∈过程控制工程第四版

第四版前言

过程工业涉及炼油、化工、制药、环保等国民经济支柱产业，过程控制工程为高等院校自动化及相关专业的核心专业课程，旨在培养学生从事过程控制系统设计与工程实施能力。

作为自动化及相关专业高年级本科生或研究生的教材，本书已被国内许多高校选用。为适合各高校对教学内容的要求，对原书进行修订改版。本次修订，除对原书不妥之处进行勘误外，考虑到原书第9章内容与过程控制不是很紧密，故删除了该章节。

与此同时，原书在控制方案的综合设计与定性分析方面略显不足。对于复杂的实际工艺过程，如何设计简单合理实用的控制方案成为工程应用中的一大难点，特别对于某些工艺过程尚不存在或对象特性难以获取时，这种情况在自控设计院中经常碰到。为此，本次修订第9章改为“过程控制系统方案设计”，专门结合某些具体应用过程，详细讨论控制方案的设计思想与实现，并进行方案比较，以提高读者对于自动化控制系统的综合设计能力。另外，该章习题列举了多个工程应用实例，供读者练习讨论。

本次修订由戴连奎、张建明和谢磊负责统编。在该书的编写过程中，得到了各兄弟学校老师，特别是讲授过程控制工程课程的老师和企业界从事过程控制工作的技术人员的大力支持和帮助，在此向他们表示深深的感谢。此外，也要感谢支持、帮助和关心我们编写工作的浙江大学控制学院的老师与学生。同时，我们要感谢所有帮助此书编写和出版的朋友!

编著者

2020年4月于浙大求是园

第三版前言

过程工业涉及炼油、化工、冶金、制药等国民经济支柱产业，过程控制系统已成为保证现代企业安全、平稳、优化、环保低耗和高效益生产的主要技术手段。“过程控制工程”为自动化与相关专业的核心专业课程，旨在培养学生从事过程控制系统设计与工程实施能力。

本书是在传承王骥程教授主编的《化工过程控制工程》(第二版)、王树青教授等人编著的《工业过程控制工程》与《过程控制工程》(第二版)的基础上，结合作者几十年来的教学和科研实践经验以及对过程控制问题的理解重新编写而成的。本书可作为自动化及相关专业高年级本科生或硕士生的教材。

全书共分12章，第1章对过程控制工程的一些基本概念和知识进行概述；第2章介绍过程机理建模法和基于响应数据的经验建模法；第3章重点介绍单回路反馈控制方法；第4章讲述前馈控制和比值控制方法；第5章详细介绍了过程工业中一些典型的控制方案，如串级控制、非线性增益补偿控制、均匀控制、选择控制、分程控制和阀位控制；第6章简要介绍以DCS为主的计算机控制系统；第7章讨论多回路控制系统的关联分析与解耦设计；第8章讲述几种基于模型的先进控制算法，包括史密斯预估控制、内模控制、预测控制；第9章概述了间歇生产过程的控制问题；第10～12章分别介绍了过程工业中的传热设备、精馏塔与化学反应器的常用控制方案。

本书第1、7、10、11章由戴连奎编写；第2～6章由于玲编写；第8、12章由田学民编写；第9章由谢磊编写；王树青教授对本书编写提供了很多基础材料；全书由戴连奎统稿。

本书结构紧凑，重点突出。针对过程工业的实际应用状况，本书详细分析了常用的反馈控制技术；在此基础上，以若干典型过程设备为控制对象，全面地探讨了控制问题的提出、控制方案的设计与控制系统的实施等关键环节。与此同时，引入了大量的应用实例，并运用Matlab/SimuLink平台进行了深入的数字仿真研究，显著提升了本书的吸引力和易读性，增强了高校学生对过程控制技术的感性认识。

为方便教学与自学，本书除提供完整的电子教案外，还提供了大量的仿真实验模型。本书配套材料可免费提供给采用本书作为教材的相关院校使用。如有需要，请发电子邮件至cipedu@163.com索取。本书配套的实验指导书《过程控制工程实验》,书号978-7-122-16956-3,欢迎选用。

在该书的编写过程中，得到了各兄弟学校老师，特别是教授过程控制课程的老师和企业界从事过程控制工作技术人员的大力支持和帮助，在此向他们表示深深的感谢。此外，也要感谢支持、帮助和关心我们编写工作的浙江大学控制系老师与学生。同时，我们要感谢所有帮助此书编写和出版的朋友!

编著者

2012年7月于浙大求是园

过程控制工程为自动控制学科的重要组成部分，是自动化专业学生的必修课程之一。本书是在原国家规划教材《过程控制工程》（第三版）的基础上重新编写的。

全书共分12章，第1章为过程控制概论；第2～6章讲述常规控制技术，内容包括过程动态建模，PID单回路控制，前馈与比值控制，串级、均匀、选择与分程控制等；第7、8章为先进控制技术，内容包括关联分析与解耦设计、基于模型的控制方法等;第9章结合具体工程应用过程，详细讨论了过程控制系统的设计思想与实现方案；第10～12章为常用过程操作单元的控制方案，内容包括传热设备控制、精馏塔控制、化学反应过程控制等。

本书可作为高等院校自动化及相关专业高年级本科生或研究生的教材，也可供炼油、石油化工、化工、冶金、电力、轻工、环保等领域从事工业过程控制工程的技术人员参考。

戴连奎，浙江大学，教授，在教学方面，近十年来一直在讲授浙江大学控制系的本科专业核心课程《过程控制工程》，因讲课认真、思路活跃、实践经验丰富、加上风趣幽默，深受学生们的欢迎，该课程于2010年被评为浙江省省级精品课程。

在科研方面，一直在结合石油化工行业、从事过程在线分析与控制、光谱分析技术等方面的应用研究工作。作为项目负责人，已完成国家“863”课题2项、省级课题2项，正在承担的国家科研项目2项，涉及近红外光谱、激光拉曼光谱等分子光谱分析方法与应用技术。研究开发了我国首套在线拉曼分析系统，并应用于实际工业装置，已获得国家发明专利多项，并在国内外学术期刊上发表论文50余篇。现任《化工自动化及仪表》和《自动化仪表》期刊编委，仪器仪表协会在线分析专业委员会委员。

1过程控制概论1

1.1控制系统的组成与目标1

1.1.1控制系统的由来1

1.1.2控制系统的组成3

1.1.3过程控制的术语与目标4

1.2控制仪表与控制装置5

1.2.1单元组合控制仪表5

1.2.2计算机控制装置6

1.3过程控制策略9

1.3.1反馈控制9

1.3.2前馈控制11

1.4反馈控制系统的分类12

1.5过程控制的任务和要求13

思考题与习题116

2过程动态特性17

2.1典型工业过程的动态特性17

2.1.1自衡过程17

2.1.2非自衡过程19

2.2机理建模方法21

2.2.1机理建模的步骤21

2.2.2常用的方程21

2.2.3机理建模举例26

2.3测量变送环节31

2.3.1关于测量误差31

2.3.2测量信号的处理32

2.4控制阀32

2.4.1控制阀概述32

2.4.2流量特性和阀门增益33

2.4.3流量特性的选择36

2.5广义对象及经验建模方法38

2.5.1广义对象的概念38

2.5.2经验建模的步骤39

2.5.3广义对象的测试法建模39

思考题与习题245

3反馈控制48

3.1控制系统的性能指标48

3.1.1以阶跃响应曲线的特征参数作为性能指标48

3.1.2偏差积分性能指标50

3.2三种常规的反馈控制模式51

3.2.1比例控制51

3.2.2比例积分控制52

3.2.3比例积分微分控制55

3.3PID控制器的选取与整定56

3.3.1控制器的选型56

3.3.2PID参数整定57

3.3.3PID参数自整定60

3.4单回路反馈控制系统的投运64

思考题与习题364

4前馈控制和比值控制65

4.1前馈控制系统65

4.1.1前馈控制的基本原理65

4.1.2前馈控制系统的特点67

4.2前馈控制系统的结构形式67

4.2.1静态前馈67

4.2.2动态前馈68

4.2.3前馈反馈控制69

4.2.4多变量前馈控制70

4.2.5用计算机实施前馈控制72

4.3比值控制系统73

4.3.1定比值控制74

4.3.2变比值控制76

4.3.3比值控制的实施77

4.3.4比值控制系统的设计与投运80

4.3.5比值控制系统中的若干问题81

思考题与习题483

5其他典型控制系统85

5.1串级控制系统85

5.1.1串级控制的概念及方框图描述85

5.1.2串级控制系统分析86

5.1.3串级控制系统设计87

5.1.4串级控制系统举例90

5.2均匀控制96

5.2.1均匀控制的由来96

5.2.2均匀控制的实现97

5.2.3均匀控制的控制器参数整定99

5.3选择性控制系统99

5.3.1用于设备软保护的选择性控制99

5.3.2其他选择性控制系统101

5.4分程控制系统和阀位控制系统103

5.4.1分程控制系统103

5.4.2阀位控制系统107

5.5非线性过程增益补偿108

5.5.1非线性过程的特点108

5.5.2非线性增益补偿方法111

5.5.3pH中和过程控制116

思考题与习题5122

6计算机控制系统125

6.1计算机控制系统概述125

6.2信号采集与处理127

6.2.1信号采集与变换127

6.2.2信号处理与数据滤波130

6.3数字PID控制算法133

6.3.1数字PID控制算式133

6.3.2数字PID改进算式134

6.3.3数字PID控制的实现137

6.4数字控制系统举例139

6.4.1DCS（Distributed Control System）概念139

6.4.2JX-300X系统结构140

6.4.3JX-300X系统软件144

思考题与习题6146

7多回路控制系统分析与设计147

7.1相对增益147

7.1.1相对增益的概念148

7.1.2相对增益矩阵的计算149

7.2耦合系统的变量配对与控制参数整定151

7.2.1耦合系统的变量配对151

7.2.2耦合多回路系统的控制参数整定153

7.3多回路系统的解耦设计157

7.3.1基于方块图的线性解耦器158

7.3.2基于过程机理的非线性解耦器163

思考题与习题7165

8基于模型的控制方法167

8.1史密斯预估控制167

8.1.1史密斯补偿原理167

8.1.2史密斯预估器的几种改进方案170

8.2内模控制171

8.2.1内模控制系统的结构与性质171

8.2.2内模控制器的设计方法172

8.2.3改进型内模控制系统173

8.3模型预测控制176

8.3.1模型预测控制的基本原理177

8.3.2SISO无约束动态矩阵控制178

8.3.3MIMO受约束动态矩阵控制181

8.3.4预测控制软件包简介183

8.4应用示范186

8.4.1Wood-Berry塔的预测控制仿真186

8.4.2工业应用实例187

思考题与习题8191

9过程控制系统方案设计192

9.1概论192

9.2连续放热反应釜的控制193

9.3处理废水的氯化消毒处理198

9.4烃类废气收集罐的压力控制201

思考题与习题9206

10传热设备的控制211

10.1传热设备的静态与动态特性211

10.1.1热量传递的三种方式211

10.1.2换热设备的结构类型213

10.1.3换热设备的静态特性213

10.1.4换热设备的动态特性215

10.2换热设备的控制217

10.2.1换热器的控制217

10.2.2蒸汽加热器的控制218

10.2.3冷凝冷却器的控制219

10.3加热炉的控制220

10.3.1加热炉的单回路控制方案221

10.3.2加热炉的串级控制方案222

10.4锅炉设备的控制225

10.4.1汽包水位的控制227

10.4.2燃烧系统的控制232

10.4.3蒸汽过热系统的控制235

思考题与习题10235

11精馏塔的控制238

11.1精馏塔的控制目标238

11.1.1质量指标238

11.1.2产品产量和能量消耗239

11.2精馏塔的静态特性和动态特性240

11.2.1精馏塔的静态特性240

11.2.2精馏塔的动态模型242

11.3精馏塔质量指标的选取247

11.3.1灵敏板的温度控制247

11.3.2温差控制248

11.3.3双温差控制248

11.4精馏塔的常用控制方案249

11.4.1物料平衡控制251

11.4.2精馏段质量指标控制255

11.4.3提馏段质量指标控制261

11.4.4两端质量指标控制263

11.5精馏塔的先进控制方案267

11.5.1内回流控制267

11.5.2产品质量的软测量与推断控制268

11.5.3精馏塔的节能控制270

思考题与习题11272

12化学反应过程控制274

12.1化学反应过程概述274

12.1.1化学反应器的类型274

12.1.2化学反应的基本规律276

12.2化学反应器的动态数学模型279

12.2.1基本动态方程式279

12.2.2反应器的热稳定性280

12.3反应器的基本控制方案282

12.3.1概述282

12.3.2反应器的温度控制283

12.3.3外围条件的稳定控制286

12.4典型反应器的控制方案设计288

12.4.1聚合反应釜的控制288

12.4.2合成氨过程的控制291

思考题与习题12297

参考文献298

过程控制工程为自动控制学科的重要组成部分，是自动化专业学生的必修课程之一。本书是在原国家规划教材《过程控制工程》（第三版）的基础上重新编写的。

全书共分12章，第1章为过程控制概论；第2～6章讲述常规控制技术，内容包括过程动态建模，PID单回路控制，前馈与比值控制，串级、均匀、选择与分程控制等；第7、8章为先进控制技术，内容包括关联分析与解耦设计、基于模型的控制方法等;第9章结合具体工程应用过程，详细讨论了过程控制系统的设计思想与实现方案；第10～12章为常用过程操作单元的控制方案，内容包括传热设备控制、精馏塔控制、化学反应过程控制等。

本书可作为高等院校自动化及相关专业高年级本科生或研究生的教材，也可供炼油、石油化工、化工、冶金、电力、轻工、环保等领域从事工业过程控制工程的技术人员参考。

戴连奎，浙江大学，教授，在教学方面，近十年来一直在讲授浙江大学控制系的本科专业核心课程《过程控制工程》，因讲课认真、思路活跃、实践经验丰富、加上风趣幽默，深受学生们的欢迎，该课程于2010年被评为浙江省省级精品课程。

在科研方面，一直在结合石油化工行业、从事过程在线分析与控制、光谱分析技术等方面的应用研究工作。作为项目负责人，已完成国家“863”课题2项、省级课题2项，正在承担的国家科研项目2项，涉及近红外光谱、激光拉曼光谱等分子光谱分析方法与应用技术。研究开发了我国首套在线拉曼分析系统，并应用于实际工业装置，已获得国家发明专利多项，并在国内外学术期刊上发表论文50余篇。现任《化工自动化及仪表》和《自动化仪表》期刊编委，仪器仪表协会在线分析专业委员会委员。