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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3

1.2 控制仪表与控制装置4

1.2.1 单元组合控制仪表4

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10

1.4 反馈控制系统的分类11

思考题与习题113

2 基于过程动力学的机理建模14

2.1 过程建模的目的和方法14

2.2 机理建模15

2.2.1 机理法建模的步骤15

2.2.2 常用的方程15

2.3 典型过程的动态建模20

2.3.1 液体储罐的动态模型21

2.3.2 串联液体储罐的动态模型22

2.3.3 气体压力储罐的动态模型23

2.3.4 夹套式换热器的动态模型24

2.3.5 管式换热器的动态模型25

2.3.6 化学反应器的动态模型26

思考题与习题228

3 基于实验数据的经验建模30

3.1 阶跃响应建模30

3.1.1 阶跃响应的获取30

3.1.2 由阶跃响应确定近似传递函数31

3.1.3 脉冲响应方法34

3.2 回归建模方法35

3.2.1 线性回归建模35

3.2.2 离散时间模型及其辨识37

3.2.3 神经网络建模39

思考题与习题342

4 反馈控制44

4.1 控制系统的性能指标44

4.1.1 以阶跃响应曲线的特征参数作为性能指标44

4.1.2 偏差积分性能指标45

4.2 三种常规的反馈控制模式46

4.2.1 比例控制作用47

4.2.2 比例积分控制作用48

4.2.3 比例积分微分控制作用50

4.3 PID控制器的选取与整定51

4.3.1 控制器的选型51

4.3.2 控制器参数整定52

4.3.3 PID参数自整定55

4.4 反馈控制系统的投运58

思考题与习题459

5 前馈控制和比值控制60

5.1 前馈控制系统60

5.1.1 前馈控制的基本原理60

5.1.2 前馈控制系统的特点62

5.2 前馈控制系统的几种结构形式62

5.2.1 静态前馈62

5.2.2 动态前馈63

5.2.3 前馈反馈控制系统64

5.2.4 多变量前馈控制65

5.2.5 用计算机实施前馈控制67

5.3 比值控制系统68

5.3.1 定比值控制系统69

5.3.2 变比值控制系统71

5.3.3 比值控制系统的实施72

5.3.4 比值控制系统的设计、投运及整定74

5.3.5 比值控制系统中的若干问题75

思考题与习题576

6 其他典型控制系统78

6.1 串级控制系统78

6.1.1 串级控制的概念及方框图描述78

6.1.2 串级控制系统分析79

6.1.3 串级控制系统设计80

6.1.4 串级控制系统举例83

6.2 非线性增益补偿控制88

6.2.1 非线性过程的特点88

6.2.2 非线性补偿方法90

6.2.3 pH中和过程控制94

6.3 均匀控制100

6.3.1 均匀控制的由来100

6.3.2 均匀控制的实现101

6.3.3 均匀控制参数工程整定102

6.4 选择性控制系统103

6.4.1 用于设备软保护的选择性控制103

6.4.2 其他选择性控制系统105

6.5 分程控制系统和阀位控制系统106

6.5.1 分程控制系统106

6.5.2 阀位控制系统110

思考题与习题6111

7 多回路控制系统分析与设计114

7.1 相对增益114

7.1.1 相对增益的概念114

7.1.2 相对增益矩阵的计算116

7.2 耦合系统的变量配对与控制参数整定117

7.2.1 耦合系统的变量配对118

7.2.2 耦合多回路系统的控制器参数整定120

7.3 多回路系统的解耦设计124

7.3.1 基于方框图的线性解耦器124

7.3.2 基于过程机理的非线性解耦器130

思考题与习题7131

8 计算机控制系统133

8.1 计算机控制系统概述133

8.2 信号采集与处理135

8.2.1 信号采集与变换135

8.2.2 信号处理与数据滤波137

8.3 数字PID控制算法140

8.3.1 数字PID控制算式140

8.3.2 数字PID改进算式141

8.3.3 数字PID控制的实现143

8.3.4 数字PID控制器参数整定145

8.4 数字控制系统举例146

8.4.1 DCS（Distributed Control System）概念146

8.4.2 JX-300X系统结构147

8.4.3 JX-300X系统软件150

思考题与习题8153

9 基于模型的控制方法154

9.1 史密斯预估控制154

9.1.1 史密斯补偿原理154

9.1.2 史密斯预估器的几种改进方案157

9.2 内模控制157

9.2.1 基本内模控制系统的结构与性质158

9.2.2 改进型内模控制系统159

9.3 模型预测控制161

9.3.1 模型预测控制的主要特征162

9.3.2 SISO无约束动态矩阵控制163

9.3.3 MIMO受约束动态矩阵控制166

9.4 先进控制应用示例：原油蒸馏塔的多变量预测控制167

9.4.1 工艺概况167

9.4.2 常压塔的多变量约束控制问题169

9.4.3 常压塔先进控制系统的运行结果170

思考题与习题9171

10 过程监督控制172

10.1 监督控制概述172

10.2 过程监视与控制172

10.2.1 过程变量限值检查法173

10.2.2 过程监控一般方法173

10.2.3 质量控制图法175

10.3 统计过程控制技术179

10.3.1 过程能力指数179

10.3.2 6-Sigma方法180

10.3.3 多元统计控制技术181

10.3.4 过程控制和统计过程控制的关系182

思考题与习题10183

11 间歇过程控制184

11.1 间歇生产过程及控制184

11.1.1 间歇生产过程特点184

11.1.2 间歇生产过程控制系统185

11.2 顺序逻辑控制186

11.3 间歇生产过程中的控制188

11.3.1 间歇生产过程的特殊控制方法189

11.3.2 间歇反应器的控制191

11.4 批次对批次（Run-to-Run）控制193

11.4.1 概述193

11.4.2 指数加权移动平均控制算法194

11.4.3 应用示例196

11.5 间歇生产过程管理197

11.5.1 处方（Recipe）和配方的管理197

11.5.2 间歇生产过程计划与调度198

思考题与习题11199

12 传热设备的控制201

12.1 概述201

12.1.1 热量传递的三种方式201

12.1.2 换热设备的结构类型203

12.1.3 换热设备的静态特性203

12.1.4 换热设备的动态特性205

12.2 换热设备的控制207

12.2.1 换热器的控制207

12.2.2 蒸汽加热器的控制208

12.2.3 冷凝冷却器的控制209

12.3 加热炉的控制210

12.3.1 加热炉的单回路控制方案210

12.3.2 加热炉的串级控制方案211

12.4 锅炉设备的控制214

12.4.1 汽包水位的控制216

12.4.2 燃烧系统的控制219

12.4.3 蒸汽过热系统的控制222

思考题与习题12222

13 精馏塔的控制224

13.1 精馏塔的控制目标224

13.1.1 质量指标224

13.1.2 产品产量和能量消耗225

13.2 精馏塔的静态特性和动态特性226

13.2.1 精馏塔的静态特性226

13.2.2 精馏塔的动态模型228

13.3 精馏塔质量指标的选取233

13.3.1 灵敏板的温度控制233

13.3.2 温差控制233

13.3.3 双温差控制234

13.4 精馏塔的常用控制方案235

13.4.1 物料平衡控制237

13.4.2 精馏段质量指标控制241

13.4.3 提馏段质量指标控制246

13.4.4 两端质量指标控制249

13.5 精馏塔的先进控制方案253

13.5.1 内回流控制253

13.5.2 产品质量的软测量与推断控制254

13.5.3 精馏塔的节能控制255

思考题与习题13257

14 计算机综合集成控制259

14.1 计算机综合集成控制概述259

14.1.1 流程工业生产过程运作特点259

14.1.2 计算机综合集成控制260

14.2 信息源与信息集成系统261

14.2.1 企业信息和数据来源261

14.2.2 信息分类与编码261

14.2.3 企业信息系统综合集成技术263

14.3 数据校正技术264

14.3.1 概述264

14.3.2 数据校正原理264

14.3.3 过失误差检测原理264

14.4 数据驱动下的企业运行265

14.4.1 生产过程的安全、稳定运行265

14.4.2 生产过程的优化管理及运行266

14.5 优化技术及应用267

14.5.1 最优化概念267

14.5.2 实时优化经济模型269

14.5.3 实时优化控制技术270

14.5.4 最优化算法及控制273

思考题与习题14276

参考文献278