過程控制工程

前言

隨著工業(yè)化、信息化進(jìn)程的不斷加快，“以信息化帶動工業(yè)化、以工業(yè)化促進(jìn)信息化”已成為推動我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、建立現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系的戰(zhàn)略舉措，自動化正是承載兩化融合乃至社會發(fā)展的核心。自動化既是工業(yè)化發(fā)展的技術(shù)支撐和根本保障，也是信息化發(fā)展的主要載體和發(fā)展目標(biāo)，自動化的發(fā)展和應(yīng)用水平在很大意義上成為一個國家和社會現(xiàn)代工業(yè)文明的重要標(biāo)志之一。從傳統(tǒng)的化工、煉油、冶金、制藥、機械、電力等產(chǎn)業(yè)，到能源、材料、環(huán)境、軍事、國防等新興戰(zhàn)略發(fā)展領(lǐng)域，社會發(fā)展的各個方面均和自動化息息相關(guān)，自動化無處不在。 本系列教材是在建設(shè)浙江大學(xué)自動化國家級特色專業(yè)的過程中，圍繞自動化人才培養(yǎng)目標(biāo)，針對新時期自動化專業(yè)的知識體系，為培養(yǎng)新一代的自動化后備人才而編寫的，體現(xiàn)了我們在特色專業(yè)建設(shè)過程中的一些思考與研究成果。 浙江大學(xué)控制系自動化專業(yè)在人才培養(yǎng)方面有著悠久的歷史，其前身是浙江大學(xué)于1956年創(chuàng)立的化工自動化專業(yè)，這也是我國第一個化工自動化專業(yè)。1961年該專業(yè)開始培養(yǎng)研究生，1981年以浙江大學(xué)化工自動化專業(yè)為基礎(chǔ)建立的“工業(yè)自動化”學(xué)科點被國務(wù)院學(xué)位委員會批準(zhǔn)為首批博士學(xué)位授予點，1984年開始培養(yǎng)博士研究生，1988年被原國家教委批準(zhǔn)為國家重點學(xué)科，1989年確定為博士后流動站，同年成立了工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室，1992年原國家計委批準(zhǔn)成立了工業(yè)自動化國家工程研究中心，2007年啟動了由國家教育部和國家外專局資助的高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃（“111”引智計劃）。經(jīng)過50多年的傳承和發(fā)展，浙江大學(xué)自動化專業(yè)建立了完整的高等教育人才培養(yǎng)體系，沉積了深厚的文化底蘊，其高層次人才培養(yǎng)的整體實力在國內(nèi)外享有盛譽。 作為知識傳播和文化傳承的重要載體，浙江大學(xué)自動化專業(yè)一貫重視教材的建設(shè)工作，歷史上曾經(jīng)出版過很多優(yōu)秀的教材和著作，對我國的自動化及相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)起到了引領(lǐng)作用。當(dāng)前，加強工程教育是高等學(xué)校工科人才培養(yǎng)的主要指導(dǎo)方針，浙江大學(xué)自動化專業(yè)正是在教育部卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的指導(dǎo)下，對自動化專業(yè)的培養(yǎng)主線、知識體系和培養(yǎng)模式進(jìn)行重新布局和優(yōu)化，對核心課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)性重新組編，力求做到理論和實踐相結(jié)合，知識目標(biāo)和能力目標(biāo)相統(tǒng)一，使該系列教材能和研討式、探究式教學(xué)方法和手段相適應(yīng)。 本系列教材涉及范圍包括自動控制原理、控制工程、檢測和傳感、網(wǎng)絡(luò)通信、信號和信息處理、建模與仿真、計算機控制、自動化綜合實驗等方面，所有成果都是在傳承老一輩教育家智慧的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前的社會需求，經(jīng)過長期的教學(xué)實踐積累形成的。大部分教材和其前身在我國自動化及相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)中都具有較大的影響，例如《過程控制工程》的前身是過程控制的經(jīng)典教材之一、王驥程先生編寫的《化工過程控制工程》。已出版的教材，既有國家“九五”重點教材，也有國家“十五”、“十一五”規(guī)劃教材，多數(shù)教材或其前身曾獲得過國家級教學(xué)成果獎或省部級優(yōu)秀教材獎。 本系列教材主要面向自動化（含化工、電氣、機械、能源工程及自動化等）、計算機科學(xué)和技術(shù)、航空航天工程等學(xué)科和專業(yè)有關(guān)的高年級本科生和研究生，以及工作于相應(yīng)領(lǐng)域和部門的科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員。我希望，這套教材既能為在校本科生和研究生的知識拓展提供學(xué)習(xí)參考，也能為廣大科技工作者的知識更新提供指導(dǎo)幫助。 本系列教材的出版得到了很多國內(nèi)知名學(xué)者和專家的悉心指導(dǎo)和幫助，在此我代表系列教材的作者向他們表示誠摯的謝意。同時要感謝使用本系列教材的廣大教師、學(xué)生和科技工作者的熱情支持，并熱忱歡迎提出批評和意見。 2011年6月

內(nèi)容概要

　　過程控制工程為自動控制學(xué)科的重要組成部分，是自動化專業(yè)學(xué)生的必修課程之一。本書是在原國家規(guī)劃教材《化工過程控制工程》和《過程控制工程》（第二版）的基礎(chǔ)上重新編寫的。全書共分１２章，第１章為過程控制概論；第２～６章講述常規(guī)控制技術(shù)，內(nèi)容包括過程動態(tài)建模，ＰＩＤ單回路控制，前饋與比值控制，串級、均勻、選擇與分程控制等；第７、８章為先進(jìn)控制技術(shù)，內(nèi)容包括關(guān)聯(lián)分析與解耦設(shè)計、基于模型的模型方法等;第９～１２章為常用過程操作單元的控制方案，內(nèi)容包括傳熱設(shè)備控制、精餾塔控制、化學(xué)反應(yīng)過程控制及間歇過程控制概論。本書可作為自動化及相關(guān)專業(yè)高年級本科生或研究生的教材，也可供煉油、石油化工、化工、冶金、電力、輕工、環(huán)保等領(lǐng)域從事工業(yè)過程控制工程的技術(shù)人員參考。

書籍目錄

1過程控制概論
1.1控制系統(tǒng)的組成與目標(biāo)
1.1.1控制系統(tǒng)的由來
1.1.2控制系統(tǒng)的組成
1.1.3過程控制的術(shù)語與目標(biāo)
1.2控制儀表與控制裝置
1.2.1單元組合控制儀表
1.2.2計算機控制裝置
1.3過程控制策略
1.3.1反饋控制
1.3.2前饋控制
1.4反饋控制系統(tǒng)的分類
1.5過程控制的任務(wù)和要求
思考題與習(xí)題
2過程動態(tài)特性
2.1典型工業(yè)過程的動態(tài)特性
2.1.1自衡過程
2.1.2非自衡過程
2.2機理建模方法
2.2.1機理建模的步驟
2.2.2常用的方程
2.2.3機理建模舉例
2.3測量變送環(huán)節(jié)
2.3.1關(guān)于測量誤差
2.3.2測量信號的處理
2.4控制閥
2.4.1控制閥概述
2.4.2流量特性和閥門增益
2.4.3流量特性的選擇
2.5廣義對象及經(jīng)驗建模方法
2.5.1廣義對象的概念
2.5.2經(jīng)驗建模的步驟
2.5.3廣義對象的測試法建模
思考題與習(xí)題
3反饋控制
3.1控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)
3.1.1以階躍響應(yīng)曲線的特征參數(shù)作為性能指標(biāo)
3.1.2偏差積分性能指標(biāo)
3.2三種常規(guī)的反饋控制模式
3.2.1比例控制
3.2.2比例積分控制
3.2.3比例積分微分控制
3.3PID控制器的選取與整定
3.3.1控制器的選型
3.3.2PID參數(shù)整定
3.3.3PID參數(shù)自整定
3.4單回路反饋控制系統(tǒng)的投運
思考題與習(xí)題
4前饋控制和比值控制
4.1前饋控制系統(tǒng)
4.1.1前饋控制的基本原理
4.1.2前饋控制系統(tǒng)的特點
4.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式
4.2.1靜態(tài)前饋
4.2.2動態(tài)前饋
4.2.3前饋反饋控制
4.2.4多變量前饋控制
4.2.5用計算機實施前饋控制
4.3比值控制系統(tǒng)
4.3.1定比值控制
4.3.2變比值控制
4.3.3比值控制的實施
4.3.4比值控制系統(tǒng)的設(shè)計與投運
4.3.5比值控制系統(tǒng)中的若干問題
思考題與習(xí)題
5其他典型控制系統(tǒng)
5.1串級控制系統(tǒng)
5.1.1串級控制的概念及方框圖描述
5.1.2串級控制系統(tǒng)分析
5.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計
5.1.4串級控制系統(tǒng)舉例
5.2均勻控制
5.2.1均勻控制的由來
5.2.2均勻控制的實現(xiàn)
5.2.3均勻控制的控制器參數(shù)整定
5.3選擇性控制系統(tǒng)
5.3.1用于設(shè)備軟保護的選擇性控制
5.3.2其他選擇性控制系統(tǒng)
5.4分程控制系統(tǒng)和閥位控制系統(tǒng)
5.4.1分程控制系統(tǒng)
5.4.2閥位控制系統(tǒng)
5.5非線性過程增益補償
5.5.1非線性過程的特點
5.5.2非線性增益補償方法
5.5.3pH中和過程控制
思考題與習(xí)題5
6計算機控制系統(tǒng)
6.1計算機控制系統(tǒng)概述
6.2信號采集與處理
6.2.1信號采集與變換
6.2.2信號處理與數(shù)據(jù)濾波
6.3數(shù)字PID控制算法
6.3.1數(shù)字PID控制算式
6.3.2數(shù)字PID改進(jìn)算式
6.3.3數(shù)字PID控制的實現(xiàn)
6.4數(shù)字控制系統(tǒng)舉例
6.4.1DCS（Distributed Control System）概念
6.4.2JX.300X系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
6.4.3JX.300X系統(tǒng)軟件
思考題與習(xí)題6
7多回路控制系統(tǒng)分析與設(shè)計
7.1相對增益
7.1.1相對增益的概念
7.1.2相對增益矩陣的計算
7.2耦合系統(tǒng)的變量配對與控制參數(shù)整定
7.2.1耦合系統(tǒng)的變量配對
7.2.2耦合多回路系統(tǒng)的控制參數(shù)整定
7.3多回路系統(tǒng)的解耦設(shè)計
7.3.1基于方塊圖的線性解耦器
7.3.2基于過程機理的非線性解耦器
思考題與習(xí)題7
8基于模型的控制方法
8.1史密斯預(yù)估控制
8.1.1史密斯補償原理
8.1.2史密斯預(yù)估器的幾種改進(jìn)方案
8.2內(nèi)?？刂?br />8.2.1內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
8.2.2內(nèi)模控制器的設(shè)計方法
8.2.3改進(jìn)型內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)
8.3模型預(yù)測控制
8.3.1模型預(yù)測控制的基本原理
8.3.2SISO無約束動態(tài)矩陣控制
8.3.3MIMO受約束動態(tài)矩陣控制
8.3.4預(yù)測控制軟件包簡介
8.4應(yīng)用示范
8.4.1Wood.Berry塔的預(yù)測控制仿真
8.4.2工業(yè)應(yīng)用實例
思考題與習(xí)題8
9間歇過程控制
9.1間歇生產(chǎn)過程及控制
9.1.1概述
9.1.2間歇生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)
9.2順序邏輯控制
9.3間歇生產(chǎn)過程中的控制
9.3.1間歇生產(chǎn)過程的特殊控制方法
9.3.2間歇反應(yīng)器的控制
9.4批次對批次（Run.to.Run）控制
9.4.1概述
9.4.2指數(shù)加權(quán)移動平均控制算法
9.4.3應(yīng)用示例
9.5間歇生產(chǎn)過程管理
9.5.1處方（Recipe）和配方的管理
9.5.2間歇生產(chǎn)過程計劃與調(diào)度
思考題與習(xí)題9
10傳熱設(shè)備的控制
10.1傳熱設(shè)備的靜態(tài)與動態(tài)特性
10.1.1熱量傳遞的三種方式
10.1.2換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型
10.1.3換熱設(shè)備的靜態(tài)特性
10.1.4換熱設(shè)備的動態(tài)特性
10.2換熱設(shè)備的控制
10.2.1換熱器的控制
10.2.2蒸汽加熱器的控制
10.2.3冷凝冷卻器的控制
10.3加熱爐的控制
10.3.1加熱爐的單回路控制方案
10.3.2加熱爐的串級控制方案
10.4鍋爐設(shè)備的控制
10.4.1汽包水位的控制
10.4.2燃燒系統(tǒng)的控制
10.4.3蒸汽過熱系統(tǒng)的控制
思考題與習(xí)題10
11精餾塔的控制
11.1精餾塔的控制目標(biāo)
11.1.1質(zhì)量指標(biāo)
11.1.2產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗
11.2精餾塔的靜態(tài)特性和動態(tài)特性
11.2.1精餾塔的靜態(tài)特性
11.2.2精餾塔的動態(tài)模型
11.3精餾塔質(zhì)量指標(biāo)的選取
11.3.1靈敏板的溫度控制
11.3.2溫差控制
11.3.3雙溫差控制
11.4精餾塔的常用控制方案
11.4.1物料平衡控制
11.4.2精餾段質(zhì)量指標(biāo)控制
11.4.3提餾段質(zhì)量指標(biāo)控制
11.4.4兩端質(zhì)量指標(biāo)控制
11.5精餾塔的先進(jìn)控制方案
11.5.1內(nèi)回流控制
11.5.2產(chǎn)品質(zhì)量的軟測量與推斷控制
11.5.3精餾塔的節(jié)能控制
思考題與習(xí)題11
12化學(xué)反應(yīng)過程控制
12.1化學(xué)反應(yīng)過程概述
12.1.1化學(xué)反應(yīng)器的類型
12.1.2化學(xué)反應(yīng)的基本規(guī)律
12.2化學(xué)反應(yīng)器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型
12.2.1基本動態(tài)方程式
12.2.2反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性
12.3反應(yīng)器的基本控制方案
12.3.1概述
12.3.2反應(yīng)器的溫度控制
12.3.3外圍條件的穩(wěn)定控制
12.4典型反應(yīng)器的控制方案設(shè)計
12.4.1聚合反應(yīng)釜的控制
12.4.2合成氨過程的控制
思考題與習(xí)題12
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   控制閥直接與介質(zhì)接觸，當(dāng)在高壓、高溫、深冷、強腐蝕、高黏度、易結(jié)晶、閃蒸、氣蝕等各種惡劣條件下工作時，控制閥選擇的重要性就顯得更為突出。不論是簡單控制系統(tǒng)，還是復(fù)雜控制系統(tǒng)，控制閥都是控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分。經(jīng)驗表明，控制系統(tǒng)中每個環(huán)節(jié)的好壞，都對系統(tǒng)質(zhì)量有直接影響，但使控制系統(tǒng)不能正常運行的原因，多數(shù)發(fā)生在控制閥上。所以對控制閥這個環(huán)節(jié)必須高度重視。在設(shè)計時，必須根據(jù)應(yīng)用場合的實際情況，選擇好閥的類型——包括執(zhí)行機構(gòu)和閥體結(jié)構(gòu)類型。從保證控制質(zhì)量的角度，除了選擇閥的類型外，還需要選擇好閥口徑、氣開氣關(guān)特性以及流量特性。 （1）閥口徑選擇 控制閥口徑必須很好地選擇，在正常工況下，閥門開度處于15％～85％之間。口徑選擇過小，當(dāng)經(jīng)受較大擾動時，閥門很可能運行到全開時的非線性飽和工作狀態(tài)，使系統(tǒng)處于暫時失控情況；口徑選擇過大，閥門經(jīng)常處于小開度，這時流體對閥芯、閥座的沖蝕會很嚴(yán)重。而且在小開度時，閥芯由于受不平衡力的作用，容易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，這就更加重了閥芯和閥座的損壞，甚至造成控制閥失靈。 控制閥口徑的選擇是用流通能力C值的正確計算來確定的。C值的定義為：閥前后壓差為0.1MPa，介質(zhì)密度為1g／cm3時，每小時通過閥門的流體質(zhì)量流量t／h。由于流過閥的介質(zhì)不同，可能為液體、氣體、蒸汽等，計算的公式都不一樣。具體計算公式，讀者可參考有關(guān)設(shè)計資料。

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