过程控制工程

前言

第一篇 过程模型

第1章 引言

1.1了解要控制的对象——工艺流程

1.2控制系统的组成

1.3与控制紧密相关的操作——性能评估和过程监视

1.4过程控制教育

第2章 典型过程的特征与模型描述

2.1液位系统

2.1.1单容液位对象

2.1.2双容液位对象

2.1.3三容液位对象

2.2反应器系统

2.3电机系统

2.4TE过程

2.4.1概述

2.4.2TE过程描述

2.4.3TE过程机理建模

思考题与习题

第3章 基于数据驱动的过程建模

3.1引言

3.2线性回归

3.3非线性回归

3.4软测量模型

3.4.1明确任务

3.4.2辅助变量的选择

3.4.3过程数据的处理及训练样本的确定

3.4.4软测量模型的建立

3.4.5软测量模型的在线校正

3.5主成分分析

3.5.1数据的标准化处理

3.5.2主成分分析的基本原理

3.6偏最小二乘

思考题与习题

第二篇 控制系统结构与算法

第4章 单回路控制

4.1概述

4.2传感器和变送器

4.2.1仪表信号的标准化

4.2.2传感器

4.2.3变送器

4.3执行装置

4.3.1控制阀

4.3.2阀位定位器

4.3.3特制尺寸的控制阀

4.3.4控制阀的口径选择

4.4仪表准确度

4.5基本控制规律

4.5.1比例控制

4.5.2积分控制

4.5.3比例积分控制

4.5.4比例微分控制

4.5.5比例积分微分控制

4.5.6双位控制

4.5.7数字PID控制器

4.6过程控制系统设计

4.6.1概述

4.6.2被控参数、控制参数的选择

4.6.3确定控制方案及控制算法

4.6.4过程控制系统的硬件选择

4.7过程的安全性

思考题与习题

第5章 扩展的单回路控制策略

5.1串级控制

5.1.1串级控制系统的基本概念

5.1.2串级控制系统分析

5.1.3串级控制系统设计

5.1.4串级控制系统投运及参数整定

5.2时延补偿

5.3推断控制

5.4自适应控制系统

思考题与习题

第6章 前馈和比值控制

6.1前馈控制系统

6.1.1前馈控制的基本原理

6.1.2前馈控制系统的几种主要结构形式

6.1.3前馈反馈控制系统

6.1.4前馈串级控制系统

6.1.5前馈控制规律的实施

6.1.6前馈控制系统的应用

6.1.7前馈控制系统的参数整定

6.2比值控制概述

6.2.1开环比值控制系统

6.2.2单闭环比值控制系统

6.2.3双闭环比值控制系统

6.2.4其他类型的比值控制系统

6.2.5比值系数的计算

6.2.6比值控制方案的实施

思考题与习题

第7章 控制系统的结构设计

7.1操作变量的选择

7.1.1控制自由度

7.1.2根据工艺流程图计算控制自由度

7.1.3计算实例

7.2受控变量的选择

7.2.1自寻优原理

7.2.2基于自寻优原理选择被控变量的计算方法

7.3受控变量和操作变量配对的方法

7.3.1相对增益法

7.3.2Niederlinski指数计算

思考题与习题

第8章 面向全流程的控制系统设计方法

8.1自动化系统架构

8.2控制结构设计任务及方法

8.2.1Luyben建议的全流程控制设计方法

8.2.2集成仿真与启发式规则的全流程控制设计方法

8.3Skogestad 提出的全流程控制系统结构设计方法

8.3.1用于操作的自由度

8.3.2全流程控制系统设计方法

思考题与习题

第9章 基于模型的预测控制

9.1概述

9.2模型预测控制的基本原理

9.3动态矩阵控制

9.4商品化的预测控制软件

9.4.1RMPCT概述及主要功能

9.4.2RMPCT的相关参数

9.4.3RMPCT的基本组成

9.4.4RMPCT的关键技术

9.4.5RMPCT的主要应用领域

思考题与习题

第三篇 控制系统应用

第10章 流体输送设备的控制

10.1概述

10.2泵及压缩机的控制方案

10.2.1离心泵

10.2.2容积泵

10.2.3压缩机的控制

10.3离心式压缩机的防喘振控制

10.3.1喘振现象及原因

10.3.2防喘振控制系统

10.4压缩机的串并联运行及其控制

思考题与习题

第11章 传热设备的控制

11.1概述

11.1.1传热设备分类

11.1.2传热设备的静态特性

11.1.3传热设备的动态特性

11.2一般传热设备的控制

11.2.1载热流体流量控制

11.2.2载热流体汽化温度控制

11.2.3工艺介质分路控制

11.2.4传热面积控制

11.3加热炉的控制

11.3.1加热炉的简单控制

11.3.2加热炉的串级控制

11.3.3加热炉的安全联锁保护

11.4锅炉的控制

11.4.1锅炉锅筒水位控制

11.4.2锅炉燃烧过程控制

11.4.3蒸汽过热系统控制

11.5仿真实例

思考题与习题

第12章 精馏塔的控制

12.1概述

12.1.1精馏塔的控制要求

12.1.2精馏塔的扰动分析

12.2精馏塔的静态特性

12.2.1总物料平衡

12.2.2能量平衡

12.2.3扰动对静态的影响

12.3精馏塔的动态特性

12.3.1动态平衡方程

12.3.2单一塔板的动态特性

12.3.3精馏塔的受控变量的选择

12.4精馏塔的基本控制方案

12.4.1按精馏段指标控制

12.4.2按提馏段指标控制

12.4.3精馏塔压力控制

12.5二元精馏塔仿真实例

思考题与习题

第13章 化学反应器的控制

13.1化学反应和化学反应器

13.1.1化学反应特征

13.1.2化学反应器分类

13.1.3化学反应器的控制要求

13.2化学反应的基本规律

13.2.1反应速度方程

13.2.2均相反应动力学方程

13.2.3反应速度常数与温度的关系

13.2.4化学平衡

13.3化学反应器动态数学模型

13.3.1单一不可逆反应

13.3.2反应器汽提塔

13.3.3含两种反应物的反应器精馏塔

13.4化学反应器的常规控制

13.4.1单回路控制

13.4.2串级控制

13.4.3前馈控制

13.4.4分程控制

13.4.5分段控制

13.5反应器控制方案的应用

13.5.1反应器精馏塔控制

13.5.2聚合釜内温控制

13.5.3聚合釜温度压力串级控制

13.6仿真实例

思考题与习题

第14章 实时优化控制

14.1概述

14.2实时优化实现流程

14.3实时优化问题描述与求解

14.4线性规划

14.4.1线性规划的标准形式

14.4.2线性规划问题的求解方法

14.5非线性规划

14.5.1非线性规划问题描述

14.5.2非线性规划问题MATLAB解法

14.5.3二次规划

思考题与习题

第15章 间歇过程控制

15.1间歇过程控制简介

15.1.1间歇过程的定义

15.1.2间歇过程的特点

15.1.3间歇过程控制的研究现状

15.2顺序逻辑控制

15.2.1引言

15.2.2顺序控制技术的现状及进展

15.3批次对批次控制

15.3.1批次对批次控制简介

15.3.2典型的RuntoRun过程举例

15.3.3常见的几种RuntoRun控制器

15.3.4厂级控制

15.4指数加权移动平均控制器

15.4.1指数加权移动平均控制器介绍

15.4.2多入多出过程的双指数加权移动平均控制器

15.4.3多变量指数加权移动平均控制器的稳定性分析

附录

附录A Laplace变换

A.1 典型函数的Laplace变换

A.2 Laplace变换的性质与定理

A.3 微分方程的Laplace变换解法

A.3.1 部分分式展开法

A.3.2 解微分方程的一般步骤

附录B 常微分方程求解

B.1 数值积分法

B.2 常用方法

B.2.1 数值积分算法计算过程

B.2.2 积分步长的选择

B.2.3 MATLAB的数值积分求解

方法

参考文献

过程控制工程是高等学校自动化专业的核心课程之一。《普通高等教育电气工程与自动化（应用型）“十二五”规划教材：过程控制工程》主要讲述过程控制系统的设计理论、方法及其应用，主要内容包括：基于过程机理和数据驱动的过程建模方法，PID控制器设计，控制系统的结构设计，基于经验的控制系统结构设计（包括串级控制、前馈控制、比值控制等），面向全流程的控制系统结构设计，模型预测控制，典型单元操作的控制（包括流体输送、换热器、精馏分离、化学反应器等），实时优化控制，间歇过程控制等。《普通高等教育电气工程与自动化（应用型）“十二五”规划教材：过程控制工程》选择了许多控制工程领域最新的研究成果，对实际工作有现实指导意义。
　　《普通高等教育电气工程与自动化（应用型）“十二五”规划教材：过程控制工程》适用于自动化、化学工艺与工程、测控技术与仪器等本科专业高年级学生和不具备控制理论基础的研究生学习，也可以作为参考资料，为在流程工业从事过程操作、系统管理、电气工程、自动控制和仪表等工作的工程师提供帮助。