過程控制系統（簡體書）

《過程控制系統》是作者在清華大學自動化專業多年教學和科研的總結，是在1993年出版的教材《過程控制》(金以慧主編，清華大學出版社)的基礎上重新編寫而成的。《過程控制系統》系統地闡述了簡單和復雜控制系統的結構、原理、設計、分析與評價，并深入剖析了兩個典型生產過程控制的實例，力圖從生產過程特點出發，對控制系統進行綜合設計和優選。在此基礎上還討論了過程計算機控制系統，進一步介紹了幾種先進控制策略，并增加了諸如間歇過程控制、整廠控制、實時最優化、過程監控等學科前沿的內容，力求反映近年來過程控制的新發展。全書從數學和物理的基本概念著手，闡述過程控制問題的本質和特點，并添加了思考題、自學部分以及自己設計實驗等內容，為培養自學能力、創新思維等提供了較大的空間。
《過程控制系統》是面向研究型大學本科生的教材，因而更強調理論與實際的結合，培養學生分析問題和解決問題的能力，注重對前沿學科發展的理解和分析。《過程控制系統》可作為高等院校自動控制類和相關專業的教材，并供有關科技人員參考。

黃德先，1982年獲華東石油學院化工自動化及儀表專業學士學位，1988年獲石油大學（北京）工業自動化專業碩士學位，2000年獲清華大學控制理論與控制工程專業博士學位。現為清華大學自動化系研究員，博士生導師，過程控制工程研究所副所長；兼任中國自動化學會過程控制專業委員會副主任，中國化工學會信息技術專業委員會副主任、過程系統工程專業委員會委員，《Chinese-Journal of Chemical Engineering》、《化工自動化及儀表》、《計算機與應用化學》等期刊編委。主要科研方向為流程工業的建模、控制、仿真和優化等，承擔和參與了國家863課題、國家攻關課題、國家自然科學基金及重點基金課題、國家973課題子課題、省部級課題和企業委托課題數十項，共授權或公開發明專利10項，出版專著一部，發表論文100多篇，被SCI收錄20多篇，EI收錄60多篇。獲國家科技進步二等獎1次，省部級獎勵9次，享受政府特殊津貼。
王京春，1987年至1997年就讀于清華大學自動化系，先后獲得了學士、碩士和博士學位，其間干1996年3月至1997年3月在英國紐卡瑟爾大學化工系作訪問學生一年。博士畢業后留校任教至今，現為清華大學自動化系副教授。主要研究方向為流程行業綜合自動化技術所涉及的信號處理、過程建模和先進控制。先后參與和負責國家“九五”攻關項目、國家自然科學基金重點基金、863及企業委托項目10余項，涉及過程參數軟測量、過程系統分析、控制系統設計、企業網絡與實時數據庫系統等方面。曾獲中國石化總公司科技進步一等獎和北京市科技進步三等獎等獎勵。近年來，作為主要組織者參與承辦全國大學生智能車競賽活動，獲得參賽學生的好評。已經發表學術論文60余篇。中國自動化學會青年工作委員會委員，過程控制專業委員會委員。
金以慧，1959年畢業于清華大學動力機械系，1963年該系熱工量測及自動控制專業研究生畢業。現為清華大學自動化系教授、博士生導師。曾任清華大學自動化科學與技術研究所所長、校學術委員會委員、系學術委員會主席、副系主任等職。曾為中國自動化學會過程控制以及計算機應用等專業委員會副主任，現為中國自動化學會榮譽理事。主要科研方向為復雜工業過程的建模、控制和優化，計劃調度，物流供應鏈等。承擔過數十項科研任務，如國家自然科學基金會重點基金“連續過程工業的綜合自動化應用理淪及新技術”以及“九五”國家攻關項目和“十五”、“十一五”863計劃課題、國家973子課題等縱向課題，還有來自企業的橫向科研任務。已在國內外雜志及學術會議上發表論文170余篇，其中SCI收錄28篇，并有教材及專著四本。編寫的《過程控制》教材曾獲第三屆全國工科電子類專業優秀教材二等獎。曾獲自動化學報優秀論文獎、教育部自然科學二等獎、中石化集團公司科技進步一等獎及二等獎以及北京市科學進步三等獎等。

緒論
0.1 生產過程自動化的發展概況和趨勢
0.2 過程控制的任務和要求
0.3 控制系統的組成、分類與性能指標
0.4 本書的結構與教學安排
思考題與習題
參考文獻

第一篇 簡單控制系統
第1章 生產過程的數學模型
1.1 被控對象的動態特性
1.1.1 基本概念
1.1.2 若干簡單被控對象的動態特性
1.1.3 工業過程自由度分析
1.1.4 工業過程動態特性的特點
1.2 過程數學模型及其建立方法
1.2.1 過程數學模型的表達形式與對模型的要求
1.2.2 建立過程數學模型的基本方法
1.2.3 常用的辨識建模方法
1.3 小結

第2章 常規控制及其過程分析
2.1 基本概念
2.2 比例控制(p控制)與積分控制(i控制)
2.2.1 比例控制、積分控制的動作規律
2.2.2 比例控制和積分控制的特點
2.2.3 比例帶和積分速度對控制過程的影響
2.3 比例積分控制(pi控制)與比例積分微分控制(pid控制)
2.3.1 比例積分控制
2.3.2 積分飽和現象與抗積分飽和
2.3.3 比例微分控制
2.3.4 比例積分微分控制規律及特點
2.4 小結

第3章 控制系統的整定
3.1 控制系統整定的基本要求
3.1.1 單項性能指標
3.1.2 誤差積分性能指標
3.2 衰減頻率特性法
3.2.1 穩定度判據
3.2.2 頻率特性法整定控制器參數
3.3 工程整定法
3.3.1 特性參數法
3.3.2 穩定邊界法
3.3.3 衰減曲線法
3.3.4 其他整定方法
3.4 控制器參數的自整定
3.4.1 極限環法
3.4.2 模式識別法
3.4.3 魯棒pid參數整定法
3.5 小結

第4章 控制系統中的儀器儀表
4.1 檢測變送儀表
4.1.1 傳感器
4.1.2 變送器
4.2 執行器——氣動調節閥
4.2.1 氣動執行機構
4.2.2 調節閥與閥門定位器
4.2.3 調節閥的流量系數與流量特性
4.2.4 氣動調節閥選型
4.3 安全柵
4.3.1 危險區域的分類
4.3.2 防爆儀表的分類、分級和分組
4.3.3 防爆安全柵
4.4 小結
第一篇小結
思考題與習題
參考文獻

第二篇 復雜控制系統
第5章 串級控制系統與比值控制系統
5.1 串級控制系統的概念
5.2 串級控制系統的分析
5.3 串級控制系統設計中的幾個問題
5.3.1 副回路的設計
5.3.2 主、副回路工作頻率的選擇
5.3.3 防止控制器積分飽和的措施
5.4 控制器的選型和整定方法
5.4.1 逐步逼近法
5.4.2 兩步整定法
5.5 比值控制系統
5.5.1 比值系數的計算
5.5.2 比值系統中的非線性特性
5.5.3 比值控制系統的整定
5.5.4 常見比值控制系統
5.6 小結

第6章 基于補償原理的控制系統
6.1 概述
6.2 前饋控制
6.2.1 基本概念
6.2.2 靜態前饋控制
6.2.3 動態前饋控制
6.2.4 前饋-反饋控制系統
6.3 大遲延控制
6.3.1 概述
6.3.2 采用補償原理克服大遲延的影響
6.3.3 史密斯預估器的幾種改進方案
6.4 非線性增益補償
6.4.1 概述
6.4.2 對象靜態非線性特性的補償
6.5 小結

第7章 解耦控制系統
7.1 相對增益
7.1.1 相對增益的定義
7.1.2 求取相對增益的方法
7.1.3 相對增益矩陣特性
7.1.4 奇異值分析法
7.2 耦合系統中的變量匹配和控制參數整定
7.2.1 變量之間的配對
7.2.2 控制回路之間的耦合影響及其整定
7.2.3 回路間動態耦合的影響
7.3 解耦控制系統的設計
7.3.1 前饋補償法
7.3.2 對角矩陣法
7.3.3 單位矩陣法
7.4 設計解耦控制系統中的問題
7.4.1 解耦系統的穩定性
7.4.2 部分解耦
7.4.3 解耦系統的簡化
7.5 小結
第二篇小結
思考題與習題
參考文獻

第三篇 先進控制系統
第8章 推理控制
8.1 推理控制問題的提出
8.2 推理控制系統
8.2.1 推理控制系統的組成
8.2.2 推理控制器的設計
8.2.3 模型誤差對系統性能的影響
8.3 多變量推理控制系統
8.3.1 控制器的V規范型結構
8.3.2 V規范型控制器的設計
8.3.3 濾波陣的選擇
8.4 應用舉例
8.4.1 丁烷精餾塔及其近似傳遞函數
8.4.2 二次輸出量的選擇
8.4.3 控制作用的限幅
8.5 軟測量
8.5.1 基于機理分析模型的軟測量技術
8.5.2 基于實驗建模的軟測量技術
8.6 小結

第9章 預測控制
9.1 預測控制問題的提出
9.2 預測控制系統
9.2.1 預測控制的基本原理
9.2.2 預測控制算法
9.2.3 預測控制的機理分析
9.3 預測控制中的幾個問題
9.3.1 系統的穩定性和魯棒性
9.3.2 非最小相位系統中的預測控制
9.3.3 大遲延系統中的預測控制
9.4 應用舉例
9.5 小結

第10章 間歇過程控制
10.1 間歇過程控制系統
10.1.1 間歇過程概述
10.1.2 間歇過程控制的特點和要求
10.1.3 間歇過程控制模型
10.2 順序控制和邏輯控制
10.2.1 典型的間歇操作順序
10.2.2 間歇過程的順序邏輯表達方式
10.2.3 狀態轉換的監視
10.3 間歇生產過程的控制
10.3.1 間歇反應器的控制
10.3.2 快速熱處理過程的控制
10.4 間歇過程的先進控制
10.4.1 run-to-run控制
10.4.2 迭代學習控制
10.5 間歇生產過程的管理
10.6 小結

第11章 整廠控制
11.1 概述
11.1.1 整廠控制的提出
11.1.2 整廠控制的定義
11.1.3 整廠控制的內容
11.2 整廠控制問題的描述
11.2.1 物料再循環
11.2.2 熱集成
11.2.3 整廠控制的數學模型
11.2.4 控制自由度
11.2.5 一個整廠控制的典型案例
11.3 整廠控制系統的特性
11.3.1 再循環帶來的穩態響應特性——雪崩效應
11.3.2 再循環帶來的動態響應特性——-整體響應速度趨緩
11.3.3 熱集成對動態響應特性的影響——不穩定性與反向響應
11.3.4 過程擾動的傳播特性
11.4 整廠控制系統的一般設計過程
11.4.1 確定被控變量
11.4.2 選擇測量點
11.4.3 確定控制變量
11.4.4 設計整廠控制結構
11.5 小結

第12章 實時優化
12.1 生產過程中的實時最優化概述
12.2 實時優化問題的描述
12.2.1 過程優化目標
12.2.2 約束和運行模型
12.2.3 實現優化的方法
12.3 優化算法
12.3.1 最優化方法概述
12.3.2 線性規劃
12.3.3 非線性規劃算法
12.3.4 二次規劃
12.3.5 智能優化算法
12.4 實時優化應用案例
12.4.1 乙醛生產過程的實時優化
12.4.2 集動態控制與穩態優化于一體的精餾過程實時優化
12.4.3 FCCU反應再生過程的實時優化
12.5 小結
第三篇小結
思考題與習題
參考文獻

第四篇 過程計算機控制系統
第13章 數字控制系統
13.1 數字控制系統的組成
13.2 數字控制系統的理論分析基礎知識
13.2.1 采樣定理
13.2.2 離散系統的理論分析方法
13.2.3 連續控制系統到數字控制系統的轉換
13.2.4 數字濾波
13.2.5 數據處理
13.3 數字控制算法
13.3.1 pid控制算式
13.3.2 pid控制算式的改進
13.3.3 數字式pid調節參數的整定
13.4 數字系統與連續系統的接口
13.4.1 數據輸出
13.4.2 人機界面
13.5 小結

第14章 計算機控制系統
14.1 直接數字控制系統
14.1.1 直接數字控制系統的原理
14.1.2 直接數字控制系統的組成
14.1.3 直接數字控制系統的應用
14.2 集散控制系統
14.2.1 集散控制系統的組成
14.2.2 集散控制系統的特點
14.2.3 集散控制系統的功能
14.2.4 集散控制系統的應用
14.3 現場總線控制系統
14.3.1 現場總線控制系統概述
14.3.2 現場總線控制系統的組成
14.3.3 現場總線控制系統的特點
14.3.4 現場總線控制系統的功能
14.3.5 現場總線控制系統的應用
14.4 小結

第15章 控制系統中的計算機網絡
15.1 計算機網絡的體系結構
15.2 工業以太網
15.3 opc技術
15.3.1 組件技術
15.3.2 組件對象模型(com)
15.3.3 opc規范
15.3.4 opc的特點及其應用領域
15.4 現代企業網絡結構
15.5 小結
第四篇小結
思考題與習題
參考文獻

第五篇 典型裝置的控制系統
第16章 精餾塔的自動控制
16.1 精餾過程及其工藝操作目標
16.1.1 精餾原理
16.1.2 連續精餾裝置和流程
16.1.3 精餾塔的基本型式
16.1.4 精餾過程的工藝操作目標
16.2 精餾過程的靜態特性
16.2.1 全塔物料平衡
16.2.2 內部物料平衡
16.2.3 理論塔板和塔板效率
16.2.4 能量平衡與分離度
16.3 精餾過程的動態特性
16.3.1 二元精餾塔的動態特性
16.3.2 多元精餾塔的動態特性
16.3.3 操作條件變化對分餾效果的影響
16.3.4 動態特性和動態影響分析
16.4 精餾塔質量指標的選取
16.4.1 靈敏板的溫度控制
16.4.2 溫差控制
16.4.3 雙溫差控制
16.5 精餾塔的基本控制方案
16.5.1 按精餾段指標控制
16.5.2 按提餾段指標控制
16.5.3 按塔頂塔底兩端質量指標控制
16.6 精餾塔的其他控制方案
16.6.1 內回流控制
16.6.2 進料熱焓控制
16.6.3 精餾塔的節能控制
16.6.4 基于軟測量的產品質量直接閉環控制
16.7 小結

第17章 發酵過程的自動控制
17.1 發酵過程
17.1.1 發酵原理
17.1.2 發酵過程及其特點
17.1.3 發酵過程的數學模型
17.2 發酵過程的控制
17.2.1 發酵過程控制的目標
17.2.2 發酵過程控制的特點
17.2.3 發酵過程的基本控制系統
17.3 發酵控制系統中的幾個問題
17.3.1 質量指標的軟測量
17.3.2 發酵過程的補料控制
17.3.3 ph值的非線性控制
17.4 先進控制在發酵過程中的應用
17.4.1 模型預測控制
17.4.2 迭代學習控制
17.5 小結
第五篇小結
思考題與習題
參考文獻

第六篇 控制系統的設計與實現
第18章 控制系統的設計
18.1 概述
18.2 工藝設計對過程控制的影響
18.3 過程控制中的自由度
18.3.1 控制自由度的計算
18.3.2 反饋控制與控制自由度
18.4 被控變量、操作變量和測量變量的選擇
18.4.1 被控變量的選擇
18.4.2 操作變量的選擇
18.4.3 測量變量的選擇
18.5 控制系統設計問題
18.6 先進控制系統的設計
18.6.1 可行性研究
18.6.2 功能設計
18.6.3 詳細設計
18.6.4 試運行階段
18.7 安全儀表系統的設計
18.7.1 工藝設計階段的安全設計
18.7.2 基本過程控制系統的角色
18.7.3 過程報警
18.7.4 安全儀表系統
18.8 間歇過程控制系統的設計
18.8.1 間歇過程控制系統的體系結構
18.8.2 間歇過程控制系統的設計問題
18.9 小結

第19章 系統監控技術
19.1 傳統的監控技術
19.1.1 測量值的上下限
19.1.2 測量值幅度變化的上限
19.1.3 采樣波動的下限
19.2 基于統計分析的過程監控技術
19.2.1 單變量質量控制圖
19.2.2 多變量統計技術
19.2.3 擴展的統計過程控制技術
19.3 控制性能的監控
19.4 小結

第20章 過程控制系統的實現藝術
20.1 概述
20.2 工藝過程和控制系統的集成設計
20.3 控制系統設計與安全可靠性
20.3.1 選擇性控制系統
20.3.2 壓縮機的防喘振控制
20.3.3 延遲焦化爐異常工況下的超馳控制
20.4 控制系統設計與經濟目標優化
20.4.1 雙重控制系統
20.4.2 加熱爐多燃料系統的控制
20.4.3 集動態控制與穩態經濟目標優化于一體的控制策略
20.5 控制系統的易用性
20.6 小結
第六篇小結
思考題與習題
參考文獻
習題答案