自動化儀表與過程控制

前言

　　本書是“普通高等教育‘十一五’國家級規(guī)劃教材”，該教材由高等學(xué)校《計算機與自動控制》專業(yè)教材編審委員會《自動控制》教材編審小組評審選定，并推薦出版?！　”窘滩淖畛跏歉鶕?jù)全國工科電子類自動控制專業(yè)教材編審委員會制訂的大綱編寫的，1980年國防工業(yè)出版社出版的、由西安交通大學(xué)施仁、劉文江主編的《工業(yè)自動化儀表與過程控制》教材。此后，根據(jù)國務(wù)院關(guān)于高等學(xué)校教材出版分工的規(guī)定，改由電子工業(yè)出版社出版，歷經(jīng)三次修訂改版，分別于1984年（第一版）、1991年（第二版）、2003年（第三版）由電子工業(yè)出版社作為全國自動控制專業(yè)統(tǒng)編教材出版發(fā)行。2006年被正式評為“普通高等教育‘十一五’國家級規(guī)劃教材”。多年來被諸多大專院校廣泛使用，也提出了不少改進意見，這一次根據(jù)讀者、特別是授課教師的意見，結(jié)合近年來工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)實，對內(nèi)容進行了較大的增刪補充，作為第四版出版面世?！　”窘滩牡膮⒖冀虒W(xué)時數(shù)為60學(xué)時，上、下篇各約30學(xué)時。其主要內(nèi)容是：上篇為自動化儀表部分，介紹各種檢測儀表、控制儀表、執(zhí)行器、防爆柵，以及計算機集散控制系統(tǒng)DCS與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)集成技術(shù)。下篇為過程控制部分，介紹調(diào)節(jié)對象動態(tài)特性的測試方法，單回路及串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法，以及解耦控制、推理控制及預(yù)測控制等先進控制技術(shù)，最后介紹幾種典型調(diào)節(jié)系統(tǒng)在生產(chǎn)過程自動控制中的應(yīng)用實例?！　”窘滩牡淖詣踊瘍x表部分主要以DDZ-Ⅲ型電動單元組合儀表、YS-80及YS-1000系列數(shù)字調(diào)節(jié)器、CENTLJM CS3000集散控制系統(tǒng)及基金會現(xiàn)場總線（FF總線）控制系統(tǒng)為重點，介紹基本單元的工作原理和使用特點。關(guān)于儀表的具體構(gòu)造和調(diào)校方法討論不多，編者認(rèn)為這些內(nèi)容放到實驗中解決更為合適。本書的過程控制部分主要討論調(diào)節(jié)對象動特性測試和數(shù)據(jù)處理方法，以及控制系統(tǒng)設(shè)計和整定的基本原理，不具體針對特定的工藝過程。　　本課程是自動化專業(yè)學(xué)生在學(xué)完電子技術(shù)基礎(chǔ)、微型計算機原理，以及控制理論課后開設(shè)的后續(xù)課程。通過學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握自動化儀表的基本工作原理和使用特點，以及使用這些技術(shù)工具集成自動控制系統(tǒng)的方法。

內(nèi)容概要

本書為“普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材”，主要討論生產(chǎn)過程自動化中使用的各種測控儀表的工作原理，以及和過程控制系統(tǒng)的設(shè)計整定方法。    全書分上下兩篇。上篇為自動化儀表，介紹工業(yè)上最常用的檢測儀表、控制儀表、執(zhí)行器及防爆柵的工作原理及使用特點。重點討論DDZ-III型電動單元組合儀表、YS-80及YS-1000系列數(shù)字調(diào)節(jié)器、CEN-TUM CS3000集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。下篇為過程控制系統(tǒng)，在介紹對象動態(tài)特性的測試方法、單回路及串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計方法和調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的基礎(chǔ)上，介紹了解耦控制、推理控制及預(yù)測控制等先進控制系統(tǒng)的基本原理，最后介紹了幾種典型調(diào)節(jié)系統(tǒng)在生產(chǎn)過程自動控制中的應(yīng)用實例。 　　本書可供高等學(xué)校工業(yè)自動化專業(yè)本科生、研究生作為教材或參考書使用，也可供相關(guān)科研院所及企業(yè)的工程技術(shù)人員參考使用。

書籍目錄

上篇  自動化儀表　自動化儀表概述    0.1  自動化儀表及其發(fā)展概況    0.2  電動單元組合儀表及其控制系統(tǒng)的組成    0.3  儀表的基本技術(shù)指標(biāo)    復(fù)習(xí)思考題　第1章  檢測儀表  　1.1  溫度檢測儀表　    1.1.1  測量溫度的主要方法　    1.1.2  熱電偶　    1.1.3  熱電阻　    1.1.4  半導(dǎo)體熱敏電阻　    1.1.5  熱電偶溫度變送器的基本結(jié)構(gòu)　    1.1.6  DDZ-III型熱電偶溫度變送器的實際線路　  1.2  壓力檢測儀表　    1.2.1  彈性式壓力測量元件　    1.2.2  力平衡式壓力（差壓）變送器　    1.2.3  位移式差壓（壓力）變送器　    1.2.4  固態(tài)測壓儀表　  1.3  流量檢測儀表　    1.3.1  節(jié)流式流量計　    1.3.2  容積式流量計　    1.3.3  渦輪流量計　    1.3.4  電磁流量計　    1.3.5  旋渦式流量計　  1.4  液位檢測儀表　    1.4.1  浮力式和靜壓式液位計　    1.4.2  電容式液位計　    1.4.3  超聲波液位計　  1.5  成分分析儀表　    1.5.1  熱導(dǎo)式氣體分析儀　    1.5.2  紅外線氣體分析儀　    1.5.3  色譜分析儀    復(fù)習(xí)思考題　第2章  調(diào)節(jié)器　  2.1  調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律　  2.2  PID運算電路　    2.2.1  比例積分運算電路　    2.2.2  比例微分運算電路　    2.2.3  PID運算電路　  2.3  PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)和頻率特性　    2.3.1  PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)　    2.3.2  PID調(diào)節(jié)器的頻率特性　  2.4  PID調(diào)節(jié)器的線路實例　    2.4.1  輸入電路　    2.4.2  PID運算電路　    2.4.3  輸出電路　    2.4.4  手動操作電路及自動一手動切換　    2.4.5  測量及給定指示電路　  2.5  數(shù)字控制算法　    2.5.1  基本PID的離散表達式　    2.5.2  采樣周期的選擇　    2.5.3  變形的PID控制算法　    2.5.4  混合過程PID算法　    2.5.5  字長的考慮　  2.6  單回路可編程序控制器　    2.6.1  SLPC型可編程序控制器的電路  　  2.6.2  單回路控制器的工作節(jié)拍    　2.6.3  用戶程序結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)格式　    2.6.4  運算模塊　    2.6.5  控制模塊及編程　    2.6.6   程序的寫入和調(diào)試    復(fù)習(xí)思考題　第3章  集散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)　  3.1  集散控制系統(tǒng)的發(fā)展及其組成　  3.2  DCS現(xiàn)場控制站的功能　    3.2.1  反饋控制功能　    3.2.2  順序控制功能　  3.3  DCS操作站的功能　  3.4  總線技術(shù)　    3.4.1  現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展　    3.4.2  系統(tǒng)互連參考模型　    3.4.3  HART通信技術(shù)　    3.4.4  基金會現(xiàn)場總線通信技術(shù)　  3.5  基金會現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用　    3.5.1  用戶應(yīng)用——功能塊　    3.5.2  系統(tǒng)管理　    3.5.3  設(shè)備信息文件　    3.5.4  現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計　  3.6  現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)　    3.6.1  現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)System 302的組成　    3.6.2  系統(tǒng)System 302中現(xiàn)場設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)　    3.6.3  系統(tǒng)System 302中人機界面的組態(tài)    復(fù)習(xí)思考題　第4章  執(zhí)行器和防爆柵　  4.1  執(zhí)行器　    4.1.1  氣動執(zhí)行器　    4.1.2  電—氣轉(zhuǎn)換器　　    4.1.3  閥門定位器　    4.1.1  電動執(zhí)行器　  4.2  防爆柵　    4.2.1  安全火花防爆系統(tǒng)的概念　    4.2.2  安全火花防爆的等級　    4.2.3  防爆柵的基本工作原理　    4.2.4  隔離式防爆柵　    復(fù)習(xí)思考題下篇  過程控制　第5章  調(diào)節(jié)對象的特性及實驗測定　  5.1  單容對象動特性及其數(shù)學(xué)描述　    5.1.1  水槽水位的動特性　    5.1.2  對象的自衡特性　  5.2  多容對象的特性、容量滯后、純滯后　    5.2.1  雙容對象的特性　    5.2.2  純滯后　  5.3  對象特性的實驗測定、時域法　    5.3.1  實驗測定方法概述　    5.3.2  測定動態(tài)特性的時域方法　  5.4  測定動態(tài)特性的頻域方法　    5.4.1  正弦波方法　    5.4.2  頻率特性的相關(guān)測試法　    5.4.3  閉路測定法　  5.5  測定動態(tài)特性的統(tǒng)計方法　    5.5.1  平衡隨機過程、相關(guān)函數(shù)、功率密度譜　    5.5.2  相關(guān)分析法識別對象動態(tài)特性的原理　    5.5.3  偽隨機信號  　  5.5.4  偽隨機序列的產(chǎn)生方法及其性質(zhì)　    5.5.5  用M序列信號測定對象的動態(tài)特性　    5.5.6  二位式偽隨機序列作為試驗信號時對象動態(tài)特性的識別　  5.6  測定動態(tài)特性的最小二乘法   　 5.6.1  概述　    5.6.2  線性系統(tǒng)的差分方程表示　    5.6.3  最小二乘法　    5.6.4  最小二乘法估計的遞推算法　    5.6.5  最小二乘估計遞推算法的程序設(shè)計    復(fù)習(xí)思考題　第6章  單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計及調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法　  6.1  概述　  6.2  對象動特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響及調(diào)節(jié)方案的確定　    6.2.1  干擾通道動特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響　    6.2.2  調(diào)節(jié)通道動特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響　    6.2.3  調(diào)節(jié)方案的確定　  6.3  調(diào)節(jié)規(guī)律對系統(tǒng)動特性的影響、調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇　    6.3.1  在干擾作用下雙容對象的比例調(diào)節(jié)　    6.3.2  系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能指標(biāo)、PI、PD調(diào)節(jié)作用分析　    6.3.3  調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇　   6.4  調(diào)節(jié)器參數(shù)的實驗整定方法　    6.4.1  穩(wěn)定邊界法　    6.4.2  反應(yīng)曲線法　    6.4.3  衰減曲線法　    6.4.4  三種整定方法的比較    復(fù)習(xí)思考題　第7章  復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)　  7.1  串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)　    7.1.1  串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成　    7.1.2  串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點和效果分析　    7.1.3  調(diào)節(jié)器的選型和整定方法　  7.2  比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)　    7.2.1  比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成原理　    7.2.2  比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定　  7.3  調(diào)節(jié)系統(tǒng)　    7.3.1  均勻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成　    7.3.2  調(diào)節(jié)器的選型和整定　  7.4  調(diào)節(jié)系統(tǒng)　    7.4.1  前饋控制的工作原理　    7.4.2  擾動補償規(guī)律及其局限性　    7.4.3  復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特性分析　    7.4.4  復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)的選擇　    7.4.5  自治調(diào)節(jié)系統(tǒng)　    7.4.6  自治調(diào)節(jié)系統(tǒng)解鍋裝置的綜合    復(fù)習(xí)思考題　第8章  復(fù)雜過程控制系統(tǒng)　  8.1  多變量解耦控制系統(tǒng) 　    8.1.1  多變量過程的基本描述 　    8.1.2  相對增益與相對增益矩陣 　    8.1.3  解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計 　    8.1.4  解耦控制中的一些問題  　  8.2  推理控制系統(tǒng)　    8.2.1  推理控制的基本原理　    8.2.2  推理一反饋控制系統(tǒng)　    8.2.3  輔助控制量的選擇　    8.2.4  控制作用的限幅　  8.3  預(yù)測控制系統(tǒng)  　  8.3.1  預(yù)測模型　    8.3.2  參考軌跡　    8.3.3  控制算法　    8.3.4  預(yù)測控制的優(yōu)點及存在問題  復(fù)習(xí)思考題　第9章  自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用　  9.1  石油加工蒸餾裝置的儀表控制系統(tǒng)　    9.1.1  石油加工中的儀表控制系統(tǒng)概要　    9.1.2  塔的儀表控制系統(tǒng)　  9.2  鋼鐵工業(yè)中加熱爐的儀表控制系統(tǒng)　    9.2.1  鋼鐵生產(chǎn)過程概要　    9.2.2  爐的燃燒控制　    9.2.3  燃燒控制的串級比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)　    9.2.4  交叉限幅并聯(lián)副回路的串級調(diào)節(jié)　  9.3  鍋爐的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)　    9.3.1  汽包水位的調(diào)節(jié)　    9.3.2  過程的調(diào)節(jié)　    9.3.3  鍋爐控制系統(tǒng)舉例    復(fù)習(xí)思考題主要參考書

章節(jié)摘錄

　　上篇　自動化儀表　　第1章　檢測儀表　　各種不同的工業(yè)企業(yè)在實現(xiàn)自動化時需要檢測的工藝參數(shù)種類很多。例如，在熱工過程中，最常遇到的是溫度、壓力、流量和物位4種參數(shù)的檢測問題；在化工過程中，除上述四大參數(shù)外，還需要進行成分分析和某些物理化學(xué)性質(zhì)如密度、黏度、酸度等的測量；在冶金、鋼鐵、機械工業(yè)中，則又需對某些機械參數(shù)如重量、力、加速度、位移、厚度等進行檢測；在電廠中還有頻率、相位、功率因數(shù)等電工量需要測定等。顯然，要把所有的工藝參數(shù)檢測方法都討論是不可能的，下面只對幾種比較有普遍性的工藝參數(shù)進行示例性的討論。通過一些典型例子，說明目前采用的主要檢測手段和達到的技術(shù)水平，介紹組成檢測儀表的基本原則和保證可靠工作的一般方法。希望讀者在學(xué)習(xí)了這些有限的例子后，能舉一反三，為掌握其他檢測儀表打下基礎(chǔ)?！　?.1溫度檢測儀表　　溫度是工業(yè)生產(chǎn)中最基本的工藝參數(shù)之一，任何化學(xué)反應(yīng)或物理變化的進程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度的測量與控制是生產(chǎn)過程自動化的重要任務(wù)之一。1.1.1　測量溫度的主要方法測量溫度的方法雖然很多，但從感受溫度的途徑來分，有以下兩大類：一類是接觸式的，即通過測溫元件與被測物體的接觸而感知物體的溫度；另一類是非接觸的，即通過接收被測物體發(fā)出的輻射熱來判斷溫度。　　目前常見的接觸式測溫儀表有如下幾種。　　1.膨脹式溫度計　　利用固體或液體熱脹冷縮的特性測量溫度。例如，常見的體溫表便是液體膨脹式溫度計；利用固體膨脹的，有根據(jù)熱脹冷縮而使長度變化做成的桿式溫度計和利用雙金屬片受熱產(chǎn)生彎曲變形的雙金屬溫度計?！　?.壓力式溫度計　　壓力式溫度計是根據(jù)密封在固定容器內(nèi)的液體或氣體，當(dāng)溫度變化時壓力發(fā)生變化的特性，將溫度的測量轉(zhuǎn)化為壓力的測量。它主要由兩部分組成：一是溫包，由盛液體或氣體的感溫固定容器構(gòu)成，二是反映壓力變化的彈性元件。

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