過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言

截至2009年底，為了滿足國內(nèi)行業(yè)對“寬口徑”人才培養(yǎng)的迫切需要，全國已經(jīng)有一百多所院校設(shè)置了“過程裝備與控制工程”專業(yè)，以服務(wù)過程工業(yè)為宗旨，圍繞過程裝備與控制技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)開展教育教學(xué)工作。新的形勢對該專業(yè)教學(xué)教材建設(shè)也提出了更新更高的要求。隨著對本學(xué)科發(fā)展規(guī)律的深入了解，以及教學(xué)改革的不斷深入開展，許多過程裝備與控制工程專業(yè)在基礎(chǔ)課階段給學(xué)生開設(shè)了自動(dòng)控制原理的課程。但是，如何將理論與應(yīng)用緊密聯(lián)系起來，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，以適應(yīng)控制技術(shù)及應(yīng)用飛速發(fā)展的形勢，需要在掌握基本理論的基礎(chǔ)上，增加學(xué)生對過程裝備控制技術(shù)的軟硬件知識(shí)的理解和掌握?；诖?，立足于加強(qiáng)學(xué)生的能力培養(yǎng)、拓展知識(shí)面、了解新技術(shù)發(fā)展趨勢，編者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)編寫了《過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計(jì)》這本教材。本教材的章節(jié)共劃分為七章。每章按照以下模塊進(jìn)行了材料組織編寫：（1）教學(xué)目標(biāo)，簡單介紹了各章要通過教學(xué)讓學(xué)生掌握的要點(diǎn)。（2）教學(xué)要求，列出了各章主要知識(shí)點(diǎn)所占權(quán)重百分?jǐn)?shù)，供教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)參考。（3）引例，類似于前言的方式為該章內(nèi)容做一引子。（4）正文部分，系統(tǒng)介紹相關(guān)知識(shí)。（5）應(yīng)用案例，在正文穿插部分應(yīng)用案例加深對知識(shí)的理解。（6）特別提示，對知識(shí)難點(diǎn)做特別提示，在學(xué)習(xí)中引起重視。（7）知識(shí)鏈接，作為課外知識(shí)延伸提供給讀者，為有興趣的同學(xué)提供更多的參考。（8）小結(jié)，對各章內(nèi)容做一簡單小結(jié)。（9）復(fù)習(xí)思考題，這一部分給出了練習(xí)題，供讀者加強(qiáng)練習(xí)，以加深對相應(yīng)章節(jié)知識(shí)的掌握。

內(nèi)容概要

本書比較系統(tǒng)地介紹了過程控制裝置及其設(shè)計(jì)的基本概念及步驟，主要內(nèi)容包括過程自動(dòng)控制的基本概念，過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟，被控對象的動(dòng)態(tài)特性的捕述和建模以及各種動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)測定，常規(guī)過程控制裝置包括典型變送器、控制器和執(zhí)行器的工作原理，單回路控制系統(tǒng)及其參數(shù)的整定方法，常用的以前饋、串級(jí)、比值、均勻、選擇性控制系統(tǒng)為主的復(fù)雜控制系統(tǒng)原理，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成。同時(shí)，介紹了現(xiàn)場總線系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)以及智能無線儀表與網(wǎng)絡(luò)以及軟測量等新知識(shí)點(diǎn)，還對自動(dòng)控制系統(tǒng)的一些典型應(yīng)用做了詳細(xì)介紹。    本書既可供高等學(xué)校過程裝備與控制丁程專業(yè)的專業(yè)課教學(xué)使用，也可以作為該專業(yè)在教改中進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的參考書，還可以為能源系統(tǒng)及自動(dòng)化、化學(xué)工程、環(huán)境工程等相關(guān)專業(yè)提供參考。

書籍目錄

第1章  基本概念  1.1  過程自動(dòng)化的主要內(nèi)容  1.2  自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成  1.3  自動(dòng)控制系統(tǒng)的框圖    1.3.1  框圖的組成和繪制    1.3.2  環(huán)節(jié)的基本連接形式    1.3.3  閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖  1.4  自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類    1.4.1  按給定值變化規(guī)律分類    1.4.2  按控制作用的形式分類    1.4.3  按系統(tǒng)的特性分類    1.4.4  按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化分類    1.4.5  按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類    1.4.6  按控制系統(tǒng)閉環(huán)回路的數(shù)目分類    1.4.7  按被控變量數(shù)目分類  1.5  自動(dòng)控制系統(tǒng)過渡過程及其品質(zhì)指標(biāo)    1.5.1  自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程    1.5.2  過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)    1.5.3  對自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能基本要求  1.6  過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的基本內(nèi)容    1.6.1  過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟    1.6.2  被控變量與輸入變量的選擇    1.6.3  控制方案的確定    1.6.4  硬件設(shè)備的選擇    1.6.5  控制器的設(shè)定  1.7  過程控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例  小結(jié)  復(fù)習(xí)思考題第2章  被控對象動(dòng)態(tài)特性及實(shí)驗(yàn)測定  2.1  被控對象動(dòng)態(tài)特性    2.1.1  一階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與基本參數(shù)    2.1.2  二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與基本參數(shù)    2.1.3  高階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性  2.2  被控對象的數(shù)學(xué)描述    2.2.1  微分方程描述    2.2.2  傳遞函數(shù)描述    2.2.3  零極點(diǎn)增益描述    2.2.4  部分分式描述    2.2.5  狀態(tài)方程描述  2.3  數(shù)學(xué)描述的轉(zhuǎn)換  2.4  建立數(shù)學(xué)模型的方法    2.4.1  建立數(shù)學(xué)模型概述    2.4.2  機(jī)理演繹法    2.4.3  系統(tǒng)辨識(shí)法    2.4.4  混合建模法  2.5  單容液位對象的動(dòng)態(tài)特性和數(shù)學(xué)描述    2.5.1  有自衡能力的對象    2.5.2  無自衡能力對象  2.6  多容對象的特性、純滯后與容量滯后    2.6.1  雙容對象的特性    2.6.2  雙容對象的有自衡響應(yīng)    2.6.3  雙容對象的無自衡響應(yīng)    2.6.4  雙容對象的干擾特性    2.6.5  純滯后    2.6.6  容量滯后  2.7  被控對象特性的實(shí)驗(yàn)測定    2.7.1  實(shí)驗(yàn)測定方法概述    2.7.2  實(shí)驗(yàn)測定的時(shí)域法    2.7.3  實(shí)驗(yàn)測定的頻域法    2.7.4  實(shí)驗(yàn)測定的最小二乘法  小結(jié)  復(fù)習(xí)思考題第3章  過程控制裝置  3.1  概述  3.2  變送器    3.2.1  變送器概述    3.2.2  常用變送器及其E作原理  3.3  控制器    3.3.1  控制器的控制規(guī)律    3.3.2  控制器的運(yùn)算電路  3.4  執(zhí)行器和防爆柵    3.4.1  執(zhí)行器    3.4.2  防爆柵  小結(jié)  復(fù)習(xí)思考題第4章  單回路控制系統(tǒng)及其控制器參數(shù)整定  4.1  單回路控制系統(tǒng)的組成及分析方法  4.2  被控變量的選擇  4.3  控制變量的選擇    4.3.1  控制變量和干擾    4.3.2  過程靜態(tài)特十牛的分析    4.3.3  過程動(dòng)態(tài)特性的分析    4.3.4  選擇控制參數(shù)的一股原則  4.4  控制器控制規(guī)律的選擇原則    4.4.1  控制器控制規(guī)律的選擇    4.4.2  控制器正反作用的選取  4.5  單回路控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的工程整定    4.5.1  臨界比例度法    4.5.2  衰減曲線法    4.5.3  響應(yīng)曲線法    4.5.4  經(jīng)驗(yàn)試湊法    4.6  控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題  小結(jié)  復(fù)習(xí)思考題第5章  復(fù)雜控制系統(tǒng)  5.1  前饋控制系統(tǒng)    5.1.1  前饋控制原理    5.1.2  前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)    5.1.3  前饋控制的主要結(jié)構(gòu)形式    5.1.4  前饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定  5.2  串級(jí)控制系統(tǒng)    5.2.1  串級(jí)控制的基本原理    5.2.2  串級(jí)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)及其應(yīng)用場合    5.2.3  副回路的確定    5.2.4  控制器正、反作用的選擇    5.2.5  串級(jí)控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)的工程整定  5.3  比值控制系統(tǒng)    5.3.1  比值摔制的基本概念    5.3.2  比值控制系統(tǒng)的類型    5.3.3  比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施方案    5.3.4  比值控制系統(tǒng)的整定  5.4  均勻控制系統(tǒng)    5.4.1  均勻控制系統(tǒng)的組成    5.4.2  控制器的控制規(guī)律的選擇    5.4.3  控制器的整定  5.5  選擇性控制系統(tǒng)    5.5.1  選擇性擰制系統(tǒng)的原理    5.5.2  選擇性控制系統(tǒng)的類型及應(yīng)用    5.5.3  控制器的選擇    5.5.4  積分飽和及其防止措施  小結(jié)  復(fù)習(xí)思考題第6章  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)  6.1  概述  6.2  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理、組成及分類    6.2.1  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件紺成    6.2.2  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件組成    6.2.3  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類  6.3  直接數(shù)字控制系統(tǒng)    6.3.1  基本構(gòu)成    6.3.2  DDC中的PID算式    6.3.3  口丁編程控制器  6.4  集散控制系統(tǒng)    6.4.1  概述    6.4.2  主要特點(diǎn)    6.4.3  基木構(gòu)成    6.4.4  典型DCS簡介  6.5  現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)    6.5.1  概述    6.5.2  現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)    6.5.3  幾種典型的現(xiàn)場總線    6.5.4  現(xiàn)場總線系統(tǒng)的基礎(chǔ)和目標(biāo)    6.5.5發(fā)展巾的現(xiàn)場總線系統(tǒng)    6.5.6  一般的現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)  6.6  a 業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)    6.6.1  工業(yè)以太網(wǎng)概況    6.6.2  Ethernet應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù)    6.6.3  工業(yè)以人網(wǎng)協(xié)議    6.6.4  工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢    6.6.5  工業(yè)以太網(wǎng)在控制領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀  6.7  無線現(xiàn)場儀表與網(wǎng)絡(luò)  小結(jié)  復(fù)習(xí)思考題第7章  自動(dòng)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用  7.1  石油加工蒸餾裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)    7.1.1  常壓爐溫度先進(jìn)控制    7.1.2  蒸餾裝置中現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)  7.2  熱交換器控制系統(tǒng)    7.2.1  靜態(tài)前饋控制    7.2.2  反饋-前饋控制系統(tǒng)    7.2.3  前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)  7.3  流體輸送設(shè)備的自動(dòng)控制    7.3.1  冷卻水循環(huán)系統(tǒng)    7.3.2  壓縮機(jī)輸出壓力控制系統(tǒng)  7.4  化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制  7.5  其他典型過程工業(yè)應(yīng)用實(shí)例    7.5.1  DCS在電廠中的實(shí)現(xiàn)    7.5.2  爐溫控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制  7.6  軟測量技術(shù)及其應(yīng)用    7.6.1  軟測量技術(shù)的四個(gè)組成    7.6.2  軟測量建模方法    7.6.3  軟測量在過程優(yōu)化中的應(yīng)用    7.6.4  軟測量在加氫裂化分餾塔航煤干點(diǎn)測量中的應(yīng)用    7.6.5  軟測量在吸收法捕集二氧化碳過程離子濃度監(jiān)測中的應(yīng)用  小結(jié)  復(fù)習(xí)思考題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：系統(tǒng)辨識(shí)法是以黑箱模型為研究對象，在輸入不同信號(hào)時(shí)，研究對象的輸出響應(yīng)信號(hào)與輸入激勵(lì)信號(hào)之間的關(guān)系，從而建立研究對象的數(shù)學(xué)模型。該方法的特性之一是對于復(fù)雜對象更為有效。系統(tǒng)辨識(shí)過程中通常采用實(shí)驗(yàn)法實(shí)現(xiàn)建模過程。實(shí)驗(yàn)法可分為加專門信號(hào)與不加專門信號(hào)兩種。加專門信號(hào)的方法就是在實(shí)驗(yàn)過程中改變研究的輸入量，對其輸出量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理就可以求得數(shù)學(xué)模型。不加專門信號(hào)實(shí)驗(yàn)法則利用系統(tǒng)在正常操作時(shí)所記錄的信號(hào)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來求得系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。由于不加專門信號(hào)精度較差，只能定性地反映系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，一般采用加專門信號(hào)的實(shí)驗(yàn)法。專門信號(hào)通常可分為時(shí)間域信號(hào)，如階躍信號(hào)、脈沖信號(hào)等和頻域信號(hào)，如正弦波、梯形波等以及隨機(jī)信號(hào)，如白噪聲、偽隨機(jī)信號(hào)等幾種。1.階躍干擾法當(dāng)對象處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，施加一個(gè)階躍信號(hào)到輸入端，記錄輸出端的變化曲線。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，階躍信號(hào)容易獲得。比如，當(dāng)輸入量是流量時(shí)，只要將閥門開度突然變化一定幅值并保持不變即可，而不需要另外的信號(hào)發(fā)生器。2.矩形脈沖法一般情況下，簡單的階躍干擾法可以滿足動(dòng)態(tài)特性測定的要求。但是，當(dāng)過程長時(shí)間處于較大干擾信號(hào)作用下時(shí)，該方法就不合適，因?yàn)楸豢刈兞康淖兓悼赡艹鰧?shí)際生產(chǎn)所允許的范圍，不能保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。這時(shí)可用矩形脈沖法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在某個(gè)時(shí)刻施加一個(gè)階躍干擾之后，在下一時(shí)刻再施加一個(gè)幅值相同但方向相反的階躍干擾即將矩形脈沖信號(hào)作為過程的輸入信號(hào)。與階躍干擾法相比，干擾時(shí)間較短，幅值較大，可以獲得高的實(shí)驗(yàn)精度。

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