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第1章 过程控制系统概述 1

1.1过程控制系统的组成、特点与地位 1

1.1.1过程控制系统及其组成 1

1.1.2过程控制的特点 3

1.1.3过程控制系统的地位 5

1.2过程控制的任务 6

1.3过程控制系统的分类及性能指标 7

1.3.1过程控制系统分类 7

1.3.2过程控制系统的性能指标 8

1.4过程控制系统的发展 11

1.4.1过程控制仪表的发展 11

1.4.2过程控制理论的发展 13

1.5本书的结构与章节安排 14

习题与思考题 15

第2章 过程检测仪表 16

2.1检测仪表的基本组成及工作方式 16

2.1.1检测仪表的基本概念、组成及信号传输 16

2.1.2检测仪表的零点迁移与量程迁移 19

2.2过程检测仪表的基本性能指标 20

2.2.1测量仪表的基本性能指标 20

2.2.2测量信号的处理 23

2.3温度变送器及其选型 24

2.3.1温度检测方法概述 24

2.3.2热电偶温度传感器 26

2.3.3热电阻温度传感器 32

2.3.4集成式温度传感器 35

2.3.5接触式测温元件的选型与安装 36

2.4压力变送器及其选型 37

2.4.1压力检测方法概述 37

2.4.2弹性式压力检测 38

2.4.3应变片式压力检测 40

2.4.4扩散硅压力传感器 41

2.4.5电容式压力检测 42

2.4.6压力仪表的选型与安装 46

2.5流量变送器及其选型 46

2.5.1容积式流量计 47

2.5.2节流式流量计 48

2.5.3电磁流量计 52

2.5.4旋涡（涡街）流量计 53

2.5.5超声波流量计 54

2.6物位变送器及其选型 56

2.6.1静压式液位测量 56

2.6.2电容式液位测量 57

2.6.3超声波式液位计 58

2.6.4雷达式液位计 59

2.7成分分析仪表 60

2.7.1热导式气体分析仪 61

2.7.2红外线气体分析仪 63

2.7.3色谱分析仪 64

2.7.4氧化锆氧量分析仪 67

习题与思考题 68

第3章 过程执行器与防爆栅 69

3.1过程执行器 69

3.1.1电动执行器 70

3.1.2气动执行器 71

3.1.3调节阀的流通能力 75

3.1.4调节阀的流量特性 76

3.1.5执行器的选择 80

3.2变频器 84

3.2.1变频器的基本工作原理 84

3.2.2变频器在过程控制中的应用 87

3.3防爆栅 88

3.3.1安全火花防爆系统的基本概念 88

3.3.2危险场所的划分与安全火花防爆的等级 90

3.3.3防爆栅的基本组成与工作原理 91

习题与思考题 95

第4章 PID控制算法及其实现技术 96

4.1基本PID控制算法 96

4.1.1从ON/OFF控制到比例（P）控制 97

4.1.2积分的引入——比例积分（PI）控制 101

4.1.3微分的引入——比例积分微分（PID）控制 103

4.2各种变形的PID控制算法 104

4.2.1微分先行PID控制算法 105

4.2.2比例先行PID控制算法 106

4.2.3带设定值滤波的PID控制算法 107

4.3 PID控制算法的时域、频域分析 108

4.3.1 PID控制器的阶跃响应 108

4.3.2 PID控制器的频率特性 110

4.4 PID控制算法的数字实现技术 111

4.4.1数字控制系统的基本结构 111

4.4.2数字控制器的设计思想 112

4.4.3连续PID控制器的离散化 116

4.4.4数字PID控制的位置式与增量式算法 118

4.4.5数字PID控制器采样周期、积分字长的选取 121

4.5 PID控制算法的工程实现技术 123

4.5.1 PID控制器的正/反作用方式 123

4.5.2 PID控制器的抗积分饱和算法 125

4.5.3 PID控制器的无扰切换技术 128

习题与思考题 131

第5章 单回路控制系统设计及调节器参数整定 133

5.1单回路控制系统设计概述 134

5.1.1过程控制系统设计的步骤 134

5.1.2过程控制系统控制方案的制定 136

5.2典型对象动态特性的数学描述及其实验测定 138

5.2.1单容对象动特性及其数学描述、对象的自衡特性 139

5.2.2多容对象动特性及其数学描述、容量滞后、纯滞后 143

5.2.3具有反向特性的过程、非最小相位过程 146

5.2.4对象特性的实验测定方法 148

5.3对象动特性对调节质量的影响 152

5.3.1干扰通道对象动特性对调节质量的影响 152

5.3.2调节通道对象动特性对调节质量的影响 155

5.3.3调节方案的确定 157

5.4调节规律对系统闭环性能的影响及其选择 160

5.4.1比例调节规律对系统动特性的影响 161

5.4.2系统调节性能指标（又称可控性指标） 166

5.4.3比例积分（PI）调节器对系统动特性的影响 169

5.4.4比例微分（PD）调节器对系统动特性的影响 172

5.4.5比例积分微分（PID）调节器 173

5.4.6调节器调节规律的选择 175

5.5 PID调节器的参数整定方法 175

5.5.1稳定边界法 176

5.5.2反应曲线法 178

5.5.3改进的齐格勒-尼科尔斯（RZN）方法 179

5.5.4 PID控制器的现场“试凑法”整定 181

5.6工业过程常见回路的特点及其设计 182

习题与思考题 184

第6章 复杂调节系统 186

6.1串级调节系统 186

6.1.1串级控制的基本思想 186

6.1.2串级控制系统的一般结构 188

6.1.3串级控制系统的特点和效果分析 189

6.1.4串级控制系统的设计、投运与参数整定 192

6.2前馈控制系统 196

6.2.1前馈控制的基本结构与工作原理 197

6.2.2前馈控制器设计及其性能分析 199

6.2.3复合控制系统 201

6.2.4前馈控制系统设计及其工程实现 203

6.3分程控制系统 205

6.3.1分程控制系统的基本结构与工作原理 205

6.3.2分程控制系统的设计、实现及其工程应用 207

6.4选择性控制系统 210

6.4.1选择性控制系统的基本概念 210

6.4.2选择性控制系统的结构与工作原理 211

6.4.3选择性控制系统的设计 212

6.5均匀调节系统 215

6.5.1均匀调节系统的组成与工作原理 215

6.5.2均匀调节系统控制规律的选择与参数整定 217

6.6比值调节系统 218

6.6.1比值调节系统的基本原理和结构 218

6.6.2比值调节系统的设计与参数整定 222

习题与思考题 225

第7章 先进控制系统 227

7.1解耦控制系统 227

7.1.1系统关联分析和相对增益 228

7.1.2避免耦合的设计原则、减少或解除耦合的途径 233

7.1.3解耦控制系统的设计 236

7.1.4解耦系统的简化及其工程实现 238

7.2时滞补偿控制 238

7.2.1典型时滞过程及其对闭环调节性能的影响 238

7.2.2大时滞过程的常规控制方法 239

7.2.3 Smith预估补偿算法及其性能 240

7.2.4 Smith预估器的内模控制结构及其设计 242

7.2.5改进的Smith预估补偿算法 244

7.3自适应控制系统 245

7.3.1自适应控制的基本原理 245

7.3.2增益调度自适应控制 246

7.3.3自整定PID控制器 247

7.3.4模型参考自适应控制 250

7.3.5自校正控制系统 253

7.4模型预测控制 254

7.4.1预测控制的基本思想 255

7.4.2单输入单输出模型的预测 258

7.4.3输出反馈和偏差校正 260

7.4.4多输入多输出模型的预测 261

7.4.5模型预测控制的动态优化 263

7.4.6具有约束的MPC控制 265

7.4.7模型预测控制器（MPC）的工程实现与参数整定 266

7.5非线性过程控制 269

7.5.1过程控制中的常见非线性环节 269

7.5.2各种类型的开关式调节器 272

7.5.3非线性PID调节器 275

习题与思考题 277

第8章 单回路调节器与集散控制系统 278

8.1单回路可编程调节器YS1700 278

8.1.1 YS1700的基本组成与工作原理 279

8.1.2 YS1700的基本操作与信息流程 281

8.1.3 YS1700用户程序的基本结构与编制方法 284

8.1.4 YS1700控制功能模块的结构及其编程 287

8.1.5 YS1700中的控制算法 300

8.1.6 YS1700中的运算模块 312

8.1.7 YS1700用户程序的写入与调试 323

8.1.8 YS1700的网络通信功能 330

8.2集散控制系统 338

8.2.1集散控制系统概述 338

8.2.2 DCS的体系结构 338

8.2.3 DCS的硬件组成 339

8.2.4 DCS的软件组成 342

8.2.5 DCS的通信网络 343

8.2.6几种典型DCS介绍 346

8.2.7 DCS的局限性及发展趋势 360

习题与思考题 361

第9章 现场总线控制系统 362

9.1自动化仪表通信技术概述 363

9.1.1自动化仪表间信号传输标准的发展 363

9.1.2开放系统互连参考模型 365

9.1.3信号传输的调制解调技术 366

9.2 HART通信技术 367

9.2.1 HART通信物理层 368

9.2.2 HART通信数据链路层 369

9.2.3 HART通信应用层 373

9.2.4 HART协议智能检测仪表 375

9.3基金会现场总线通信技术 379

9.3.1 FF H 1现场总线基本通信模型 379

9.3.2 FF H 1现场总线物理层 381

9.3.3 FF H 1现场总线数据链路层 383

9.3.4 FF H 1现场总线应用层 387

9.4基金会现场总线的用户应用 389

9.4.1用户应用模块 389

9.4.2系统管理 401

9.4.3设备信息文件 403

9.4.4现场总线控制系统的设计 405

9.5现场总线在集散控制系统中的集成 408

9.5.1现场总线控制系统System 302的组成 408

9.5.2系统System 302中现场设备与网络的组态 413

9.5.3系统System 302中人机界面的组态 415

9.6基金会现场总线HSE简介 416

9.6.1 HSE基本通信模型 416

9.6.2 HSE网络通信原理 417

9.7工业无线网络技术的发展与应用 420

习题与思考题 424

第10章 典型工业过程的控制 425

10.1能源工业锅炉设备的控制 425

10.1.1火力发电机组的生产过程及其对控制的要求 425

10.1.2汽轮机控制系统 427

10.1.3蒸汽锅炉控制系统概述 429

10.1.4汽包水位控制系统 430

10.1.5锅炉燃烧控制系统 434

10.1.6过热蒸汽温度控制系统 439

10.1.7锅炉控制系统的应用实例 441

10.2石油加工精馏过程的控制 443

10.2.1石油加工过程控制系统概述 443

10.2.2精馏塔的控制要求与控制特性 444

10.2.3精馏塔质量指标的选取 449

10.2.4精馏塔的基本控制方案 451

习题与思考题 459

参考文献 460

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