生产过程控制系统及仪表

前    言
生产过程控制是自动化应用领域的重要分支，其在电子、冶金、硅酸盐、轻工等生产中有着广泛的应用。由于过程控制技术的应用，可以大大促进工业生产的自动化程度，进而提高劳动生产效率、产品质量，并降低生产安全风险，因此近年来该领域技术的应用和发展，已经极大地优化了各类工业生产的技术经济指标和生态环境，在很多工业生产环节中实现了“无人化”和现代化，从而减轻工人的劳动强度。
生产过程控制及相关仪表知识是自动化专业的主要课程之一。本书基于“系统、实用、全面”的原则，尝试将自动控制的基本理论同工业生产实践相结合，系统介绍了生产过程控制系统设计的基本方法，以及相关仪表性能对该系统设计的影响，并从控制论频域的角度分析了过程控制系统设计的基本方法和理论。通过对本书的学习，学生可以全面理解各类典型过程控制的组成、特点及相关仪表选型，掌握过程控制系统设计和调试的一般过程和基本方法，并对现代过程控制系统的发展进行全面了解。全书在章节安排上，力求内容系统完整，逻辑关系相互衔接，便于阅读。
本书共9章，参考教学时数48学时，具体包括第1章绪论、第2章过程控制中的对象模型、第3章过程控制中的执行器、第4章控制器与控制算法实现、第5章过程控制中的检测仪表（压力、温度、流量、物位、成分的检测）、第6章显示变送原理和安全栅、第7章简单控制系统设计、第8章非简单控制系统（包括前馈、串级、纯滞后、比值、均匀、选择性和分程控制）、第9章先进过程控制技术（自适应控制、预测控制、专家系统、模糊控制、神经网络控制、集散控制及计算机控制）。每章附有思考题与习题。
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本书第2、4、5、7、8章由张治国编写，第1章由李文江编写，第3、6、9章由李文江和胡学海共同编写。全书由张治国统稿。电子科技大学自动工程学院教授曾勇、吴小娟仔细审阅了书稿，并提出了许多宝贵的意见和建议，这些建议对于本书的完善与提高起到了极为重要的作用。另外，研究生崔琼和袁嘉泽参与了本书的资料收集和部分文字整理工作。在此一并表示感谢。
作者在多年从事生产过程控制的教学及相关科研工作中，曾得到许多专家、教师、朋友的帮助和支持；在本书编写过程中参考了许多专家、学者的文章、著作及相关文献，在此一并表示感谢。
由于作者水平有限，书中存在疏漏、错误在所难免，恳请广大读者批评指正。

作  者

生产过程控制是自动化学科的重要组成部分，是跨越自动控制原理和工业实践应用之间的桥梁，是将自动控制理论灵活应用于工业生产实践不可或缺的部分。本书从工业自动控制系统的基本组成结构出发，逐一介绍过程控制中的对象模型、执行器、控制器、检测仪表（压力、温度、流量、物位、成分的检测）、变送器等，以及相关的本安防爆技术。分析上述组成部分在控制系统中的作用及工作原理，进而引出上述仪表性能和特性对控制系统设计的相关意义。同时，本书以上述仪表相关知识为基础，论述过程控制系统的基本设计方法，详细描述被控参数、控制参数、干扰通道、控制通道选择对控制系统的影响，并以控制系统基本设计方法为出发点，引入前馈、串级、纯滞后、比值、均匀、选择性、分程等特殊控制系统的设计方法和基本思路。在描述控制系统的设计过程中，本书尝试从控制理论中的频域理论角度，分析和设计生产过程控制系统。本书*后介绍自适应、预测、专家、模糊、集散等先进过程控制方法。本书共9章，每章附有思考题与习题，并提供配套电子课件和习题参考答案等。本书可作为高等学校自动化专业及石化、电子、轻工等专业本科高年级和研究生相关课程的教材或参考书，也可供工业控制工程技术人员学习参考。

生产过程控制是自动化学科的重要组成部分，是跨越自动控制原理和工业实践应用之间的桥梁，是将自动控制理论灵活应用于工业生产实践不可或缺的部分。本书从工业自动控制系统的基本组成结构出发，逐一介绍过程控制中的对象模型、执行器、控制器、检测仪表（压力、温度、流量、物位、成分的检测）、变送器等，以及相关的本安防爆技术。分析上述组成部分在控制系统中的作用及工作原理，进而引出上述仪表性能和特性对控制系统设计的相关意义。同时，本书以上述仪表相关知识为基础，论述过程控制系统的基本设计方法，详细描述被控参数、控制参数、干扰通道、控制通道选择对控制系统的影响，并以控制系统基本设计方法为出发点，引入前馈、串级、纯滞后、比值、均匀、选择性、分程等特殊控制系统的设计方法和基本思路。在描述控制系统的设计过程中，本书尝试从控制理论中的频域理论角度，分析和设计生产过程控制系统。本书*后介绍自适应、预测、专家、模糊、集散等先进过程控制方法。本书共9章，每章附有思考题与习题，并提供配套电子课件和习题参考答案等。本书可作为高等学校自动化专业及石化、电子、轻工等专业本科高年级和研究生相关课程的教材或参考书，也可供工业控制工程技术人员学习参考。

张治国，男，电子科技大学教授，博士。长期从事自动控制领域过程控制方向的科研和一线教学工作，并出版了大量科研论文与著作，科研、教学、写作经验丰富。

目 录 
第1章　绪论 1 
1.1　过程控制系统定义与特性 1 
1.2　过程控制系统类型和组织形式 2 
1.3　过程控制的发展历程 3 
1.3.1　设备与仪表发展阶段 3 
1.3.2　策略与算法发展概况 4 
1.4　过程控制系统响应状态 4 
1.4.1　稳态与动态过程 4 
1.4.2　动态过程表现形式 4 
1.5　控制系统的性能指标 5 
1.5.1　单项性能指标 6 
1.5.2　综合性能指标 7 
1.6　过程控制系统的组成 8 
思考题与习题 10 
第2章　过程控制中的对象模型 11 
2.1　被控对象数学模型的意义 11 
2.1.1　数学模型的重要性 11 
2.1.2　数学模型的主要用途 11 
2.1.3　过程控制模型要求 12 
2.1.4　过程控制中常用的建模方法 12 
2.2　过程控制的典型环节模型 13 
2.2.1　具有自衡特性的单容模型 13 
2.2.2　无自衡特性的单容模型 16 
2.2.3　多容过程建模 16 
2.3　阶跃响应法建模 18 
2.3.1　模型的类型 18 
2.3.2　由阶跃响应曲线确定一阶环节的参数 20 
2.3.3　由阶跃响应曲线确定带时延的一阶环节的参数 21 
2.3.4　由阶跃响应曲线确定二阶环节参数 23 
2.3.5　飞升曲线法 25 
2.4　周期信号响应法建模 26 
2.5　小二乘法建模 28 
2.5.1　基本小二乘法模型 28 
2.5.2　递推的小二乘法 30 
2.6　基于M序列信号测定对象的动态特征 33 
2.6.1　相关分析法的基本原理 34 
2.6.2　伪随机序列基本理论 35 
2.6.3　伪随机序列的产生方法 36 
思考题与习题 38 
第3章　过程控制中的执行器 39 
3.1　仪表类设备的基本性能指标 39 
3.2　执行器的分类和结构 41 
3.2.1　调节阀分类和作用 41 
3.2.2　调节阀结构和组成 41 
3.2.3　执行机构和调节机构的装配 42 
3.3　执行机构的组成和功能 43 
3.3.1　阀门定位器 44 
3.3.2　电/气转换器 45 
3.3.3　定位器和转换器的结合 45 
3.4　调节机构功能和流量特性 46 
3.4.1　固有流量特性 46 
3.4.2　工作流量特性 48 
3.5　电动调节阀 50 
3.6　调节阀的选型 51 
3.7　智能式调节阀 53 
思考题与习题 54 
第4章　控制器与控制算法实现 55 
4.1　控制器的种类 55 
4.1.1　控制器常见信号形式 55 
4.1.2　控制仪表的表现形式 55 
4.2　自力式和位式控制系统 56 
4.2.1　自力式控制系统 56 
4.2.2　位式控制系统 57 
4.3　DDZ-Ⅲ型控制器的整体机构 58 
4.3.1　DDZ-Ⅲ型控制器的特点 58 
4.3.2　DDZ-Ⅲ型控制器的操作与交互面板 58 
4.3.3　DDZ-Ⅲ型控制器电路结构和实例 60 
4.4　控制器输入电路 60 
4.4.1　输入电路与正反作用 60 
4.4.2　输入电路与信号偏差 61 
4.5　PD控制器相关特性及运算电路 62 
4.5.1　比例调节（P调节） 62 
4.5.2　比例微分调节（PD调节） 63 
4.5.3　PD运算的电路实现 64 
4.6　PI控制器相关特性及运算电路 65 
4.6.1　积分调节（I调节） 65 
4.6.2　比例积分调节（PI调节） 66 
4.6.3　PI运算的电路实现 67 
4.7　PID控制器相关特性及运算电路 68 
4.7.1　比例积分微分调节（PID调节） 68 
4.7.2　PID运算的电路实现 69 
4.8　控制器输出电路 70 
4.9　控制器附属电路 71 
4.9.1　手动操作切换电路 71 
4.9.2　测量及给定指示电路 73 
4.10　数字式PID控制器 74 
4.10.1　SLPC单回路可编程控制器的电路原理 74 
4.10.2　SLPC的数字控制算法 76 
4.11　SLPC单回路可编程控制器的用户程序 79 
4.11.1　控制模块 79 
4.11.2　用户程序的写入和调试 80 
4.12　可编程逻辑控制器 80 
4.12.1　可编程逻辑控制器的优点 80 
4.12.2　PLC的基本组成 81 
4.12.3　PLC等效继电器逻辑 82 
4.12.4　PLC的工作方式 82 
4.12.5　PLC的编程语言 83 
思考题与习题 84 
第5章　过程控制中的检测仪表 86 
5.1　压力检测及仪表 86 
5.1.1　工业压力的定义 86 
5.1.2　压力常用检测方法 87 
5.1.3　弹性式压力计 88 
5.1.4　电气式压力计 89 
5.2　温度检测及仪表 94 
5.2.1　温度检测方法 94 
5.2.2　热电偶温度计 95 
5.2.3　热电阻温度计 99 
5.2.4　集成温度传感器 101 
5.3　流量检测及仪表 102 
5.3.1　流量的基本概念 102 
5.3.2　椭圆齿轮流量计 102 
5.3.3　涡轮流量计 103 
5.3.4　靶式流量计 104 
5.3.5　差压式流量计 105 
5.3.6　转子流量计 107 
5.3.7　电磁流量计 108 
5.3.8　旋涡式流量计 108 
5.3.9　超声波流量计 110 
5.4　物位检测及仪表 112 
5.4.1　概述 112 
5.4.2　差压式液位变送器 112 
5.4.3　电容式物位变送器 114 
5.4.4　超声波液位变送器 116 
5.5　成分检测及仪表 117 
5.5.1　红外线气体分析仪 117 
5.5.2　氧化锆氧量计 119 
5.5.3　气相色谱分析仪 121 
思考题与习题 122 
第6章　显示变送原理和安全栅 124 
6.1　测量值显示与记录 124 
6.1.1　动圈式指示仪表基本原理 124 
6.1.2　数字式指示仪表 124 
6.1.3　自动记录原理 125 
6.2　电容变送器基本原理 126 
6.2.1　交流电桥变送原理 126 
6.2.2　电容差变送原理 127 
6.3　传感器电信号变送原理 128 
6.3.1　模拟式变送器 129 
6.3.2　DDZ-Ⅲ型变送器实际线路举例 131 
6.4　智能变送器 132 
6.5　安全栅 134 
6.5.1　安全防爆的基本概念 134 
6.5.2　安全火花防爆系统 135 
6.5.3　安全栅的工作原理 136 
思考题与习题 138 
第7章　简单控制系统设计 140 
7.1　简单控制系统整体框架 140 
7.2　过程控制系统设计相关问题 142 
7.2.1　过程控制系统设计的衡量标准 142 
7.2.2　过程控制系统的主要设计工作 142 
7.2.3　过程控制系统设计的流程 143 
7.3　被控变量与控制方案设计 143 
7.4　控制变量与控制品质 145 
7.4.1　控制变量和干扰的相互关系 145 
7.4.2　干扰通道特性与控制变量选择 146 
7.4.3　控制通道特性与控制变量选择 149 
7.4.4　控制变量选择的一般原则 153 
7.5　简单控制系统的设备选择 153 
7.5.1　执行器与控制品质 153 
7.5.2　传感器特性与控制方案设计 154 
7.5.3　调节器正、反作用的选择 156 
7.6　调节器参数的工程整定方法 158 
7.6.1　稳定边界法 158 
7.6.2　响应曲线法 160 
7.6.3　衰减曲线法 161 
7.6.4　经验法 162 
7.6.5　几种工程整定方法的比较 164 
7.7　简单控制系统设计实例 164 
7.7.1　生产过程概述 164 
7.7.2　被控变量选择 165 
7.7.3　控制变量选择 165 
7.7.4　检测仪表、调节阀及调节器调节规律选择 167 
7.7.5　绘制控制系统图 167 
7.7.6　调节器参数整定 168 
思考题与习题 168 
第8章　复杂控制系统 170 
8.1　克服强干扰与前馈控制系统 170 
8.1.1　前馈控制系统的基本构成 170 
8.1.2　前馈控制系统的典型形式 172 
8.1.3　前馈控制系统的优缺点 173 
8.1.4　前馈-反馈控制系统 174 
8.1.5　工业实践中前馈控制规律通用表达形式 177 
8.1.6　前馈控制系统的参数整定 178 
8.1.7　前馈控制系统的选用原则 181 
8.2　容量滞后与串级控制系统 182 
8.2.1　串级控制系统的原理和结构 182 
8.2.2　串级控制系统的特点 186 
8.2.3　串级控制系统的设计 191 
8.2.4　前馈-串级控制系统 192 
8.2.5　串级控制系统控制器参数整定 194 
8.2.6　串级控制系统的应用实例 194 
8.3　纯滞后及其控制方法 196 
8.3.1　概述 196 
8.3.2　纯滞后环节的频域特点 196 
8.3.3　大滞后过程的采样控制 198 
8.3.4　大滞后过程的Smith预估补偿控制 199 
8.4　配比传送与比值控制系统 201 
8.4.1　比值控制系统的组成原理 201 
8.4.2　比值控制系统的整定 204 
8.5　均匀控制系统 206 
8.5.1　均匀控制系统的基本原理和结构 206 
8.5.2　均匀控制系统控制规律的选择及参数整定 209 
8.6　选择性控制系统 210 
8.6.1　选择性控制系统的基本原理和结构 210 
8.6.2　选择性控制系统的设计 212 
8.7　分程控制系统 213 
8.7.1　分程控制系统的基本原理和特点 213 
8.7.2　分程控制系统中阀门组合的特点 213 
8.7.3　多种控制器件的衔接问题 215 
思考题与习题 216 
第9章　先进过程控制技术 219 
9.1　概述 219 
9.2　自适应控制 220 
9.2.1　自校正控制系统 220 
9.2.2　模型参考自适应控制系统 221 
9.3　预测控制 221 
9.3.1　模型算法控制 222 
9.3.2　动态矩阵控制 224 
9.4　专家系统 226 
9.4.1　专家系统的特点 226 
9.4.2　专家系统的类型 226 
9.4.3　新型专家系统 227 
9.5　模糊控制 228 
9.5.1　模糊控制的基本原理 228 
9.5.2　模糊控制的优点 231 
9.6　神经网络控制 231 
9.6.1　神经元模型 231 
9.6.2　人工神经网络 233 
9.6.3　神经网络在控制中的应用 234 
9.7　集散控制系统 234 
9.7.1　集散控制系统的发展 234 
9.7.2　集散控制系统的组成 235 
9.7.3　集散控制系统的特点 236 
9.8　计算机控制系统 237 
9.8.1　数据采集和数据处理系统 237 
9.8.2　直接数字控制系统 237 
9.8.3　计算机监督控制系统 238 
思考题与习题 239 
参考文献 240

生产过程控制是自动化学科的重要组成部分，是跨越自动控制原理和工业实践应用之间的桥梁，是将自动控制理论灵活应用于工业生产实践不可或缺的部分。本书从工业自动控制系统的基本组成结构出发，逐一介绍过程控制中的对象模型、执行器、控制器、检测仪表（压力、温度、流量、物位、成分的检测）、变送器等，以及相关的本安防爆技术。分析上述组成部分在控制系统中的作用及工作原理，进而引出上述仪表性能和特性对控制系统设计的相关意义。同时，本书以上述仪表相关知识为基础，论述过程控制系统的基本设计方法，详细描述被控参数、控制参数、干扰通道、控制通道选择对控制系统的影响，并以控制系统基本设计方法为出发点，引入前馈、串级、纯滞后、比值、均匀、选择性、分程等特殊控制系统的设计方法和基本思路。在描述控制系统的设计过程中，本书尝试从控制理论中的频域理论角度，分析和设计生产过程控制系统。本书*后介绍自适应、预测、专家、模糊、集散等先进过程控制方法。本书共9章，每章附有思考题与习题，并提供配套电子课件和习题参考答案等。本书可作为高等学校自动化专业及石化、电子、轻工等专业本科高年级和研究生相关课程的教材或参考书，也可供工业控制工程技术人员学习参考。

张治国，男，电子科技大学教授，博士。长期从事自动控制领域过程控制方向的科研和一线教学工作，并出版了大量科研论文与著作，科研、教学、写作经验丰富。