过程控制工程

1过程控制概论

1.1控制系统的组成与目标

1.1.1控制系统的由来

1.1.2控制系统的组成

1.1.3过程控制的术语与目标

12控制仪表与控制装置

1.2.1单元组合控制仪表

1.2.2计算机控制装置

1.3过程控制策略

1.3.1反馈控制

1.3.2前馈控制

1.4反馈控制系统的分类

思考题与习题1

2基于过程动力学的机理建模

2.1过程建模的目的和方法

2.2机理建模

2.2.1机理法建模的步骤

2.2.2常用的方程

2.3典型过程的动态建模

2.3.1液体储罐的动态模型

2.3.2串联液体储罐的动态模型

2.3.3气体压力储罐的动态模型

2.3.4夹套式换热器的动态模型

2.3.5管式换热器的动态模型

2.3.6化学反应器的动态模型

思考题与习题2

3基于实验数据的经验建模

3.1阶跃响应建模

31.1阶跃响应的获取

3.1.2由阶跃响应确定近似传递函数

3.1.3脉冲响应方法

3.2回归建模方法

3.2.1线性回归建模

3.2.2离散时间模型及其辨识

3.2.3神经网络建模

思考题与习题3

4反馈控制

4.1控制系统的性能指标

4.1.1以阶跃响应曲线的特征参数作为性能指标

4.1.2偏差积分性能指标

4.2三种常规的反馈控制模式

4.21比例控制作用

4.2.2比例积分控制作用

42.3比例积分微分控制作用

4.3PID控制器的选取与整定

4.3.1控制器的选型

4.3.2控制器参数整定

4.3.3PID参数自整定

4.4反馈控制系统的投运

思考题与习题4

5前馈控制和比值控制

5.1前馈控制系统

5.1.1前馈控制的基本原理

5.1.2前馈控制系统的特点

5.2前馈控制系统的几种结构形式

5.2.1静态前馈

5.2.2动态前馈

5.2.3前馈反馈控制系统

5.2.4多变量前馈控制

5.2.5用计算机实施前馈控制

5.3比值控制系统

5.3.1定比值控制系统

5.3.2变比值控制系统

5.3.3比值控制系统的实施

5.3.4比值控制系统的设计、投运及整定

5.3.5比值控制系统中的若干问题

思考题与习题5

6其他典型控制系统

6.1串级控制系统

6.1.1串级控制的概念及方框图描述

6.1.2串级控制系统分析

6.1.3串级控制系统设计

6.1.4串级控制系统举例

6.2非线性增益补偿控制

6.2.1非线性过程的特点

6.2.2非线性补偿方法

6.2.3pH中和过程控制

6.3均匀控制

63.1均匀控制的由来

6.3.2均匀控制的实现

6.3.3均匀控制参数工程整定

6.4选择性控制系统

6.4.1用于设备软保护的选择性控制

6.4.2其他选择性控制系统

6.5分程控制系统和阀位控制系统

6.51分程控制系统

6.5.2阀位控制系统

思考题与习题6

7多回路控制系统分析与设计

7.1相对增益

7.1.1相对增益的概念

7.1.2相对增益矩阵的计算

7.2耦合系统的变量配对与控制参数整定

72.1耦合系统的变量配对

7.2.2耦合多回路系统的控制器参数整定

7.3多回路系统的解耦设计

7.3.1基于方框图的线性解耦器

7.3.2基于过程机理的非线性解耦器

思考题与习题7

8计算机控制系统

8.1计算机控制系统概述

8.2信号采集与处理

821信号采集与变换

82.2信号处理与数据滤波

8.3数字PID控制算法

831数字PID控制算式

8.3.2数字PID改进算式

8.3.3数字PID控制的实现

834数字PID控制器参数整定

8.4数字控制系统举例

8.4.1DCS(DistrjbutedControlSystem)概念

8.4.2JX-300X系统结构

8.4.3JX-300X系统软件

思考题与习题8

9基于模型的控制方法

91史密斯预估控制

9.1.1史密斯补偿原理

9.1.2史密斯预估器的几种改进方案

9.2内模控制

9.2.1基本内模控制系统的结构与性质

9.2.2改进型内模控制系统

9.3模型预测控制

9.3.1模型预测控制的主要特征

93.2SISO无约束动态矩阵控制

9.33MIMO受约束动态矩阵控制

9.4先进控制应用示例：原油蒸馏塔的多变量预测控制

9.41工艺概况

9.4.2常压塔的多变量约束控制问题

9.43常压塔先进控制系统的运行结果

思考题与习题9

10过程监督控制

101监督控制概述

10.2过程监视与控制

10.2.1过程变量限值检查法

10.2.2过程监控一般方法

10.2.3质量控制图法

10.3统计过程控制技术

10.3.1过程能力指数

10.3.26-Sigma方法

1033多元统计控制技术

103.4过程控制和统计过程控制的关系

思考题与习题10

11间歇过程控制

11.1间歇生产过程及控制

111.1间歇生产过程特点

1112间歇生产过程控制系统

11.2顺序逻辑控制

11.3间歇生产过程中的控制

11.3.1间歇生产过程的特殊控制方法

11.3.2间歇反应器的控制

11.4批次对批次(Run-to-Run)控制

11.4.1概述

11.4.2指数加权移动平均控制算法

11.4.3应用示例

11.5间歇生产过程管理

11.5.1处方(Reclpe)和配方的管理

11.5.2间歇生产过程计划与调度

思考题与习题11

12传热设备的控制

12.1概述

12.1.1热量传递的三种方式

12.1.2换热设备的结构类型

12.1.3换热设备的静态特性

12.1.4换热设备的动态特性

12.2换热设备的控制

12.2.1换热器的控制

122.2蒸汽加热器的控制

12.23冷凝冷却器的控制

12.3加热炉的控制

12.3.1加热炉的单回路控制方案

12.3.2加热炉的串级控制方案

12.4锅炉设备的控制

124.1汽包水位的控制

12.42燃烧系统的控制

124.3蒸汽过热系统的控制

思考题与习题12

13精馏塔的控制

13.1精馏塔的控制目标

13.1.1质量指标

131.2产品产量和能量消耗

13.2精馏塔的静态特性和动态特性

13.21精馏塔的静态特性

132.2精馏塔的动态模型

13.3精馏塔质量指标的选取

133.1灵敏板的温度控制

13.3.2温差控制

13.33双温差控制

13.4精馏塔的常用控制方案

134.1物料平衡控制

13.4.2精馏段质量指标控制

13.43提馏段质量指标控制

134.4两端质量指标控制

13.5精馏塔的先进控制方案

135.1内回流控制

13.5.2产品质量的软测量与推断控制

13.5.3精馏塔的节能控制

思考题与习题13

14计算机综合集成控制

14.1计算机综合集成控制概述

14.1.1流程工业生产过程运作特点

14.1.2计算机综合集成控制

14.2信息源与信息集成系统

142.1企业信息和数据来源

14.2.2信息分类与编码

14.23企业信息系统综合集成技术

14.3数据校正技术

14.3.1概述

14.3.2数据校正原理

143.3过失误差检测原理

14.4数据驱动下的企业运行

14.4.1生产过程的安全、稳定运行

14.4.2生产过程的优化管理及运行

14.5优化技术及应用

145.1最优化概念

14.5.2实时优化经济模型

14.53实时优化控制技术

14.54最优化算法及控制

思考题与习题14

参考文献

　　本书共分14章，第1章是介绍过程控制工程的一些基本概念和知识；第2章和第3章介绍过程建模的机理方法和基于数据的经验建模方法；第4章介绍单回路反馈控制方法；第5章是前馈控制和比值控制；第6章是介绍过程工业中典型的一些控制方法，如串级控制、非线性增益补偿控制、均匀控制、选择性控制以及分程控制和阀位控制；第7章讨论多回路控制系统的分析与设计，即原来的解耦控制问题；第8章是以DCS为主的计算机控制系统；第9章讨论基于模型的先进控制算法，其中包括史密斯预估控制、内模控制、模型预测控制以及应用示例；第10章是介绍过程监督控制基本方法，即随机统计过程控制；第11章介绍间歇生产过程的控制问题；第12章和第13章分别介绍过程工业中传热设备和精馏过程的控制问题；最后一章，第14章是介绍计算机综合集成控制与最优化控制技术及其应用。　　过程控制工程是控制科学与控制工程学科中的重要知识领域，是自动化专业学生必修课程之一。本书是在原《化工过程控制工程》和《工业过程控制工程》教材基础上进行重新编写的。　　全书共分14章，每章末都附有练习题。本书从内容上全书可分成三大部分：第一部分是过程控制工程的基础知识，包括第1～8章，内容有过程控制概论，过程机理和经验建模，反馈控制，前馈控制和比值控制，串级、均匀、非线性增益补偿、选择性和分程控制，多回路控制系统分析与设计和计算机控制系统；第二部分是先进控制技术，包括第9、10、14章，内容有基于模型的控制方法，过程监督控制和计算机综合集成控制；第三部分是过程控制工程应用示例，包括第11、12、13章，内容有间歇过程控制、传热设备的控制以及精馏塔的控制。　　本书可作为自动化及相关专业高年级本科生或研究生的教材，也可供在煤油、石油化工、化工、冶金、电力、轻工等领域从事工业过程自动控制工程的技术人员参考。