過程控制是由控制理論、計算機技術和儀器儀表、工藝知識等知識相結(jié)合而構(gòu)成的一門應用科學,其任務是在了解、熟悉、掌握生產(chǎn)工藝流程與生產(chǎn)過程的靜態(tài)和動態(tài)特性的基礎上,根據(jù)工藝要求,應用控制理論、現(xiàn)代控制技術,分析、設計、整定過程控制系統(tǒng)。通過本書的學習,使讀者能夠掌握過程控制系統(tǒng)的基本概念、基本組成環(huán)節(jié)和基本控制規(guī)律,了解過程控制系統(tǒng)的基本工作原理及典型過程控制系統(tǒng)的工程設計方法,為從事生產(chǎn)過程自動控制工作打下初步基礎。 本書重點討論了被控過程數(shù)學模型建立方法、簡單控制系統(tǒng)設計與參數(shù)整定,以及復雜控制系統(tǒng)(如串級、前饋、比值、均勻、分程、選擇、大延遲補償、解耦等控制系統(tǒng))的工作原理與設計方法;簡要介紹了智能模糊控制技術的相關知識及DCS與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng);最后結(jié)合企業(yè)工程項目介紹了典型過程控制系統(tǒng)的工業(yè)應用設計實例。全書共10章,每章內(nèi)容都將控制理論與過程控制實際相結(jié)合,并進行各系統(tǒng)的仿真實驗驗證,以加深對本書內(nèi)容的理解。本書可作為自動化專業(yè)及石化、電力、輕工、環(huán)境工程等專業(yè)的教材或參考書,也可供設計院所和企業(yè)過程控制工程技術人員參考。
劉艷梅:女,1974 年生,副教授,博士,沈陽航空航天大學自動化學院教師。研究方向為機器人,微機電系統(tǒng)檢測及控制,過程控制、智能控制理論及應用,以及電網(wǎng)建設輸變電工程技術裝備的自動化改造。相關研究工作得到了國家自然科學基金青年基金、航空基金和省教育廳項目的支持。以第一作者發(fā)表期刊和國際學術會議論文40篇左右,SCI/EI/ISTP檢索30余篇;編者多年主講《過程控制》、《計算機控制技術》、《可編程控制器》、《控制工程基礎》、《現(xiàn)代控制理論》、《智能控制導論》(雙語)等課程。
第1章 緒論 001
1.1 過程控制系統(tǒng)的基本概念 001
1.2 過程控制系統(tǒng)的組成及分類 001
1.2.1 被控過程 002
1.2.2 檢測變送儀表 002
1.2.3 執(zhí)行器 003
1.2.4 控制器 003
1.2.5 報警保護和連鎖等其他部件 003
1.3 過程控制系統(tǒng)的分類 003
1.4 過程控制的特點 005
1.4.1 控制主體復雜、控制要求高 005
1.4.2 過程控制系統(tǒng)由過程檢測和控制儀表組成 005
1.4.3 被控過程是多種多樣的、非電量的 006
1.4.4 過程控制的控制過程多屬慢過程,而且多數(shù)為參量控制 006
1.4.5 過程控制方案十分豐富 006
1.4.6 定值控制是過程控制的一種常用形式 006
1.5 過程控制系統(tǒng)性能指標 007
1.5.1 穩(wěn)態(tài)與動態(tài) 007
1.5.2 性能指標的分析和確定方法 007
1.5.3 單項性能指標 009
1.5.4 綜合性能指標 011
1.6 過程控制系統(tǒng)的典型應用 011
1.6.1 發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng) 012
1.6.2 蒸汽鍋爐的液位控制系統(tǒng) 013
1.6.3 轉(zhuǎn)爐供氧量控制系統(tǒng) 013
1.6.4 谷氨酸發(fā)酵過程控制 015
1.7 過程控制的發(fā)展過程 016
1.7.1 基于模擬儀表控制系統(tǒng)的局部自動化階段(20世紀50年代) 017
1.7.2 基于計算機集中監(jiān)督控制系統(tǒng)的綜合自動化階段(20世紀60年代) 017
1.7.3 分散控制系統(tǒng)(DCS)階段(20世紀70年代) 018
1.7.4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)階段(20世紀90年代) 018
1.8 過程控制發(fā)展的趨勢 020
1.8.1 先進過程控制成為發(fā)展主流 020
1.8.2 過程優(yōu)化受到普遍關注 020
1.8.3 綜合自動化是當代工業(yè)過程控制的主要潮流 020
1.8.4 網(wǎng)絡化發(fā)展 021
1.8.5 智能化發(fā)展 021
1.8.6 虛擬仿真化發(fā)展 022
思考題 022
第2章 被控過程數(shù)學模型的建立 023
2.1 建立被控過程數(shù)學模型的意義 023
2.1.1 控制系統(tǒng)設計的基礎 023
2.1.2 控制器參數(shù)確定的重要依據(jù) 023
2.1.3 仿真或研究、開發(fā)新型控制策略的必要條件 024
2.1.4 設計與操作生產(chǎn)工藝及設備時的指導 024
2.1.5 工業(yè)過程故障檢測與診斷系統(tǒng)的設計指導 024
2.2 被控過程的數(shù)學模型的表達形式 024
2.3 描述過程特性的參數(shù) 025
2.3.1 放大系數(shù)K對系統(tǒng)的影響 026
2.3.2 時間常數(shù)T對系統(tǒng)的影響 026
2.3.3 滯后時間τ對系統(tǒng)的影響 026
2.4 建立被控過程數(shù)學模型的基本方法 026
2.4.1 機理法建模 026
2.4.2 試驗法建模 027
2.4.3 混合法建模 027
2.5 液位對象的機理法建模 028
2.5.1 自衡單容液位對象建模 028
2.5.2 雙容液位對象的數(shù)學模型的建立 029
2.5.3 三容液位對象的數(shù)學模型的建立 030
2.5.4 多容液位對象的數(shù)學模型的建立 031
2.5.5 非自衡過程建模 032
2.6 測試法建模 035
2.6.1 測定動態(tài)特性的時域法 036
2.6.2 階躍響應測試法建模 037
2.6.3 一階慣性環(huán)節(jié)參數(shù)的確定 037
2.6.4 有時滯的一階慣性環(huán)節(jié)參數(shù)的確定 039
2.6.5 二階慣性環(huán)節(jié)參數(shù)的確定 040
2.6.6 二階時延環(huán)節(jié)參數(shù)的確定 042
2.7 測定動態(tài)特性的頻域方法 042
2.8 測定動態(tài)特性的統(tǒng)計相關法 043
2.9 動態(tài)特性測試法建模舉例 043
思考題 046
第3章 簡單控制系統(tǒng) 047
3.1 簡單過程控制系統(tǒng)基本概念 047
3.2 過程控制系統(tǒng)設計步驟 047
3.2.1 熟悉控制系統(tǒng)的技術要求或性能指標 047
3.2.2 建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 047
3.2.3 確定控制方案 048
3.2.4 根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)特性和靜態(tài)特性進行分析與綜合 048
3.2.5 系統(tǒng)仿真與實驗研究 048
3.2.6 工程設計 048
3.2.7 工程安裝 048
3.2.8 控制器參數(shù)的整定 048
3.3 被制變量選擇 048
3.3.1 被控變量的選擇方法 049
3.3.2 被控變量的選擇原則 049
3.4 控制變量的選擇 050
3.5 執(zhí)行器的選擇 051
3.5.1 執(zhí)行器的作用方式 051
3.5.2 調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關選擇 051
3.6 測量變送環(huán)節(jié) 052
3.6.1 測量變送中的滯后問題 052
3.6.2 測量信號的處理 053
3.7 控制器的選擇 054
3.7.1 控制器的控制規(guī)律選擇 054
3.7.2 控制器的作用方式選擇 054
3.8 PID控制 056
3.8.1 比例對于控制質(zhì)量的影響 057
3.8.2 積分對于控制質(zhì)量的影響 059
3.8.3 微分對于控制質(zhì)量的影響 061
3.9 控制器的參數(shù)整定 064
3.9.1 經(jīng)驗法(湊試法) 065
3.9.2 臨界比例度法 066
3.9.3 衰減曲線法 068
3.9.4 響應曲線法 071
3.10 簡單控制系統(tǒng)工程設計實例 073
思考題 076
第4章 串級控制系統(tǒng) 077
4.1 復雜控制系統(tǒng)基本概念 077
4.2 串級控制思想的提出 078
4.3 串級控制的基本概念 081
4.4 串級控制系統(tǒng)的特點 082
4.5 串級控制系統(tǒng)工作過程 089
4.5.1 擾動作用于副回路(二次擾動)—f2、f3 089
4.5.2 擾動作用于主被控過程—f1 090
4.5.3 擾動同時作用于副回路和主被控過程—f1、f2、f3 090
4.6 串級控制系統(tǒng)的設計 090
4.6.1 主、副回路的設計原則 090
4.6.2 主、副控制器的選擇 091
4.7 串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 092
4.7.1 兩步整定法:先整定副參數(shù)、后整定主參數(shù) 092
4.7.2 逐步整定法:先副后主,反復調(diào)節(jié) 093
4.7.3 一步整定法 093
4.8 串級控制系統(tǒng)在工業(yè)中的應用 093
4.8.1 應用于容量滯后較大的過程 093
4.8.2 應用于純延時較大的過程 094
4.8.3 應用于變化劇烈且幅度較大的擾動過程 096
4.8.4 應用于非線性過程 098
4.9 串級控制系統(tǒng)的設計舉例 099
思考題 103
第5章 前饋控制系統(tǒng) 105
5.1 前饋控制系統(tǒng)的基本概念 105
5.2 前饋控制原理 106
5.3 前饋控制與反饋控制的比較 107
5.3.1 前饋控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng),反饋控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng) 107
5.3.2 前饋控制系統(tǒng)中測量干擾量,反饋控制系統(tǒng)中測量被控變量 107
5.3.3 前饋控制系統(tǒng)需要專用調(diào)節(jié)器,反饋控制系統(tǒng)一般只需通用調(diào)節(jié)器 107
5.3.4 前饋控制系統(tǒng)只能克服所測量的干擾,
反饋控制系統(tǒng)則可以克服所有干擾 107
5.3.5 前饋控制系統(tǒng)理論上可以無差,反饋控制系統(tǒng)必定有差 107
5.4 前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 108
5.4.1 靜態(tài)前饋控制系統(tǒng) 108
5.4.2 動態(tài)前饋控制系統(tǒng) 109
5.4.3 前饋—反饋復合控制系統(tǒng) 109
5.4.4 前饋—串級復合控制系統(tǒng) 111
5.5 前饋控制系統(tǒng)的選用 112
5.6 前饋控制系統(tǒng)的工程整定 112
5.6.1 靜態(tài)參數(shù)值KM的整定 113
5.6.2 滯后時間τ的整定 115
5.6.3 時間常數(shù)T1、T2的整定 115
5.7 前饋控制系統(tǒng)的工業(yè)應用實例 119
5.7.1 鍋爐汽包水位的單沖量控制 120
5.7.2 鍋爐汽包水位的雙沖量控制 121
5.7.3 鍋爐汽包水位的三沖量控制 122
思考題 123
第6章 大滯后補償控制系統(tǒng) 125
6.1 大滯后補償過程基本概念 125
6.2 純滯后對象的控制問題 126
6.3 大滯后補償過程常規(guī)補償控制 127
6.3.1 微分先行控制方案 127
6.3.2 中間微分反饋控制方案 128
6.4 Smith預估控制 129
6.5 Smith預估控制注意事項 132
思考題 132
第7章 其他復雜過程控制系統(tǒng) 133
7.1 比值控制系統(tǒng) 133
7.1.1 比值控制系統(tǒng)的類型 133
7.1.2 比值控制系統(tǒng)的設計 135
7.1.3 比值控制系統(tǒng)的設計示例 136
7.2 均勻控制系統(tǒng) 137
7.3 選擇性控制系統(tǒng) 138
7.3.1 選擇性控制系統(tǒng)的類型 138
7.3.2 選擇性控制系統(tǒng)設計及工業(yè)應用 140
7.4 分程控制系統(tǒng) 141
7.5 多變量解耦控制 145
7.5.1 系統(tǒng)的關聯(lián)分析 146
7.5.2 解耦控制系統(tǒng)設計 146
7.5.3 減少與解除耦合的途徑 147
7.5.4 解耦控制系統(tǒng)的簡化設計 150
思考題 151
第8章 模糊控制 152
8.1 模糊控制的基本概念 152
8.2 模糊控制基礎 153
8.2.1 模糊集合 154
8.2.2 模糊集合的基本運算 155
8.3 模糊控制器設計 157
8.3.1 模糊控制器輸入變量的模糊化 157
8.3.2 模糊控制規(guī)則及模糊推理 159
8.3.3 解模糊化方法 162
8.4 水箱液位模糊推理系統(tǒng)實現(xiàn) 163
8.5 水箱液位模糊控制器設計 167
8.6 水箱液位模糊控制編程實現(xiàn) 170
8.7 模糊PID控制 171
8.8 模糊PID控制的仿真實現(xiàn) 172
8.8.1 Kp模糊規(guī)則設計 173
8.8.2 Ki模糊規(guī)則設計 173
8.8.3 Kd模糊規(guī)則設計 174
思考題 176
第9章 網(wǎng)絡化過程控制系統(tǒng) 177
9.1 集散控制系統(tǒng) 177
9.1.1 集散控制系統(tǒng)產(chǎn)生的背景 177
9.1.2 集散控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成 179
9.1.3 集散控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 182
9.1.4 集散控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 185
9.1.5 集散控制系統(tǒng)的特點 187
9.1.6 DCS中的先進控制技術 190
9.1.7 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢 190
9.1.8 DCS技術的優(yōu)點與缺點 192
9.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 193
9.2.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概述 193
9.2.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)構(gòu)成 195
9.2.3 現(xiàn)場總線的通信協(xié)議和標準化 197
9.2.4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點 200
9.2.5 現(xiàn)場總線控制的發(fā)展現(xiàn)狀 202
9.2.6 現(xiàn)場總線控制在過程控制中的應用 203
9.2.7 現(xiàn)場總線控制在過程控制中應用的注意事項 204
9.2.8 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的不足和未來發(fā)展 205
9.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS和集散控制系統(tǒng)DCS的比較 206
9.3.1 信號的傳輸方式不同 206
9.3.2 通信協(xié)議不同 207
9.3.3 DCS和FCS結(jié)構(gòu)不同 207
9.3.4 DCS和FCS結(jié)構(gòu)可靠性不同 207
9.3.5 DCS與FCS的成本不同 208
思考題 210
第10章 過程控制工業(yè)應用實例 211
10.1 燃機的水冷系統(tǒng)介紹 211
10.2 燃機的水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 211
10.3 系統(tǒng)建模 212
10.3.1 影響因素與耦合關系 212
10.3.2 問題描述及數(shù)學模型 212
10.3.3 問題特性 213
10.4 系統(tǒng)解耦控制策略 216
10.5 系統(tǒng)解耦控制仿真 223
參考文獻 226