控制之道 过程控制的理论与实践

很多年前，在与友人网上的互动中，随手写下了一点对自控的感悟，后来扩充成《自动控制的故事》系列，以晨枫的名字贴在网上，据说流传甚广。多年后，《自动控制的故事》扩充成《大话自动化:从蒸汽机到人工智能》（以下简称《大话自动化》）。《大话自动化》的本意是科普自动化有关的知识，也想在自控人中博取会意的一笑，所以刻意避免一切过于数学化的描述。问题是，控制理论在本质上是应用数学的一个分支，所以当讨论深入到一定程度时，必然绕不开数学。与此同时，控制应用在很多地方又跳出了数学境界。
数学思维是将复杂的事物纯净化、抽象化，从中提取一般规律，最终成为普适的工具。纯净化可以归结为某些简化的假定，抽象化则超越问题的具体形态、尺度和变型，抽取深层的本质。这是非常有用的解决问题的科学方法，但不是唯一的解决问题的方法。
工程思维是反过来的，需要解决的是现实世界的具体问题，自带复杂性和多变性，普遍性和代表性也经常只存在于具体领域之中。有现成的理论工具，当然要遵循“拿来主义”。没有的话，创造工具也要解决问题，哪怕工具不具备理论上的严谨和普遍适用性，甚至可以不排除“运用之妙，存乎一心”。
控制工程就具有这样的特点。
还在大学的时候，有控制理论和控制工程两门课，当年就被控制工程里思维的火花迷住了。后来读硕、读博，在控制理论方面继续深造，但始终希望在控制工程方面也有成长。这个愿望在工作中实现了，30多年的实战在多个层次零距离见证了自控之美，并有幸贡献了几颗小小的火花。
在写就《大话自动化》之后，意犹未尽。《大话自动化》不仅刻意回避数学，也尽量避免过于具体深入的技术细节。但自控之美只能用朦胧诗展现是不够的，于是萌生再写《控制之道：过程控制的理论与实践》的念头。
本书分六部分。第一部分简述基本的反馈，动态系统和稳定性分析，在介绍根轨迹方法的时候，重点在于零极点对稳定性的作用，为后续的PID控制和回路稳定性分析做铺垫。
第二部分介绍单回路PID控制，从比例、积分、微分特性和参数整定的深入讨论开始，展开到余差、纯滞后、信号噪声等特殊问题。在简单PID的基础上，对双增益、广义变增益、积分分离等PID变型及其特点进行介绍。最后讨论了正反作用、积分饱和、无扰动切换、初始化、输入输出特性等实际PID问题。
第三部分讨论多回路的复杂PID控制，如串级控制、前馈控制、分程控制、比值控制、选择性控制、双自由度控制、阀位控制等，重点在于思路和具体应用。
第四部分的重点是化工过程单元设备控制。从单元操作的特性和控制要求开始，介绍典型控制方案，如换热器控制、锅炉和加热炉控制、泵与压缩机控制、精馏塔控制、反应器控制等。
第五部分从多变量和最优控制入手，介绍模型预估控制，包括基本推导、参数整定和与PID的关系，以及实施中的具体问题。
第六部分介绍控制系统故障及异常的解决与预防，并对人工智能的作用进行讨论。
过程控制是个五彩缤纷和与时俱进的世界，个人只能管中窥豹。本书力图成为过程控制方面的有用工具，但错误和缺失在所难免，还请老师、同学和同行们批评指正。

周风晞（笔名晨枫）

控制理论方面的著述和教科书汗牛充栋，具体控制系统或者控制软件的使用攻略也琳琅满目。但在两者之间缺乏桥梁。“书上讲的用不上，需要用的书上不讲”，这是常听到的抱怨。本书试图搭接，从实用角度出发，为大量控制实践提供一点理论依据，也为控制理论研究提示一点工程实践中需要解决的问题。
本书分六部分。第一部分简述基本的反馈，动态系统和稳定性分析，在介绍根轨迹方法的时候，重点在于零极点对稳定性的作用，为后续的PID控制和回路稳定性分析做铺垫。第二部分介绍单回路PID控制，从比例、积分、微分特性和参数整定的深入讨论开始，展开到余差、纯滞后、信号噪声等特殊问题。在简单PID的基础上，对双增益、广义变增益、积分分离等PID变型及其特点进行介绍。最后讨论了正反作用、积分饱和、无扰动切换、初始化、输入输出特性等实际PID问题。第三部分讨论多回路的复杂PID控制，如串级控制、前馈控制、分程控制、比值控制、选择性控制、双自由度控制、阀位控制等，重点在于思路和具体应用。第四部分的重点是化工过程单元设备控制。从单元操作的特性和控制要求开始，介绍典型控制方案，如换热器控制、锅炉和加热炉控制、泵与压缩机控制、精馏塔控制、反应器控制等。第五部分从多变量和最优控制入手，介绍模型预估控制，包括基本推导、参数整定和与PID的关系，以及实施中的具体问题。第六部分介绍控制系统故障及异常的解决与预防，并对人工智能的作用进行讨论。
本书兼具专业性、思想性、实用性，既有一定深度，又通俗易懂，对初涉自控行业的读者而言是一部较实用的参考书，对自动化专业的本科生或研究生也有很高的参考价值。

周风晞 
笔名晨枫，工学博士，出生于上海，现居加拿大。从业自动化超过30年，对自动化领域有着深厚的理解和丰富的实践经验。
2005年起在互联网上以其独特的视角和深入浅出的表达方式发表了“自动控制的故事”，这一系列文章引起了广大读者的热烈反响。
2019年出版《大话自动化：从蒸汽机到人工智能》一书。这本书以生动的语言和丰富的案例，讲述了自动化技术的发展历程和未来趋势，深受读者喜爱。
晨枫博士的作品在自动化专业领域中具有广泛的影响力，为自动化技术的发展和普及做出了积极的贡献。他的努力和贡献不仅提升了公众对自动化技术的认识和兴趣，也为自动化领域的专业人士提供了有益的参考和启示。

序
引言
第1章 反馈，动态与稳定性
1.1 反馈与动态
1.2 动态系统的稳定性
第2章 单回路PID控制
2.1开关控制
2.2基本PID控制
PID的形式与开环响应
PID的闭环响应
PID的数字化
控制余差问题
2.3 PID参数的性质
比例增益kp的性质
积分时间Ti的性质
微分时间Td的性质
2.4 PID参数的整定
Ziegler-Nichols法
Cohen-Coon法
自动整定和回路性能评估的问题
经验法和常见过程的初始PID参数
2.5 测量噪声和滤波问题
2.6 过程纯滞后问题
2.7 PID的变型
双增益PID
误差平方PID
广义变增益PID
积分分离PID
2.8 实际PID的其他考虑
正反作用
无扰动切换，测量值跟踪与初始化
积分饱和
设定值爬坡
输入特性与输出特性
第3章 复杂PID控制
3.1 串级控制
3.2 前馈控制
3.3 分程控制
3.4 比值控制
3.5 选择性控制
3.6 双自由度控制
3.7 阀位控制
3.8 均匀控制和解耦控制
3.9 推断控制
3.10 对数PID控制
第4章 单元设备控制
4.1 换热器控制
换热器概述
换热器的温度控制
带相变的换热器控制
换热器温度的混合控制
4.2 锅炉与加热炉控制
汽包液位控制
汽包压力控制
燃烧与空燃比控制
交叉极限控制
4.3 泵与压缩机控制
正排量泵的控制
离心泵的控制
压缩机的防喘振控制
4.4 精馏塔控制
精馏塔概述
直接与间接物料平衡控制
塔压控制
精馏塔的前馈控制
4.5 反应器控制
连续搅拌釜反应器的控制
管式反应器的控制
流化床反应器的控制
第5章 模型预估控制
5.1 多变量控制的挑战与机会
5.2 基本模型预估控制
5.3 实际模型预估控制
5.4 模型预估控制的参数整定
“滑动漏斗”整定方法
反向响应问题
积分过程的处理
5.5 模型预估控制与PID的关系及其他问题
并行设备的偏置
软件缓冲层的问题
第6章 故障的解决与预防
6.1 仪电故障
6.2 DCS故障
6.3 先进控制软件故障
6.4 控制算法故障
6.5 工艺变迁和异常导致的控制系统工作不正常
6.6 人的因素
第7章 人工智能时代的过程控制
后记
附录过程控制常用术语英汉对照

控制理论方面的著述和教科书汗牛充栋，具体控制系统或者控制软件的使用攻略也琳琅满目。但在两者之间缺乏桥梁。“书上讲的用不上，需要用的书上不讲”，这是常听到的抱怨。本书试图搭接，从实用角度出发，为大量控制实践提供一点理论依据，也为控制理论研究提示一点工程实践中需要解决的问题。
本书分六部分。第一部分简述基本的反馈，动态系统和稳定性分析，在介绍根轨迹方法的时候，重点在于零极点对稳定性的作用，为后续的PID控制和回路稳定性分析做铺垫。第二部分介绍单回路PID控制，从比例、积分、微分特性和参数整定的深入讨论开始，展开到余差、纯滞后、信号噪声等特殊问题。在简单PID的基础上，对双增益、广义变增益、积分分离等PID变型及其特点进行介绍。最后讨论了正反作用、积分饱和、无扰动切换、初始化、输入输出特性等实际PID问题。第三部分讨论多回路的复杂PID控制，如串级控制、前馈控制、分程控制、比值控制、选择性控制、双自由度控制、阀位控制等，重点在于思路和具体应用。第四部分的重点是化工过程单元设备控制。从单元操作的特性和控制要求开始，介绍典型控制方案，如换热器控制、锅炉和加热炉控制、泵与压缩机控制、精馏塔控制、反应器控制等。第五部分从多变量和最优控制入手，介绍模型预估控制，包括基本推导、参数整定和与PID的关系，以及实施中的具体问题。第六部分介绍控制系统故障及异常的解决与预防，并对人工智能的作用进行讨论。
本书兼具专业性、思想性、实用性，既有一定深度，又通俗易懂，对初涉自控行业的读者而言是一部较实用的参考书，对自动化专业的本科生或研究生也有很高的参考价值。

周风晞 
笔名晨枫，工学博士，出生于上海，现居加拿大。从业自动化超过30年，对自动化领域有着深厚的理解和丰富的实践经验。
2005年起在互联网上以其独特的视角和深入浅出的表达方式发表了“自动控制的故事”，这一系列文章引起了广大读者的热烈反响。
2019年出版《大话自动化：从蒸汽机到人工智能》一书。这本书以生动的语言和丰富的案例，讲述了自动化技术的发展历程和未来趋势，深受读者喜爱。
晨枫博士的作品在自动化专业领域中具有广泛的影响力，为自动化技术的发展和普及做出了积极的贡献。他的努力和贡献不仅提升了公众对自动化技术的认识和兴趣，也为自动化领域的专业人士提供了有益的参考和启示。