过程控制系统

本书以常规过程控制系统为主体，以目前在工业生产过程中广泛使用且较为成熟的典型控制方案作为重点内容，予以系统的阐述。本书共分为8章。第1章过程控制基础知识，第2章简单控制系统，第3章串级控制系统，第4章前馈控制系统，第5章比值控制系统，第6章其他控制系统，第7章典型化工单元的控制，第8章控制系统工程设计。每章前面均设置"内容提要”和"特别提示”，章内每小节后附有"工程经验”，章后配备"本章小结”、习题和实验（参考）项目等内容，并提供了习题的参考答案，以满足读者学习和实践的需要。

齐卫红，女，西安理工大学高等职业技术学院，长期从事生产过程自动化专业的教研工作，拥有丰富的教学经验和生产经验。主编的《过程控制系统》一书获得高校师生的广泛好评。

绪论 1
0.1 过程控制的定义和任务 1
0.2 过程控制的发展与趋势 4
0.2.1 自动控制理论的发展历程 4
0.2.2 过程控制系统的发展与趋势 5
第1章 过程控制基础知识 7
1.1 自动控制系统的组成及分类 7
1.1.1 人工控制与自动控制 7
1.1.2 自动控制的基本方式 8
1.1.3 自动控制系统的组成 10
1.1.4 自动控制系统的分类 11
1.2 系统运行的基本要求 14
1.2.1 系统的动态与静态 14
1.2.2 基本要求 15
1.3 过程控制系统的过渡过程及控制性能指标 16
1.3.1 过程控制系统的过渡过程 16
1.3.2 过程控制系统的控制性能指标 17
1.4 过程动态特性与建模 20
1.4.1 数学模型的定义 20
1.4.2 被控过程的数学模型（过程特性） 20
1.4.3 传递函数 27
1.4.4 过程特性的一般分析 29
1.4.5 过程动态模型的实验测取 32
1.5 过程控制系统的方框图及传递函数 35
1.5.1 系统方框图 35
1.5.2 方框图的等效变换与化简 35
1.5.3 过程控制系统的传递函数 40
1.6 常规控制规律及其对系统控制质量的影响 42
1.6.1 PID控制的特点 42
1.6.2 位式控制 43
1.6.3 比例控制（P） 44
1.6.4 积分控制（I） 47
1.6.5 微分控制（D） 50
本章小结 53
思考与练习 55
实验一 单回路控制系统控制过程演示 56
实验二 一阶（单容）过程特性测试二阶（双容）过程特性测试 57
第2章 简单控制系统 59
2.1 系统组成原理 59
2.1.1 简单控制系统的结构组成 59
2.1.2 控制过程分析 61
2.1.3 简单控制系统的设计概述 62
2.2 被控变量的选择 63
2.2.1 被控变量的选择方法 63
2.2.2 被控变量的选择原则 64
2.2.3 被控变量的选择实例 64
2.3 过程特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 66
2.3.1 扰动通道特性对控制质量的影响 68
2.3.2 控制通道特性对控制质量的影响 71
2.3.3 操纵变量的选择 74
2.4 执行器（气动薄膜控制阀）的选择 74
2.4.1 控制阀概述 74
2.4.2 控制阀的结构形式及选择 77
2.4.3 控制阀气开、气关形式的选择 80
2.4.4 控制阀流量特性的选择 81
2.4.5 控制阀口径的选择 87
2.4.6 阀门定位器的正确使用 89
2.5 测量变送环节的选取及其对控制质量的影响 91
2.5.1 对测量变送环节的基本要求 92
2.5.2 测量误差分析 92
2.5.3 减小动态误差的方法 93
2.6 控制器的选择 95
2.6.1 控制器控制规律的选择 96
2.6.2 控制器正、反作用方式的选择 97
2.7 简单控制系统的投运和整定 100
2.7.1 控制系统的投运 100
2.7.2 控制系统的整定 103
2.8 简单控制系统的故障与处理 108
2.8.1 故障产生的原因 109
2.8.2 故障判断和处理的一般方法 109
2.8.3 故障分析举例 110
本章小结 111
思考与练习 113
实验三 简单控制系统的投运和整定 116
第3章 串级控制系统 117
3.1 基本原理和结构 118
3.1.1 串级控制系统的组成原理 118
3.1.2 串级控制系统的结构 119
3.1.3 串级控制系统的控制过程 121
3.2 串级控制系统的特点 122
3.3 串级控制系统的应用范围 126
3.3.1 用于具有较大纯滞后的过程 126
3.3.2 用于具有较大容量滞后的过程 128
3.3.3 用于存在变化剧烈和较大幅值扰动的过程 129
3.3.4 用于具有非线性特性的过程 129
3.4 串级控制系统的设计 130
3.4.1 主、副被控变量的选择 131
3.4.2 主、副控制器控制规律的选择 135
3.4.3 主、副控制器正、反作用的选择 135
3.4.4 串级控制系统的实施 137
3.5 串级控制系统的投运和整定 139
3.5.1 串级控制系统的投运 139
3.5.2 串级控制系统的整定 139
本章小结 141
思考与练习 142
实验四 串级控制系统的投运和整定 144
第4章 前馈控制系统 146
4.1 前馈控制原理 146
4.2 前馈控制的特点及局限性 147
4.2.1 前馈控制的特点 147
4.2.2 前馈控制的局限性 148
4.3 前馈控制系统的几种主要结构形式 148
4.3.1 单纯的前馈控制系统 148
4.3.2 前馈-反馈控制系统 149
4.3.3 前馈-串级控制系统 150
4.4 前馈控制系统的实施及应用 151
4.4.1 前馈控制系统的实施 151
4.4.2 前馈控制系统的应用 153
本章小结 154
思考与练习 155
第5章 比值控制系统 156
5.1 概述 156
5.2 比值控制系统的类型 157
5.2.1 单闭环比值控制系统 157
5.2.2 双闭环比值控制系统 158
5.2.3 变比值控制系统 159
5.3 比值系数的计算 161
5.3.1 流量与测量信号成线性关系时的折算 161
5.3.2 流量与测量信号成非线性关系时的折算 163
5.4 比值控制系统的实施 164
5.4.1 两种实施方案 164
5.4.2 比值控制系统中的信号匹配问题 165
5.5 比值控制系统的投运与整定 166
本章小结 167
思考与练习 167
实验五 单闭环比值控制系统的投运和整定 168
第6章 其他控制系统 170
6.1 均匀控制系统 170
6.1.1 均匀控制原理 170
6.1.2 均匀控制方案 172
6.2 选择性控制系统 175
6.2.1 选择性控制原理 175
6.2.2 选择性控制系统的类型 175
6.2.3 选择性控制系统工程设计和实施时的几个问题 178
6.3 分程控制系统 180
6.3.1 分程控制系统的组成及工作原理 180
6.3.2 分程控制的应用场合 181
6.3.3 分程控制系统的实施 184
本章小结 185
思考与练习 186
第7章 典型化工单元的控制 187
7.1 流体输送设备的控制 187
7.1.1 泵的控制 188
7.1.2 压缩机的控制 190
7.1.3 离心式压缩机的防喘振控制系统 192
7.2 传热设备的控制 194
7.2.1 传热设备的特性 194
7.2.2 一般传热设备的控制 195
7.2.3 加热炉的控制 198
7.3 锅炉设备的控制 202
7.3.1 锅炉汽包水位的控制 203
7.3.2 锅炉燃烧系统的控制 206
7.3.3 蒸汽过热系统的控制 209
7.4 精馏塔的控制 210
7.4.1 精馏塔的控制目标和扰动分析 211
7.4.2 精馏塔被控变量的选择 212
7.4.3 精馏塔的控制方案 214
*7.4.4 复杂控制和新型控制方案在精馏塔中的应用 218
7.5 化学反应器的控制 219
7.5.1 化学反应器的控制要求和被控变量的选择 219
7.5.2 化学反应器的基本控制策略 220
7.5.3 几种典型反应器的控制方案 221
本章小结 223
思考与练习 224
第8章 控制系统工程设计 227
8.1 工程设计的基本知识 227
8.1.1 工程设计的基本任务和设计步骤 227
8.1.2 工程设计的内容 228
8.1.3 自控系统工程设计的方法 229
8.2 控制方案及工艺控制流程图的设计 230
8.2.1 工程设计的图例符号 231
8.2.2 控制方案的设计 236
8.2.3 工艺控制流程图的绘制 239
8.3 控制系统的设备选择 241
8.3.1 仪表自动化设备的选型 241
8.3.2 检测仪表的选择 241
8.3.3 显示控制仪表的选型 242
8.3.4 自控设备表 243
8.4 仪表盘正面布置图和背面电气接线图 244
8.4.1 仪表盘正面布置图 244
8.4.2 仪表盘背面电气接线图 247
8.5 其他设计文件简介 252
本章小结 256
思考与练习 256
附录A 工艺流程图上常用设备和机器图例符号 258
附录B 工艺流程图上常用物料代号 260
附录C 工艺流程图上管道、管件、阀门及附件图例符号 261
附录D 过程控制范例——识读工业锅炉工艺控制流程图 262
附录E 某自控设计的自控设备表（表一）（部分） 263
附录F 某自控设计的自控设备表（表二）（部分） 264
参考文献 265