过程装备控制技术及应用(张早校)(第4版)

本教材从过程装备自动控制技术的应用角度，主要介绍过程装备控制系统的基本概念，基本组成、原理及应用；常见过程参数如压力、温度、流量、液位、物质成分等的测量方法原理及所用仪器、仪表的结构；常用过程控制仪表的结构原理；以及计算机控制系统的构成原理和可编程控制器技术；简要介绍适应智能控制发展的几种比较先进的过程控制技术基本知识。 本教材可供过程装备与控制工程专业本科和研究生使用，以及有关院校石油、化工、制药、能源、环境工程、安全工程等专业学生使用，也可供从事过程装备与控制行业的工程技术人员参考。

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1 控制系统的基本概念001 1.1 概述001 1.1.1 生产过程自动化系统所包含的内容002 1.1.2 过程装备控制的任务和要求002 1.2 控制系统的组成003 1.2.1 过程装备控制的基本概念003 1.2.2 系统组成004 1.3 控制系统的方框图004 1.4 控制系统的分类006 1.4.1 按给定值的变化规律划分006 1.4.2 按系统输出信号对操纵变量影响的方式划分007 1.4.3 按系统的复杂程度划分007 1.4.4 按系统克服干扰的方法划分007 1.4.5 按控制作用的形式划分009 1.4.6 按控制系统的特性划分009 1.5 控制系统的过渡过程及其性能指标009 1.5.1 控制系统的过渡过程009 1.5.2 控制系统的性能指标010 1.5.3 自动控制系统性能的基本要求012 思考题与习题013 2 过程控制系统设计基础017 2.1 控制系统的数学模型017 2.1.1 微分方程017 2.1.2 传递函数019 2.1.3 方框图的简化020 2.2 被控对象的动态特性025 2.2.1 被控对象的数学描述025 2.2.2 被控对象的特性参数029 2.2.3 对象特性的实验测定031 2.3 控制器的动态特性035 2.3.1 控制器的基本控制规律035 2.3.2 控制规律的选取043 2.4 单回路控制系统044 2.4.1 单回路控制系统的设计044 2.4.2 控制器参数的工程整定048 思考题与习题051 3 复杂控制系统055 3.1 串级控制系统056 3.1.1 基本原理056 3.1.2 主要特点及其应用场合058 3.2 前馈控制系统059 3.2.1 基本原理059 3.2.2 主要结构形式060 3.3 比值控制系统063 3.3.1 定比值控制系统064 3.3.2 变比值控制系统066 3.4 选择性控制系统067 3.4.1 基本原理067 3.4.2 选择性控制的类型068 3.4.3 选择性控制中选择器性质的确定068 3.5 均匀控制系统069 3.5.1 基本原理及特点069 3.5.2 均匀控制的类型070 3.6 分程控制系统070 思考题与习题072 4 过程检测技术075 4.1 测量与误差的基本知识075 4.1.1 测量的基本概念075 4.1.2 误差的基本概念078 4.1.3 仪器仪表的主要性能指标081 4.2 传感器概述085 4.2.1 传感器基本概念及组成085 4.2.2 传感器分类087 4.2.3 传感器特性及标定087 4.2.4 新型传感器介绍088 4.2.5 传感器选用089 4.3 压力测量090 4.3.1 概述090 4.3.2 液柱式压力计091 4.3.3 弹性式压力计093 4.3.4 压阻式压力计095 4.3.5 压电式压力计096 4.3.6 压力计的选用098 4.4 温度测量099 4.4.1 概论099 4.4.2 热膨胀式温度计100 4.4.3 热电偶测温仪表101 4.4.4 热电阻测温仪表105 4.4.5 测温仪表的选用106 4.5 流量测量107 4.5.1 概述107 4.5.2 压差式流量计108 4.5.3 转子式流量计111 4.5.4 涡街流量计112 4.5.5 电磁式流量计113 4.5.6 热式气体质量流量计114 4.5.7 流量测量仪表的选用115 4.6 液位测量115 4.6.1 概述115 4.6.2 浮力式液位计116 4.6.3 静压式液位计118 4.6.4 电容式液位计120 4.6.5 光纤液位计121 4.6.6 液位计的选用122 4.7 物质成分分析123 4.7.1 红外线气体分析仪123 4.7.2 氧化锆氧气分析仪125 4.7.3 工业电导仪128 4.7.4 气相色谱仪131 4.8 过程检测技术的新进展134 4.8.1 智能传感器135 4.8.2 软测量技术136 4.8.3 多传感器信息融合136 4.8.4 虚拟仪器137 思考题与习题139 5 过程控制装置143 5.1 变送器144 5.1.1 差压变送器145 5.1.2 防爆安全栅156 5.1.3 温度变送器160 5.1.4 标准仪表的信号标准以及与电源连接的方式163 5.1.5 典型系统的变送器选择164 5.2 控制器165 5.2.1 控制器控制规律的实现方法165 5.2.2 PID 控制器的硬件结构168 5.2.3 典型系统的控制器选择179 5.3 执行器180 5.3.1 气动执行器181 5.3.2 电动执行器191 5.3.3 电-气转换器及电-气阀门定位器192 5.3.4 典型系统执行器的选择194 思考题与习题196 6 计算机控制系统199 6.1 概述199 6.2 计算机控制系统的组成及分类201 6.2.1 计算机控制系统的组成201 6.2.2 数字阀门202 6.2.3 计算机控制系统的分类202 6.3 A/D 与D/A 转换器206 6.3.1 A/D 转换器206 6.3.2 A/D 选择原则207 6.3.3 D/A 转换器208 6.3.4 D/A 选择原则210 6.3.5 A/D、D/A 接口板介绍210 6.4 计算机测试系统211 6.4.1 计算机在测试技术中的作用211 6.4.2 计算机测试系统的基本结构211 6.4.3 数据采集213 6.4.4 计算机测试系统的设计215 6.5 直接数字控制系统216 6.5.1 DDC 系统概述216 6.5.2 DDC 的基本算法219 6.5.3 改进的PID 算法222 6.5.4 DDC 的PID 算法中参数的整定227 6.5.5 采样周期的选择227 6.6 可编程序控制器及其应用* 228 6.6.1 概述228 6.6.2 可编程序控制器的基本组成与工作原理229 6.6.3 可编程序控制器的编程指令231 6.7 集散控制系统与现场总线控制系统233 6.7.1 集散控制系统233 6.7.2 现场总线控制系统236 6.8 计算机控制系统的设计与实现238 6.8.1 计算机控制系统的设计原则238 6.8.2 计算机控制系统设计的一般步骤239 6.9 提高计算机控制系统可靠性的措施241 6.9.1 提高元器件的可靠性241 6.9.2 冗余技术241 6.9.3 采取抗干扰措施242 思考题与习题245 7 典型过程控制系统应用方案249 7.1 热交换器温度反馈——静态前馈控制系统249 7.1.1 生产过程对系统设计的要求249 7.1.2 系统组成250 7.1.3 仪表静态参数的设置250 7.2 单回路控制系统的应用251 7.2.1 生产工艺简况252 7.2.2 系统设计252 7.3 流体输送设备的控制255 7.3.1 概述255 7.3.2 泵及压缩机的典型控制方案255 7.4 反应器的控制* 259 7.4.1 化学反应的特点与基本规律259 7.4.2 化学反应器的控制要求和手段261 7.4.3 反应器温度被控变量的选择262 7.4.4 以温度作为控制指标的控制方案264 7.5 精馏塔的控制266 7.5.1 概述266 7.5.2 精馏塔的基本关系266 7.5.3 精馏塔的控制要求及干扰因素267 7.5.4 被控变量的选择267 7.5.5 精馏塔的控制268 7.6 计算机数字控制的典型实例——炉温控制系统的计算机控制269 7.6.1 控制方案设计269 7.6.2 硬件线路271 7.6.3 控制算法的确定272 7.6.4 程序流程框图273 7.6.5 控制系统的调试273 思考题与习题273 8 先进过程控制系统简介275 8.1 自适应控制系统276 8.1.1 基本概念276 8.1.2 自适应控制系统的基本类型276 8.2 推断控制系统276 8.3 预测控制系统277 8.4 模糊控制系统279 8.5 数据驱动的智能控制系统280 8.5.1 人工神经网络的数学模型281 8.5.2 人工神经网络拓扑结构及学习算法282 8.5.3 常用神经网络简介283 8.5.4 深度学习网络模型285 8.5.5 人工神经网络与自动控制285 思考题与习题288 参考文献289