过程控制系统及工程

我国经济转型升级和发展，对工程教育提出了新要求。根据这个部署，国家将工程技术人才的培养提升到国家战略的高度，把培养未来工程师作为重要的战略目标。在这一背景下，国家提出了《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》，将“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”）作为改革试点项目。自动化专业本身是工科专业，自然也应跟随国家战略部署，调整相应的专业教育内容。2010年6月，“卓越计划”正式启动，该计划的主要任务是探索建立高校与行业企业联合培养人才的新机制，创新工程教育人才培养模式。特别是2016年6月我国正式加入《华盛顿协议》之后，我国的工程教育需要遵从国际标准进行，调整专业教学内容，以适应国际工程人才培养要求。

全书共分两篇。篇过程控制系统，对在工业过程中常用的或较为成熟的控制系统做比较详细的讨论，对新型控制系统也进行了介绍，使读者熟悉并能灵活应用各类控制系统。第二篇过程控制工程，结合石代、化工、热电、轻工等工业过程中具有代表性的典型单元操作过程，从被控过程的特性、基本控制方案到新型控制方式做简明扼要的叙述，为读者确定生产过程的控制方案打下扎实的基础。

《过程控制系统及工程》(第三版)自2010年出版后，已过10余年，自动化专业发生了很多变化，因此需要对《过程控制系统及工程》(第三版)进行修订。本次修订主要增加了第15章，主要内容是《过程测量与控制仪表的功能标志及图形符号》（HG/T 20505—2014）中的图例符号部分内容，以及本书各个章节中所讲授控制系统的工程图例符号表达。增加这部分内容，主要是使学生具备阅读自动化工程图的基本能力，以适应工程教育的需要。

另外，对书中各个章节内容重新进行修订，使部分内容表述更加准确，同时去掉一些过时内容和表述不准确的内容。

全书第1～9章、思考题及习题由孙洪程修订，第10～14章由翁维勤修订，第15章内容由孙洪程增加。全书由孙洪程统稿。

书中难免有所疏漏，敬请读者同仁斧正，不胜感激。

编著者

2020年5月

第1篇过程控制系统

第1章单回路反馈控制系统1

1.1单回路系统的结构组成1

1.2被控变量的选择3

1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择4

1.3.1干扰通道特性对控制质量的影响5

1.3.2控制通道特性对控制质量的影响8

1.3.3操纵变量的选择12

1.4控制阀的选择12

1.4.1控制阀口径大小的选择12

1.4.2控制阀开闭形式的选择12

1.4.3控制阀流量特性的选择13

1.4.4控制阀结构形式的选择17

1.4.5阀门定位器的选用18

1.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法19

1.5.1测量滞后的影响19

1.5.2信号传送滞后的影响20

1.5.3克服测量、传送滞后的办法21

1.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择22

1.6.1控制器参数对系统静态误差的影响22

1.6.2控制器参数对系统动态误差的影响24

1.6.3控制规律的选择25

1.7系统的关联及其消除方法26

1.7.1系统关联及其影响26

1.7.2分析系统关联的方法26

1.7.3削弱或消除系统间关联的方法29

1.8单回路系统的投运和整定29

1.8.1控制系统的投运30

1.8.2控制系统的整定31

本章思考题及习题36

第2章串级控制系统38

2.1串级控制系统概述38

2.2串级控制系统的实施41

2.2.1用电动Ⅲ型仪表构成串级控制方案41

2.2.2串级控制系统的实施42

2.3串级控制系统的投运和整定45

2.3.1串级控制系统的投运45

2.3.2串级控制系统的工程整定方法45

2.4串级控制系统的特点46

2.5串级系统副回路的设计51

本章思考题及习题58

第3章比值控制系统60

3.1比值控制系统概述60

3.2比值控制系统的类型60

3.2.1开环比值控制系统60

3.2.2单闭环比值控制系统60

3.2.3双闭环比值控制系统62

3.2.4其他类型的比值控制62

3.3比值系数的计算65

3.3.1流量与测量信号呈线性关系时的计算65

3.3.2流量与测量信号呈非线性关系时的计算66

3.4比值控制方案的实施67

3.4.1两类实施方案67

3.4.2比值控制方案实施举例68

3.4.3比值控制系统中非线性环节的影响70

3.4.4比值控制系统中的信号匹配问题72

3.5比值控制系统的投运与整定73

3.6比值控制系统的其他问题74

3.6.1流量测量中的压力、温度的校正74

3.6.2主、副流量的动态比值问题75

3.6.3具有逻辑规律的比值控制76

3.6.4副流量供料不足时的自动配比77

3.6.5主动量与从动量的选择78

本章思考题及习题79

第4章均匀控制系统81

4.1均匀控制问题的提出及特点81

4.2均匀控制方案82

4.2.1常用的几种结构形式82

4.2.2控制规律的选择84

4.2.3参数整定84

4.3均匀控制系统的理论分析85

4.4其他需要说明的问题87

4.4.1气体压力与流量的均匀控制87

4.4.2实现均匀控制的其他方法87

本章思考题及习题87

第5章前馈控制系统88

5.1前馈控制系统的特点88

5.2前馈控制系统的几种主要结构形式90

5.2.1单纯的前馈控制系统90

5.2.2前馈-反馈控制系统91

5.2.3前馈-串级控制系统92

5.3前馈控制规律的实施93

5.4前馈控制系统的应用95

5.5前馈控制系统的参数整定96

5.5.1Kf的整定97

5.5.2T1、T2的整定98

5.6多变量前馈控制99

5.6.1由工艺机理建立多变量前馈控制模型99

5.6.2以线性叠加为基础建立多变量前馈控制方程100

5.6.3多输入-多输出的多变量前馈控制系统101

本章思考题及习题104

第6章选择性控制系统106

6.1选择性控制系统概述106

6.2选择性控制系统的类型及应用107

6.2.1开关型选择性控制系统107

6.2.2连续型选择性控制系统108

6.2.3混合型选择性控制系统110

6.3选择性控制系统的设计111

6.4积分饱和及其防止措施112

6.4.1积分饱和的产生及其危害性112

6.4.2抗积分饱和措施114

本章思考题及习题114

第7章分程及阀位控制系统116

7.1分程控制系统116

7.1.1分程控制系统概述116

7.1.2分程控制的应用场合117

7.1.3分程控制系统控制器参数的整定120

7.1.4分程阀总流量特性的改善121

7.2阀位控制系统126

7.2.1阀位控制系统概述126

7.2.2阀位控制系统的应用126

7.2.3阀位控制系统的设计及整定128

本章思考题及习题129

第8章非线性控制系统132

8.1线性过程的非线性控制132

8.1.1液位的非线性控制132

8.1.2线性过程的其他非线性控制134

8.2非线性过程的非线性控制135

8.2.1pH控制过程的非线性控制136

8.2.2反应器的非线性控制137

本章思考题及习题138

第9章新型控制系统139

9.1纯滞后补偿控制系统139

9.1.1纯滞后补偿原理139

9.1.2纯滞后补偿控制的效果139

9.1.3史密斯补偿的实现140

9.2按计算指标及推断控制系统142

9.2.1按计算指标的控制系统142

9.2.2推断控制系统146

9.3解耦控制系统149

9.3.1关联系统解耦条件150

9.3.2解耦控制方案151

9.3.3解耦控制应用实例154

9.4预测控制系统155

9.4.1模型算法控制(MAC)156

9.4.2动态矩阵控制157

本章思考题及习题160

第2篇过程控制工程

第10章流体输送设备的控制163

10.1泵的常规控制164

10.1.1离心泵的控制方案164

10.1.2容积式泵的控制方案167

10.2压缩机的常规控制方案167

10.3离心式压缩机的防喘振控制168

10.3.1喘振现象及原因168

10.3.2防喘振控制系统170

10.3.3压缩机串、并联运行及防喘振控制174

10.4压缩机紧急停车系统175

10.5长输管线的控制179

本章思考题及习题181

第11章传热设备的控制183

11.1传热设备概述183

11.1.1传热设备的类型183

11.1.2传热设备的控制要求184

11.2传热设备的特性184

11.2.1传热设备的静态特性184

11.2.2传热设备的动态特性186

11.3一般传热设备的控制188

11.3.1换热器的控制188

11.3.2蒸汽加热器的控制189

11.3.3冷凝冷却器的控制190

11.4锅炉设备的控制191

11.4.1锅炉设备概述191

11.4.2锅炉汽包水位的控制192

11.4.3蒸汽过热系统的控制197

11.4.4锅炉燃烧过程的控制198

11.5加热炉的控制202

11.5.1采用压力平衡式控制阀(浮动阀)的控制202

11.5.2特殊温度-流量串级控制系统203

11.6蒸发器的控制203

11.6.1蒸发器产品浓度的控制203

11.6.2蒸发器其他相关参数的控制205

本章思考题及习题205

第12章精馏塔的控制207

12.1精馏塔概述207

12.1.1精馏原理207

12.1.2精馏塔的主要干扰因素207

12.1.3精馏塔的控制要求207

12.2精馏塔的特性208

12.2.1精馏塔的静态特性208

12.2.2精馏塔的动态特性209

12.3精馏塔被控变量的选择211

12.3.1采用产品成分作为直接质量指标211

12.3.2采用温度作为间接质量指标211

12.3.3用压力补偿的温度参数作为间接指标212

12.4精馏塔的整体控制方案214

12.4.1传统的物料平衡控制214

12.4.2质量指标反馈控制214

12.4.3按两端质量指标控制216

12.4.4串级、均匀、比值、前馈等控制系统在精馏塔中的应用217

12.4.5精馏塔塔压的控制218

12.5精馏塔的新型控制方案220

12.5.1内回流、热焓控制220

12.5.2解耦控制220

12.5.3推断控制221

12.5.4精馏塔的节能控制221

12.5.5精馏塔的控制224

本章思考题及习题226

第13章化学反应器的控制228

13.1化学反应器概述228

13.1.1化学反应器的类型228

13.1.2化学反应器的控制要求229

13.2反应器的特性230

13.3反应器的热稳定性分析231

13.3.1反应器静态工作点的热稳定性232

13.3.2开环不稳定、闭环稳定的条件233

13.4反应器的基本控制方案234

13.4.1反应器的温度控制234

13.4.2反应器的进料流量控制238

13.4.3反应器的压力控制239

13.5反应器的新型控制方案239

13.5.1聚合釜的温度-压力串级控制系统239

13.5.2具有压力补偿的反应釜温度控制239

13.5.3变换炉的控制240

13.5.4连续搅拌槽反应器的自适应控制241

13.5.5乙烯裂解炉的先进控制242

本章思考题及习题245

第14章间歇生产过程控制247

14.1间歇生产过程的特点248

14.1.1不连续性248

14.1.2非稳态248

14.1.3不确定性248

14.1.4共享资源处理248

14.1.5配方（Recipe）及其管理249

14.2间歇生产过程的控制250

14.2.1间歇生产过程的控制要求250

14.2.2间歇过程的控制功能251

14.2.3间歇过程的控制模型253

14.2.4间歇过程的控制表述方式254

14.2.5间歇过程的安全联锁系统254

14.2.6间歇过程控制系统的选型254

14.3间歇生产过程的操作和调度优化255

14.3.1间歇生产过程的优化操作255

14.3.2间歇生产过程的调度优化255

本章思考题及习题258

第15章工程图例符号与P&ID图259

15.1自动化工程中若干基本概念259

15.1.1关于“控制系统”的概念259

15.1.2自动化工程的概念259

15.1.3过程自动化工程中的控制方式259

15.1.4自控方案与P&ID图260

15.2自动化专业的工程图例符号260

15.2.1图形符号260

15.2.2位号262

15.2.3信号线263

15.3图形符号应用与P&ID图264

15.3.1图形符号应用264

15.3.2P&ID图272

本章思考题及习题274

参考文献275