自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制

前言

　　本書(shū)是“普通高等教育‘十一五’國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材”，該教材由高等學(xué)?！队?jì)算機(jī)與自動(dòng)控制》專(zhuān)業(yè)教材編審委員會(huì)《自動(dòng)控制》教材編審小組評(píng)審選定，并推薦出版?！　”窘滩淖畛跏歉鶕?jù)全國(guó)工科電子類(lèi)自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)教材編審委員會(huì)制訂的大綱編寫(xiě)的，1980年國(guó)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(dòng)化儀表與過(guò)程控制》教材。此后，根據(jù)國(guó)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(guó)自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)統(tǒng)編教材出版發(fā)行。2006年被正式評(píng)為“普通高等教育‘十一五’國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材”。多年來(lái)被諸多大專(zhuān)院校廣泛使用，也提出了不少改進(jìn)意見(jiàn)，這一次根據(jù)讀者、特別是授課教師的意見(jiàn)，結(jié)合近年來(lái)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)實(shí)，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行了較大的增刪補(bǔ)充，作為第四版出版面世?！　”窘滩牡膮⒖冀虒W(xué)時(shí)數(shù)為60學(xué)時(shí)，上、下篇各約30學(xué)時(shí)。其主要內(nèi)容是：上篇為自動(dòng)化儀表部分，介紹各種檢測(cè)儀表、控制儀表、執(zhí)行器、防爆柵，以及計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)DCS與現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程控制部分，介紹調(diào)節(jié)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試方法，單回路及串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(cè)控制等先進(jìn)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(guò)程自動(dòng)控制中的應(yīng)用實(shí)例。　　本教材的自動(dòng)化儀表部分主要以DDZ-Ⅲ型電動(dòng)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(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF總線）控制系統(tǒng)為重點(diǎn)，介紹基本單元的工作原理和使用特點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)中解決更為合適。本書(shū)的過(guò)程控制部分主要討論調(diào)節(jié)對(duì)象動(dòng)特性測(cè)試和數(shù)據(jù)處理方法，以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和整定的基本原理，不具體針對(duì)特定的工藝過(guò)程?！　”菊n程是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生在學(xué)完電子技術(shù)基礎(chǔ)、微型計(jì)算機(jī)原理，以及控制理論課后開(kāi)設(shè)的后續(xù)課程。通過(guò)學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握自動(dòng)化儀表的基本工作原理和使用特點(diǎn)，以及使用這些技術(shù)工具集成自動(dòng)控制系統(tǒng)的方法。

內(nèi)容概要

本書(shū)為“普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材”，主要討論生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中使用的各種測(cè)控儀表的工作原理，以及和過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)整定方法。    全書(shū)分上下兩篇。上篇為自動(dòng)化儀表，介紹工業(yè)上最常用的檢測(cè)儀表、控制儀表、執(zhí)行器及防爆柵的工作原理及使用特點(diǎn)。重點(diǎn)討論DDZ-III型電動(dòng)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)。下篇為過(guò)程控制系統(tǒng)，在介紹對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試方法、單回路及串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(cè)控制等先進(jìn)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(guò)程自動(dòng)控制中的應(yīng)用實(shí)例。 　　本書(shū)可供高等學(xué)校工業(yè)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)本科生、研究生作為教材或參考書(shū)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(shū)籍目錄

上篇  自動(dòng)化儀表　自動(dòng)化儀表概述    0.1  自動(dòng)化儀表及其發(fā)展概況    0.2  電動(dòng)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(cè)儀表  　1.1  溫度檢測(cè)儀表　    1.1.1  測(cè)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(shí)際線路　  1.2  壓力檢測(cè)儀表　    1.2.1  彈性式壓力測(cè)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(cè)壓儀表　  1.3  流量檢測(cè)儀表　    1.3.1  節(jié)流式流量計(jì)　    1.3.2  容積式流量計(jì)　    1.3.3  渦輪流量計(jì)　    1.3.4  電磁流量計(jì)　    1.3.5  旋渦式流量計(jì)　  1.4  液位檢測(cè)儀表　    1.4.1  浮力式和靜壓式液位計(jì)　    1.4.2  電容式液位計(jì)　    1.4.3  超聲波液位計(jì)　  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(yùn)算電路　    2.2.1  比例積分運(yùn)算電路　    2.2.2  比例微分運(yùn)算電路　    2.2.3  PID運(yùn)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(shí)例　    2.4.1  輸入電路　    2.4.2  PID運(yùn)算電路　    2.4.3  輸出電路　    2.4.4  手動(dòng)操作電路及自動(dòng)一手動(dòng)切換　    2.4.5  測(cè)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(dá)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(guò)程PID算法　    2.5.5  字長(zhǎng)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(yùn)算模塊　    2.6.5  控制模塊及編程　    2.6.6   程序的寫(xiě)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)　  3.5  基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)　  3.6  現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)　    3.6.1  現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)System 302的組成　    3.6.2  系統(tǒng)System 302中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)　    3.6.3  系統(tǒng)System 302中人機(jī)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(dòng)執(zhí)行器　    4.1.2  電—?dú)廪D(zhuǎn)換器　　    4.1.3  閥門(mén)定位器　    4.1.1  電動(dòng)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(jí)　    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(guò)程控制　第5章  調(diào)節(jié)對(duì)象的特性及實(shí)驗(yàn)測(cè)定　  5.1  單容對(duì)象動(dòng)特性及其數(shù)學(xué)描述　    5.1.1  水槽水位的動(dòng)特性　    5.1.2  對(duì)象的自衡特性　  5.2  多容對(duì)象的特性、容量滯后、純滯后　    5.2.1  雙容對(duì)象的特性　    5.2.2  純滯后　  5.3  對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定、時(shí)域法　    5.3.1  實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法概述　    5.3.2  測(cè)定動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域方法　  5.4  測(cè)定動(dòng)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(cè)試法　    5.4.3  閉路測(cè)定法　  5.5  測(cè)定動(dòng)態(tài)特性的統(tǒng)計(jì)方法　    5.5.1  平衡隨機(jī)過(guò)程、相關(guān)函數(shù)、功率密度譜　    5.5.2  相關(guān)分析法識(shí)別對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的原理　    5.5.3  偽隨機(jī)信號(hào)  　  5.5.4  偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生方法及其性質(zhì)　    5.5.5  用M序列信號(hào)測(cè)定對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性　    5.5.6  二位式偽隨機(jī)序列作為試驗(yàn)信號(hào)時(shí)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的識(shí)別　  5.6  測(cè)定動(dòng)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(jì)的遞推算法　    5.6.5  最小二乘估計(jì)遞推算法的程序設(shè)計(jì)    復(fù)習(xí)思考題　第6章  單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法　  6.1  概述　  6.2  對(duì)象動(dòng)特性對(duì)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(dòng)特性對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響　    6.2.2  調(diào)節(jié)通道動(dòng)特性對(duì)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(duì)系統(tǒng)動(dòng)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)　    7.1.1  串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成　    7.1.2  串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)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(dòng)補(bǔ)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(guò)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(guò)程的基本描述 　    8.1.2  相對(duì)增益與相對(duì)增益矩陣 　    8.1.3  解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 　    8.1.4  解耦控制中的一些問(wèn)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(cè)控制系統(tǒng)  　  8.3.1  預(yù)測(cè)模型　    8.3.2  參考軌跡　    8.3.3  控制算法　    8.3.4  預(yù)測(cè)控制的優(yōu)點(diǎn)及存在問(wèn)題  復(fù)習(xí)思考題　第9章  自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)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(guò)程概要　    9.2.2  爐的燃燒控制　    9.2.3  燃燒控制的串級(jí)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(jí)調(diào)節(jié)　  9.3  鍋爐的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)　    9.3.1  汽包水位的調(diào)節(jié)　    9.3.2  過(guò)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(shū)

章節(jié)摘錄

　　上篇　自動(dòng)化儀表　　第1章　檢測(cè)儀表　　各種不同的工業(yè)企業(yè)在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化時(shí)需要檢測(cè)的工藝參數(shù)種類(lèi)很多。例如，在熱工過(guò)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(cè)問(wèn)題；在化工過(guò)程中，除上述四大參數(shù)外，還需要進(jìn)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(cè)量；在冶金、鋼鐵、機(jī)械工業(yè)中，則又需對(duì)某些機(jī)械參數(shù)如重量、力、加速度、位移、厚度等進(jìn)行檢測(cè)；在電廠中還有頻率、相位、功率因數(shù)等電工量需要測(cè)定等。顯然，要把所有的工藝參數(shù)檢測(cè)方法都討論是不可能的，下面只對(duì)幾種比較有普遍性的工藝參數(shù)進(jìn)行示例性的討論。通過(guò)一些典型例子，說(shuō)明目前采用的主要檢測(cè)手段和達(dá)到的技術(shù)水平，介紹組成檢測(cè)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(cè)儀表打下基礎(chǔ)?！　?.1溫度檢測(cè)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(jìn)程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度的測(cè)量與控制是生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的重要任務(wù)之一。1.1.1　測(cè)量溫度的主要方法測(cè)量溫度的方法雖然很多，但從感受溫度的途徑來(lái)分，有以下兩大類(lèi)：一類(lèi)是接觸式的，即通過(guò)測(cè)溫元件與被測(cè)物體的接觸而感知物體的溫度；另一類(lèi)是非接觸的，即通過(guò)接收被測(cè)物體發(fā)出的輻射熱來(lái)判斷溫度。　　目前常見(jiàn)的接觸式測(cè)溫儀表有如下幾種?！　?.膨脹式溫度計(jì)　　利用固體或液體熱脹冷縮的特性測(cè)量溫度。例如，常見(jiàn)的體溫表便是液體膨脹式溫度計(jì)；利用固體膨脹的，有根據(jù)熱脹冷縮而使長(zhǎng)度變化做成的桿式溫度計(jì)和利用雙金屬片受熱產(chǎn)生彎曲變形的雙金屬溫度計(jì)?！　?.壓力式溫度計(jì)　　壓力式溫度計(jì)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(shí)壓力發(fā)生變化的特性，將溫度的測(cè)量轉(zhuǎn)化為壓力的測(cè)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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