计算机过程控制系统教材,计算机过程控制系统

计算机过程控制系统是自动化专业必修的专业课程。本书根据该课程特点&＃xff0c;介绍了计算机过程控制系统各组成部分的工作原理&＃xff0c;在此基础上又分别介绍了简单回路系统和复杂控制系统的设计与分析方法。具体内容包括计算机过程控制系统组成和发展概况&＃xff1b;检测技术及常用的仪表和信号接口标准&＃xff1b;执行器&＃xff0c;主要是调节阀的工作原理和流量特性&＃xff1b;被控过程的机理建模与动态特性&＃xff1b;PID控制器特点&＃xff1b;简单回路设计及控制器参数整定&＃xff1b;前馈、比值、大滞后、串级、多输入多输出系统的设计及控制器参数整定的方法。通过学习&＃xff0c;读者可以系统地掌握过程控制系统的基本组成、原理、分析与综合的理论和方法&＃xff0c;针对各种生产过程设计出相应的过程控制方案&＃xff0c;并能解决系统设备选型、控制器设计、参数整定等具体问题&＃xff0c;为解决自动化专业领域的复杂工程问题打下坚实的基础。本书取材新颖、阐述严谨、内容丰富、重点突出、推导详细、思路清晰、深入浅出、富有启发性&＃xff0c;便于教学与自学。本书既可作为高等学校理工科本科生和研究生计算机过程控制、仪表与过程控制课程的教材或参考书&＃xff0c;也可作为科技人员的参考手册。

李向舜&＃xff0c;博士&＃xff0c;毕业于华中科技大学控制科学与工程专业&＃xff0c;现任武汉理工大学自动化学院副院长&＃xff0c;工业过程智能控制实验室主任。参与建设艾默生联合实验室。

第1章 绪论1

1.1 过程控制系统应用举例1

1.2 过程控制系统组成3

1.2.1 控制系统3

1.2.2 过程5

1.2.3 控制6

1.2.4 过程控制系统6

1.2.5 计算机过程控制系统7

1.3 过程控制系统的性能指标11

1.3.1 过程控制系统的一般性要求11

1.3.2 系统响应12

1.3.3 系统单项性能指标12

1.3.4 系统积分性能指标14

1.4 过程控制系统的发展概况14

1.4.1 机械控制系统14

1.4.2 气动控制系统17

1.4.3 电子控制系统18

1.4.4 现代计算机控制系统19

1.5 过程和仪表图20

习题121

第2章 检测技术23

2.1 检测仪表概述23

2.1.1 检测仪表的技术性能指标23

2.1.2 变送器输出信号标准25

2.2 温度测量27

2.2.1 温度测量简史27

2.2.2 填充式温度计27

2.2.3 金属电阻28

2.2.4 热电偶29

2.2.5 电阻温度检测器(RTD)31

2.2.6 热敏电阻32

2.2.7 集成温度传感器33

2.2.8 辐射式高温计33

2.2.9 智能温度变送器及其应用33

2.3 压力测量34

2.3.1 压力的定义35

2.3.2 表面压力和绝对压力35

2.3.3 差压计35

2.3.4 机械式压力表36

2.3.5 电位计式压力表36

2.3.6 压力变送器的应用37

2.3.7 智能压力变送器38

2.4 物位测量38

2.4.1 视觉式液位计39

2.4.2 压力式液位计39

2.4.3 电气式液位计40

2.4.4 超声式液位计41

2.4.5 辐射式液位计41

2.4.6 雷达式液位计42

2.4.7 智能液位变送器42

2.5 流量测量43

2.5.1 流量的定义43

2.5.2 流速、流量和压差的关系43

2.5.3 雷诺系数44

2.5.4 流量测量原理44

2.5.5 差压式流量计45

2.5.6 速度式流量计46

2.5.7 容积式流量计48

2.5.8 质量式流量计49

2.5.9 质量流量计49

习题250

第3章 计算机输入/输出接口技术51

3.1 工业控制计算机51

3.1.1 工控机51

3.1.2 PLC52

3.1.3 嵌入式系统52

3.1.4 智能调节器53

3.2 计算机输入/输出通道53

3.2.1 数字量输入/输出通道53

3.2.2 模拟量输入通道58

3.2.3 采样定理与信号重构59

3.2.4 采样保持62

3.2.5　A/D转换与接口技术65

3.2.6　模拟量输出通道72

3.3　工业控制网络77

习题379

第4章 执行器81

4.1 调节阀81

4.1.1 气动调节阀的组成81

4.1.2 调节阀的流量特性87

4.1.3 闪蒸、气蚀、阻塞流92

4.1.4 调节阀的气开式和气关式93

4.2 其他阀94

4.2.1 电动阀94

4.2.2 电磁阀95

4.2.3 安全阀95

4.2.4 减压阀、止回阀、手动球阀95

4.3 步进电动机96

4.3.1 步进电动机的工作原理与驱动方式96

4.3.2 数字程序控制101

4.3.3 逐点比较法102

习题4107

第5章 过程110

5.1 机理建模110

5.1.1 质量守恒方程112

5.1.2 能量守恒方程113

5.1.3 物种(成分)守恒方程114

5.1.4 动量守恒方程115

5.2 增量法线性化116

5.3 过程动态特性120

5.3.1 一阶过程120

5.3.2 二阶过程122

5.3.3 滞后特性125

5.4 经验建模127

5.4.1 最小二乘法128

5.4.2 过程响应曲线法131

习题5136

第6章 反馈控制器138

6.1 反馈控制与闭环系统138

6.2 断续控制139

6.3 连续控制141

6.3.1 PID(比例积分微分)控制141

6.3.2 比例控制141

6.3.3 积分控制143

6.3.4 比例积分控制144

6.3.5 微分控制145

6.3.6 比例积分微分控制146

6.3.7 改进型PID148

6.4 数字控制器156

6.4.1 差分方程156

6.4.2 数字控制系统建模157

6.4.3 数字控制器连续化设计161

6.4.4 数字式PID166

6.4.5 工程二阶法169

6.4.6 直接数字控制173

6.4.7 最少拍有纹波控制175

6.4.8 最少拍无纹波控制178

习题6183

第7章 简单回路设计185

7.1 控制器参数整定185

7.1.1 直接综合法186

7.1.2 内部模型法190

7.1.3 工程整定法193

7.2 简单回路设计步骤196

7.3 被控变量的选择196

7.4 控制变量的选择198

7.5 控制器的正反作用202

7.6 简单控制系统设计实例204

习题7206

第8章 复杂控制系统208

8.1 前馈控制系统208

8.1.1 前馈控制的原理208

8.1.2 数字式前馈控制211

8.2 串级控制系统213

8.2.1 串级控制系统简介213

8.2.2 串级控制系统的特点216

8.2.3 串级控制系统设计及参数整定222

8.2.4 数字式串级控制算法223

8.3 比值控制系统224

8.3.1 比值控制系统的结构224

8.3.2 比值控制系统的设计226

8.3.3 比值控制系统方案及参数整定228

8.4 大滞后过程控制系统229

8.4.1 大滞后过程的采样控制229

8.4.2 大滞后过程的Smith预估补偿控制229

8.4.3 数字Smith预估控制器231

8.4.4 大林算法236

8.5 多输入多输出系统247

8.5.1 控制变量与被控变量的匹配247

8.5.2 相对增益矩阵250

8.5.3 解耦控制253

8.5.4 对角矩阵解耦253

8.5.5 前馈补偿解耦254

8.5.6 解耦器的简化255

8.5.7 数字解耦控制算法256

习题8257

参考文献258