包水位的控制295

5.3.3锅炉燃烧控制系统301

5.3.4蒸汽过热系统的控制306

5.3.5采用可编程控制器的锅炉控制实例307

思考题与习题310

参考文献312

本书结合过程生产工业特点，综合应用工程测试、控制理论以及自动化仪表和计算机等控制工程知识，全面反映了传统的和近二十年来出现的各类过程控制系统与工程测试技术，重点讲述它们的工作原理、结构特点、设计方法和应用中的技术问题。全书分为工程测试技术、简单控制系统、常用复杂控制系统、先进控制系统和过程控制系统的应用等五部分。本书内容丰富、取材新颖、结构严谨、系统性强，且充分体现了理论和实际密切联系、重在应用的原则。

本书可作为高等院校自动化、电气工程及自动化、测控技术与仪器、机电一体化、机械电子工程、过程装备与控制工程、化学工程以及相近专业的教材。书中内容以模块化形式展现，兼顾了研究生、本科生等不同层次学生学习的要求。本书亦可作为相关专业的工程技术人员的参考用书。

《过程控制系统及工程应用》概要介绍了过程控制系统的基本概念，深入分析了过程控制中常用检测与控制仪表的原理与工程选型、过程执行器的类型及特性，详细讨论了被控过程的特性及建模方法，具体论述了简单控制系统的设计与参数整定、复杂控制系统的控制策略，并对近年来发展迅速的计算机过程控制技术，如集散控制系统、现场总线技术、组态软件作了重点介绍。最后，以工程实例为基础，对过程控制系统的设计与实际应用进行了深入分析。

《过程控制系统及工程应用》侧重理论联系实际，内容深入浅出，可作为高校自动化、电气工程及自动化、测控技术与仪器、过程装备与控制工程、化学工程等专业的教材或参考书，也司供电力、石化、冶金、化工、轻工等行业的工程技术人员和研究人员参考。

过程控制系统及工程（第四版）

出版社： 化学工业出版社

ISBN：9787122360557

版次：4

商品编码：13141900

品牌：化学工业出版社

包装：平装

开本：16开

出版时间：2021-03-01

用纸：胶版纸

页数：275

正文语种：中文

内容简介

过程控制系统及工程（孙洪程）（第四版）

目录

第1篇过程控制系统

第1章单回路反馈控制系统1

1.1单回路系统的结构组成1

1.2被控变量的选择3

1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择4

1.3.1干扰通道特性对控制质量的影响5

1.3.2控制通道特性对控制质量的影响8

1.3.3操纵变量的选择12

1.4控制阀的选择12

1.4.1控制阀口径大小的选择12

1.4.2控制阀开闭形式的选择12

1.4.3控制阀流量特性的选择13

1.4.4控制阀结构形式的选择17

1.4.5阀门定位器的选用18

1.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法19

1.5.1测量滞后的影响19

1.5.2信号传送滞后的影响20

1.5.3克服测量、传送滞后的办法21

1.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择22

1.6.1控制器参数对系统静态误差的影响22

1.6.2控制器参数对系统动态误差的影响24

1.6.3控制规律的选择25

1.7系统的关联及其消除方法26

1.7.1系统关联及其影响26

1.7.2分析系统关联的方法26

1.7.3削弱或消除系统间关联的方法29

1.8单回路系统的投运和整定29

1.8.1控制系统的投运30

1.8.2控制系统的整定31

本章思考题及习题36

第2章串级控制系统38

2.1串级控制系统概述38

2.2串级控制系统的实施41

2.2.1用电动Ⅲ型仪表构成串级控制方案41

2.2.2串级控制系统的实施42

2.3串级控制系统的投运和整定45

2.3.1串级控制系统的投运45

2.3.2串级控制系统的工程整定方法45

2.4串级控制系统的特点46

2.5串级系统副回路的设计51

本章思考题及习题58

第3章比值控制系统60

3.1比值控制系统概述60

3.2比值控制系统的类型60

3.2.1开环比值控制系统60

3.2.2单闭环比值控制系统60

3.2.3双闭环比值控制系统62

3.2.4其他类型的比值控制62

3.3比值系数的计算65

3.3.1流量与测量信号呈线性关系时的计算65

3.3.2流量与测量信号呈非线性关系时的计算66

3.4比值控制方案的实施67

3.4.1两类实施方案67

3.4.2比值控制方案实施举例68

3.4.3比值控制系统中非线性环节的影响70

3.4.4比值控制系统中的信号匹配问题72

3.5比值控制系统的投运与整定73

3.6比值控制系统的其他问题74

3.6.1流量测量中的压力、温度的校正74

3.6.2主、副流量的动态比值问题75

3.6.3具有逻辑规律的比值控制76

3.6.4副流量供料不足时的自动配比77

3.6.5主动量与从动量的选择78

本章思考题及习题79

第4章均匀控制系统81

4.1均匀控制问题的提出及特点81

4.2均匀控制方案82

4.2.1常用的几种结构形式82

4.2.2控制规律的选择84

4.2.3参数整定84

4.3均匀控制系统的理论分析85

4.4其他需要说明的问题87

4.4.1气体压力与流量的均匀控制87

4.4.2实现均匀控制的其他方法87

本章思考题及习题87

第5章前馈控制系统88

5.1前馈控制系统的特点88

5.2前馈控制系统的几种主要结构形式90

5.2.1单纯的前馈控制系统90

5.2.2前馈-反馈控制系统91

5.2.3前馈-串级控制系统92

5.3前馈控制规律的实施93

5.4前馈控制系统的应用95

5.5前馈控制系统的参数整定96

5.5.1Kf的整定97

5.5.2T1、T2的整定98

5.6多变量前馈控制99

5.6.1由工艺机理建立多变量前馈控制模型99

5.6.2以线性叠加为基础建立多变量前馈控制方程100

5.6.3多输入-多输出的多变量前馈控制系统101

本章思考题及习题104

第6章选择性控制系统106

6.1选择性控制系统概述106

6.2选择性控制系统的类型及应用107

6.2.1开关型选择性控制系统107

6.2.2连续型选择性控制系统108

6.2.3混合型选择性控制系统110

6.3选择性控制系统的设计111

6.4积分饱和及其防止措施112

6.4.1积分饱和的产生及其危害性112

6.4.2抗积分饱和措施114

本章思考题及习题114

第7章分程及阀位控制系统116

7.1分程控制系统116

7.1.1分程控制系统概述116

7.1.2分程控制的应用场合117

7.1.3分程控制系统控制器参数的整定120

7.1.4分程阀总流量特性的改善121

7.2阀位控制系统126

7.2.1阀位控制系统概述126

7.2.2阀位控制系统的应用126

7.2.3阀位控制系统的设计及整定128

本章思考题及习题129

第8章非线性控制系统132

8.1线性过程的非线性控制132

8.1.1液位的非线性控制132

8.1.2线性过程的其他非线性控制134

8.2非线性过程的非线性控制135

8.2.1pH控制过程的非线性控制136

8.2.2反应器的非线性控制137

本章思考题及习题138

第9章新型控制系统139

9.1纯滞后补偿控制系统139

9.1.1纯滞后补偿原理139

9.1.2纯滞后补偿控制的效果139

9.1.3史密斯补偿的实现140

9.2按计算指标及推断控制系统142

9.2.1按计算指标的控制系统142

9.2.2推断控制系统146

9.3解耦控制系统149

9.3.1关联系统解耦条件150

9.3.2解耦控制方案151

9.3.3解耦控制应用实例154

9.4预测控制系统155

9.4.1模型算法控制(MAC)156

9.4.2动态矩阵控制157

本章思考题及习题160

第2篇过程控制工程

第10章流体输送设备的控制163

10.1泵的常规控制164

10.1.1离心泵的控制方案164

10.1.2容积式泵的控制方案167

10.2压缩机的常规控制方案167

10.3离心式压缩机的防喘振控制168

10.3.1喘振现象及原因168

10.3.2防喘振控制系统170

10.3.3压缩机串、并联运行及防喘振控制174

10.4压缩机紧急停车系统175

10.5长输管线的控制179

本章思考题及习题181

第11章传热设备的控制183

11.1传热设备概述183

11.1.1传热设备的类型183

11.1.2传热设备的控制要求184

11.2传热设备的特性184

11.2.1传热设备的静态特性184

11.2.2传热设备的动态特性186

11.3一般传热设备的控制188

11.3.1换热器的控制188

11.3.2蒸汽加热器的控制189

11.3.3冷凝冷却器的控制190

11.4锅炉设备的控制191

11.4.1锅炉设备概述191

11.4.2锅炉汽包水位的控制192

11.4.3蒸汽过热系统的控制197

11.4.4锅炉燃烧过程的控制198

11.5加热炉的控制202

11.5.1采用压力平衡式控制阀(浮动阀)的控制202

11.5.2特殊温度-流量串级控制系统203

11.6蒸发器的控制203

11.6.1蒸发器产品浓度的控制203

11.6.2蒸发器其他相关参数的控制205

本章思考题及习题205

第12章精馏塔的控制207

12.1精馏塔概述207

12.1.1精馏原理207

12.1.2精馏塔的主要干扰因素207

12.1.3精馏塔的控制要求207

12.2精馏塔的特性208

12.2.1精馏塔的静态特性208

12.2.2精馏塔的动态特性209

12.3精馏塔被控变量的选择211

12.3.1采用产品成分作为直接质量指标211

12.3.2采用温度作为间接质量指标211

12.3.3用压力补偿的温度参数作为间接指标212

12.4精馏塔的整体控制方案214

12.4.1传统的物料平衡控制214

12.4.2质量指标反馈控制214

12.4.3按两端质量指标控制216

12.4.4串级、均匀、比值、前馈等控制系统在精馏塔中的应用217

12.4.5精馏塔塔压的控制218

12.5精馏塔的新型控制方案220

12.5.1内回流、热焓控制220

12.5.2解耦控制220

12.5.3推断控制221

12.5.4精馏塔的节能控制221

12.5.5精馏塔的最优控制224

本章思考题及习题226

第13章化学反应器的控制228

13.1化学反应器概述228

13.1.1化学反应器的类型228

13.1.2化学反应器的控制要求229

13.2反应器的特性230

13.3反应器的热稳定性分析231

13.3.1反应器静态工作点的热稳定性232

13.3.2开环不稳定、闭环稳定的条件233

13.4反应器的基本控制方案234

13.4.1反应器的温度控制234

13.4.2反应器的进料流量控制238

13.4.3反应器的压力控制239

13.5反应器的新型控制方案239

13.5.1聚合釜的温度-压力串级控制系统239

13.5.2具有压力补偿的反应釜温度控制239

13.5.3变换炉的最优控制240

13.5.4连续搅拌槽反应器的自适应控制241

13.5.5乙烯裂解炉的先进控制242

本章思考题及习题245

第14章间歇生产过程控制247

14.1间歇生产过程的特点248

14.1.1不连续性248

14.1.2非稳态248

14.1.3不确定性248

14.1.4共享资源处理248

14.1.5配方（Recipe）及其管理249

14.2间歇生产过程的控制250

14.2.1间歇生产过程的控制要求250

14.2.2间歇过程的控制功能251

14.2.3间歇过程的控制模型253

14.2.4间歇过程的控制表述方式254

14.2.5间歇过程的安全联锁系统254

14.2.6间歇过程控制系统的选型254

14.3间歇生产过程的操作和调度优化255

14.3.1间歇生产过程的优化操作255

14.3.2间歇生产过程的调度优化255

本章思考题及习题258

第15章工程图例符号与P&ID图259

15.1自动化工程中若干基本概念259

15.1.1关于“控制系统”的概念259

15.1.2自动化工程的概念259

15.1.3过程自动化工程中的控制方式259

15.1.4自控方案与P&ID图260

15.2自动化专业的工程图例符号260

15.2.1图形符号260

15.2.2位号262

15.2.3信号线263

15.3图形符号应用与P&ID图264

15.3.1图形符号应用264

15.3.2P&ID图272

本章思考题及习题274

参考文献275 2100433B

项目一 生产过程控制系统

【项目学习目标】

【项目学习内容】

【项目学习计划】

【项目学习与实施载体】

【项目实施】

学习情境一 工业用电加热炉温度、液位控制系统

<学习要求>

<情境任务>

任务一 过程控制系统与生产过程控制系统

一、任务资讯

二、任务实施

任务二 生产过程控制系统的组成及工作原理

一、任务资讯

二、任务实施

任务三 生产过程控制系统的分类

一、任务资讯

二、任务实施

任务四 生产过程控制系统的建模与参数辨识

一、任务资讯

二、实施（以解析法为建模方法）

学习情境二 水箱液位控制系统建模及参数辨识

<学习要求>

<情境任务>

任务 一阶单容水箱液位控制系统建模与参数辨识

一、任务资讯

二、任务实施

三、要求及思考

学习情境三 集散控制系统

<学习要求>

<情境任务>

任务一 过程控制系统发展

任务资讯

任务二 集散控制系统体系

一、任务资讯

二、任务实施

【项目评估】

项目二 JX-300XP集散控制系统的设计与实现

【项目学习目标】

【项目学习内容】

【项目学习计划】

【项目学习与实施载体】

【项目实施】

学习情境 单容水箱液位PID控制DCS系统组态

<学习要求>

<情境任务>

任务一 JX-300XP DCS系统体系结构

任务资讯

任务二 单容水箱液位PID控制DCS系统体系结构

一、任务资讯

二、任务实施

任务三 JX-300XP DCS项目工程组态实现

一、任务资讯

二、任务实施

任务四 JX-300XP DCS项目工程运行调试实现

一、任务资讯

二、任务实施

【项目评估】

项目三 生产过程控制系统控制功能实现

【项目学习目标】

【项目学习内容】

【项目学习计划】

【项目实施载体】

【项目实施】

学习情境 基于JX-300XP的实训装置CS2000（AE2000）控制

算法实现

<学习要求>

<情境任务>

任务一 生产过程控制系统控制功能实现策略

一、任务资讯

二、任务实施

任务二 实训装置CS2000（AE2000）控制功能实现

一、任务资讯

二、任务实施

【项目评估】

项目四 生产过程控制的系统监控、故障排除及运行维护

【项目学习目标】

【项目学习内容】

【项目学习计划】

【项目学习与实施载体】

【项目实施】

学习情境 CS2000实训装置DCS控制系统运行维护

<学习要求>

<情境任务>

任务一 基于JX-300XP的CS2000实训装置运行与维护

一、任务资讯

二、任务实施

任务二 生产过程控制系统的运行维护

任务资讯

【项目评估】

项目五 DeltaV在丙烯精馏装置控制系统中的应用

【项目学习目标】

【项目学习内容】

【项目学习计划】

【项目学习与实施载体】

【项目实施】

学习情境 基于DeltaV系统的丙烯精馏装置控制系统的设计与应用

<学习要求>

<情境任务>

任务一 丙烯精馏装置DeltaV系统配置

一、任务资讯

二、任务实施

任务二 应用DeltaV Explorer 进行控制系统的构建

一、任务资讯

二、任务实施

任务三 应用Control Studio进行控制方案组态

一、任务资讯

二、任务实施

任务四 应用DeltaV Operate进行操作员监控画面组态

一、任务资讯

二、任务实施

任务五 应用Diagnostic进行系统诊断

一、任务资讯

二、任务实施

【项目评估】

项目六 横河CENTUM-CS3000在水处理过程控制系统中的应用

【项目学习目标】

【项目学习内容】

【项目学习计划】

【项目实施载体】

【项目实施】

<学习要求>

<情境任务>

任务 CENTUM-CS3000在水处理过程控制系统设计与应用

一、任务资讯

二、任务实施

【项目评估】

参考文献2100433B