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1 自动控制系统概述1

1.1 自动控制系统的组成1

目录1

1.2 系统运行的基本要求2

1.2.1 系统运行的基本要求2

1.2.2 闭环与开环3

1.2.3 正作用与反作用3

1.3 自动控制系统的分类3

1.3.1 定值控制系统3

1.3.2 随动控制系统3

1.3.3 程序控制系统3

1.4 自动控制系统的过渡过程和品质指标4

1.4.1 系统的稳态和动态4

1.4.2 系统的过渡过程4

1.4.3 描述系统过渡过程的品质指标5

1.5.2 拉普拉斯变换7

1.5 传递函数和方块图7

1.5.1 问题的引入7

1.5.3 传递函数9

1.5.4 方块图10

1.6 管道及仪表流程图14

1.6.1 图形符号14

1.6.2 字母代号16

1.6.3 仪表位号16

思考题与习题17

2 控制系统基本组成环节特性分析19

2.1 被控对象特性及其对过渡过程的影响19

2.1.1 被控对象的数学描述方法19

2.1.2 建立对象数学模型的目的与方法20

2.1.3 对象机理数学模型的建立21

2.1.4 描述对象特性的参数及其对过渡过程的影响25

2.1.5 被控对象特性参数的实验测定方法27

2.2 测量、变送环节特性及其对过渡过程的影响29

2.2.1 测量元件29

2.2.2 变送器31

2.3 执行器特性及其对过渡过程的影响31

2.4 控制规律及其对过渡过程的影响33

2.4.1 双位控制33

2.4.2 比例控制（P）35

2.4.3 比例积分控制（P1）38

2.4.4 比例微分控制（PD）41

2.4.5 比例积分微分控制（PID）42

思考题与习题43

3 过程参数的检测46

3.1 概述46

3.1.1 检测过程与测量误差46

3.1.2 过程参数的一般检测原理50

3.1.3 变送器的基本特性和构成原理51

3.1.4 变送器的若干共性问题53

3.2 压力检测55

3.2.1 压力的表示方法55

6 执行器 155

3.2.2 压力检测的主要方法和分类56

3.2.3 液柱式压力检测56

3.2.4 弹性式压力检测57

3.2.5 电气式压力检测62

3.2.6 智能式压力变送器63

3.2.7 压力检测仪表的选用和安装65

3.3 温度检测69

3.3.1 温度检测的主要方法和分类69

3.3.2 热电偶及其测温原理69

3.3.3 热电阻及其测温原理75

3.3.4 温度变送器简介76

3.3.5 其他温度检测仪表简介81

3.3.6 温度检测仪表的选用和安装82

3.4.1 流量检测的主要方法和分类83

3.4 流量检测83

3.4.2 节流式流量计84

3.4.3 转子流量计86

3.4.4 电磁流量计88

3.4.5 涡轮流量计89

3.4.6 旋涡流量计89

3.4.7 容积式流量计90

3.4.8 其他流量检测方法90

3.5.1 物位检测的主要方法和分类92

3.5 物位检测92

3.5.2 差压式液位计93

3.5.3 浮筒式液位计93

3.5.4 电容式物位计94

3.5.5 核辐射式物位计95

3.6 成分和物性参数的检测95

3.6.1 热导式气体成分检测95

3.6.2 红外式气体成分检测96

3.6.3 溶解氧的检测96

3.6.4 pH值的检测98

3.6.5 浊度的检测98

3.7 软测量技术简介98

思考题与习题101

4 控制器103

4.1 模拟调节器103

4.1.1 概述103

4.1.2 DDZ-Ⅲ型电动调节器简介103

4.2 数字式控制器105

4.2.1 数字式控制器的主要特点105

4.2.2 数字式控制器的构成原理105

4.2.3 SLPC可编程调节器108

思考题与习题114

5.1.1 计算机控制系统的基本组成115

5 计算机控制系统115

5.1 概述115

5.1.2 计算机控制系统的发展过程116

5.1.3 计算机控制系统的发展特征118

5.1.4 离散化PID控制和数字滤波算法119

5.2 可编程序控制器121

5.2.1 概述121

5.2.2 PLC基本组成122

5.2.3 PLC的基本工作原理123

5.2.4 PLC的程序设计简介124

5.3 集散控制系统129

5.3.1 概述129

5.3.2 DCS的硬件体系结构130

5.3.3 DCS的软件系统134

5.3.4 DCS的组态（开发与生成）135

5.4.1 现场总线的概述138

5.4 现场总线控制系统138

5.4.2 基金会现场总线141

5.4.3 Profibus现场总线144

5.4.4 几个具体问题的分析148

5.5 工业以太网149

5.5.1 以太网的介质访问控制协议150

5.5.2 以太网应用于工业现场的关键技术150

5.5.3 工业以太网的应用152

思考题与习题153

6.1 概述155

6.1.1 执行器在自动控制系统中的作用155

6.1.2 执行器的构成155

6.1.3 执行器的分类155

6.2 执行机构156

6.2.1 气动执行机构156

6.1.4 执行器的作用方式156

6.2.2 电动执行机构157

6.2.3 智能式电动执行机构157

6.3 调节机构158

6.4 调节阀的流量系数和流量特性160

6.4.1 流量系数160

6.4.2 流量特性161

6.4.3 调节阀的可调比163

6.5 阀门定位器164

6.5.1 电／气阀门定位器164

6.5.2 气动阀门定位器165

6.5.3 智能式阀门定位器165

6.6 执行器的选择、计算和安装166

6.6.1 执行器结构形式的选择166

6.6.2 调节阀流量特性的选择167

6.6.3 调节阀的口径选择168

6.6.4 气动调节阀的安装169

思考题与习题170

7 简单控制系统171

7.1 简单控制系统的结构与组成171

7.2 自动控制的目的及被控变量的选择172

7.3 对象特性对控制质量的影响及控制变量的选择174

7.3.1 控制变量与干扰变量174

7.3.2 对象特性对控制质量的影响174

7.3.3 控制变量的选择原则与选择方法176

7.4 测量滞后对控制质量的影响及测量信号的处理179

7.4.1 测量滞后对控制质量的影响179

7.4.2 克服测量滞后的几种方法180

7.4.3 测量信号的处理180

7.5 负荷变化对控制质量的影响及调节阀的选择181

7.6.1 控制规律的选择182

7.6.2 控制器正、反作用的选择182

7.6 控制规律的选择182

7.7 控制系统的投运与参数整定184

7.7.1 控制系统的投运184

7.7.2 控制器参数的工程整定184

思考题与习题188

8 复杂控制系统190

8.1 串级控制系统190

8.1.1 概述190

8.1.2 串级控制系统的工作过程192

8.1.3 串级控制系统的特点及应用范围193

8.1.4 串级控制系统主、副回路的选择193

8.1.5 主、副控制器控制规律及正、反作用的选择196

8.1.6 主、副控制器参数的工程整定198

8.2 均匀控制系统199

8.2.1 均匀控制的目的199

8.2.2 均匀控制方案200

8.3.2 比值控制的类型201

8.3 比值控制系统201

8.3.1 概述201

8.4 选择性控制系统204

8.4.1 概述204

8.4.2 选择性控制系统的类型204

8.4.3 积分饱和及抗积分饱和措施207

8.5 分程控制系统208

8.5.1 概述208

8.5.2 分程控制的应用209

8.5.3 分程控制系统应用中应注意的几个问题211

8.6 前馈控制系统211

8.6.1 概述211

8.6.2 前馈控制系统的结构213

8.6.3 前馈控制系统的应用场合214

8.7 多冲量控制系统215

思考题与习题217

9.1.1 系统间的相互关联220

9 新型控制系统220

9.1 解耦控制220

9.1.2 解耦控制222

9.2 推断控制224

9.3 自适应控制225

9.3.1 自适应控制系统的特点与功能225

9.3.2 自适应控制系统的类型225

9.4 预测控制226

9.4.1 预测控制的基本特征226

9.4.2 预测控制算法的类型227

9.5 模糊控制230

9.5.1 模糊控制的基本原理230

9.5.2 模糊控制的几种方法232

9.6 神经元网络控制232

9.6.1 神经元模型232

9.6.2 人工神经网络234

9.7.1 智能控制概述235

9.6.3 神经网络在控制中的应用235

9.7 智能控制与专家系统235

9.7.2 智能控制的主要类型236

9.7.3 专家控制系统237

9.8 故障检测与故障诊断238

9.8.1 提高控制系统可靠性的主要方法238

9.8.2 故障检测与诊断的主要方法239

思考题与习题240

10 典型化工单元的控制241

10.1 化工单元自动控制的一般设计原则241

10.2 流体输送设备的控制242

10.2.1 离心泵的控制242

10.2.2 容积式泵的控制243

10.2.3 压缩机的控制243

10.3 传热设备的控制245

10.3.1 无相变情况下传热设备的控制246

10.3.2 有相变情况下传热设备的控制247

10.4化学反应器的自动控制249

10.4.1 釜式反应器的自动控制250

10.4.2 固定床反应器的自动控制250

10.4.3 流化床反应器的自动控制251

10.4.4 鼓泡床反应器的控制252

思考题与习题253

11 计算机控制系统的应用255

11.1 计算机控制系统的工程设计255

11.1.1 计算机控制系统的基本设计原则255

11.1.2 计算机控制系统的工程设计程序255

11.1.3 计算机控制系统的硬件设计256

11.1.4 计算机控制系统的软件设计258

11.2 PLC在啤酒发酵过程中的应用258

11.2.1 发酵过程的生产工艺和控制要求简介258

11.2.2 S7 PLC的硬件设计259

11.2.3 软件设计261

11.3 DCS在链条锅炉系统中的应用263

11.3.1 工艺简介263

11.3.2 系统的主要控制要求264

11.3.3 系统控制方案分析264

11.3.4 控制方案在DCS上的实现265

11.4 FCS在大颗粒尿素装置中的应用简介270

11.4.1 工艺简介270

11.4.2 DeltaV系统简介271

11.4.3 控制要求在FCS上的实现271

思考题与习题272

部分习题参考答案274

附录1 部分压力单位的换算关系278

附录2 热电偶分度表278

附录3 热电阻分度表280

参考文献282