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過程控制系統(第四版) 版權信息
- ISBN：9787030725967
- 條形碼：9787030725967 ; 978-7-03-072596-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
過程控制系統(第四版) 內容簡介
本書以過程控制系統組成和結構為線索，介紹了過程控制的基本概念，過程控制常用儀表的原理和工程選用，過程對象及建模方法，過程執行器的原理和選擇，過程控制器的設計和整定及優選過程控制策略，串級過程控制系統，各種復雜過程控制系統的控制方案與工程設計，計算機過程控制系統的原理、組成與應用，過程優化技術等。本書除過程控制的基礎知識外，還介紹了基于計算機及優選控制理論等在內的過程控制新技術，如現場總線技術、組態軟件以及控制與管理信息集成技術等。
過程控制系統(第四版) 目錄
目錄
第1章 過程控制系統概述 1
1.1 過程控制系統組成及特點 1
1.1.1 過程控制認識 1
1.1.2 過程控制系統組成 2
1.1.3 過程控制的特點 4
1.2 過程控制系統分類及性能指標 4
1.2.1 過程控制系統的分類 4
1.2.2 過程控制的性能指標 6
1.3 過程控制技術的發展 9
1.3.1 過程控制儀表的發展 9
1.3.2 計算機在過程控制中的應用及發展 10
1.3.3 過程控制理論的發展 11
1.3.4 我國過程控制技術的發展 12
1.4 本課程的地位和任務 12
1.4.1 本課程的地位 12
1.4.2 本課程的任務 13
1.4.3 過程控制的設計 13
習題與思考題 13
第2章 過程檢測儀表 15
2.1 檢測儀表組成及接線方式 15
2.1.1 檢測儀表組成 15
2.1.2 過程檢測儀表的接方式 16
2.2 測量誤差及處理 17
2.2.1 測量誤差的基本概念 17
2.2.2 測量變送中的幾個問題 19
2.2.3 測量信號的處理 19
2.3 安全防爆基礎 20
2.3.1 危險場所劃分 20
2.3.2 防爆安全柵 21
2.4 溫度檢測 22
2.4.1 接觸式與非接觸式測溫 22
2.4.2 熱電偶 23
2.4.3 熱電阻 25
2.4.4 集成式溫度傳感器 27
2.4.5 接觸式測溫元件的選型與安裝 27
2.5 壓力檢測 28
2.5.1 彈性式壓力檢測 30
2.5.2 應變片式壓力檢測 31
2.5.3 壓阻式壓力檢測 32
2.5.4 壓力表的選擇與安裝 32
2.6 流量檢測 33
2.6.1 容積式流量計 34
2.6.2 節流式流量計 35
2.6.3 浮子式流量計 37
2.6.4 渦輪流量計 38
2.6.5 漩渦（渦街）流量計 39
2.6.6 電磁流量計 39
2.6.7 超聲波流量計 40
2.6.8 質量流量計 41
2.6.9 多相流體的流量測量 42
2.7 物位測量 42
2.7.1 浮力式液位測量 42
2.7.2 靜壓式液位測量 43
2.7.3 電容式物位測量 44
2.7.4 超聲波式物位測量 44
2.7.5 雷達式物位測量 45
2.7.6 核輻射式物位計 46
2.7.7 光纖式液位測量 46
2.7.8 多相界面的測量 47
2.8 成分測量 47
2.8.1 熱導式氣體成分測量 48
2.8.2 紅外式氣體成分測量 49
2.8.3 氧化鋯氧量成分測量 49
2.8.4 氣相色譜成分測量 50
2.8.5 工業電導儀 51
2.8.6 工業酸度計 52
2.8.7 濁度的檢測 53
2.9 過程控制中的軟測量技術 53
2.9.1 軟測量技術 53
2.9.2 軟測量方法 55
2.9.3 基于人工神經網絡的軟測量 57
2.10 性質檢測 58
2.10.1 近紅外光譜檢測技術 58
2.10.2 拉曼光譜檢測技術 59
2.10.3 核磁共振檢測技術 60
2.10.4 近紅外光譜檢測案例 60
習題與思考題 61
第3章 過程執行器 64
3.1 調節閥 64
3.1.1 電動執行機構 65
3.1.2 氣動執行機構 66
3.1.3 調節閥的流通能力 67
3.1.4 調節閥的流量特性 68
3.1.5 調節閥的選擇 74
3.2 變頻器 77
3.2.1 變頻器原理 77
3.2.2 變頻器在過程控制中的應用 78
習題與思考題 80
第4章 被控過程 81
4.1 被控過程特性 81
4.1.1 自衡過程與非自衡過程 81
4.1.2 單容和多容過程 82
4.1.3 振蕩和非振蕩過程 83
4.1.4 具有反向特性的過程 83
4.2 過程特性對控制品質的影響 84
4.2.1 增益（放大系數）K的影響 84
4.2.2 時間常數T的影響 85
4.2.3 時滯τ的影響 86
4.3 被控過程數學模型 86
4.3.1 建立過程數學模型的目的 87
4.3.2 過程數學模型的求取方法 87
4.3.3 過程被控變量的選擇 88
4.3.4 過程輸入變量的選擇 89
4.3.5 數學模型的無因次化 89
4.4 過程建模 90
4.4.1 機理建模 90
4.4.2 時域法建模 92
4.4.3 頻域法建模 96
4.4.4 *小二乘法建模 97
習題與思考題 100
第5章 常規過程控制策略 102
5.1 開關控制 102
5.1.1 可編程序邏輯控制器簡介 102
5.1.2 PLC在過程控制中的應用 105
5.2 PID控制 108
5.2.1 模擬式PID調節器 109
5.2.2 數字式PID調節器 110
5.2.3 改進的PID算法 111
5.3 PID參數的整定 113
5.3.1 參數整定原則 113
5.3.2 參數整定方法 114
5.4 PID調節器控制規律的選擇 116
5.4.1 根據過程特性選擇調節器控制規律 116
5.4.2 根據τo/To比值選擇調節器控制規律 116
5.4.3 控制器正/反作用選擇 116
5.5 過程控制系統的投運與維護 117
習題與思考題 118
第6章 先進過程控制策略 120
6.1 內模控制 120
6.1.1 理想內模控制器 121
6.1.2 實際內模控制器 121
6.2 模型預測控制 124
6.2.1 模型預測控制的特點 124
6.2.2 模型算法控制 125
6.2.3 動態矩陣控制 127
6.3 模糊控制 131
6.3.1 模糊邏輯基礎 132
6.3.2 模糊控制系統 135
6.3.3 模糊控制器設計 137
6.4 神經網絡控制 140
6.4.1 神經網絡概念 140
6.4.2 神經網絡控制設計 143
6.5 專家控制 146
6.5.1 專家系統概述 146
6.5.2 專家控制系統 147
6.5.3 專家控制器 150
習題與思考題 151
第7章 串級控制系統 153
7.1 串級控制系統結構 153
7.1.1 串級控制問題的提出 153
7.1.2 串級控制系統設計 155
7.2 串級控制系統分析 156
7.2.1 減小被控對象的等效時間常數 156
7.2.2 提高系統工作頻率 158
7.2.3 對負載變化具有一定的自適應能力 159
7.3 串級控制系統設計 159
7.3.1 設計原則 159
7.3.2 主、副控制器選擇 163
7.3.3 串級控制系統的整定 165
7.4 串級控制系統設計舉例 166
習題與思考題 168
第8章 復雜過程控制系統 170
8.1 前饋控制系統 170
8.1.1 前饋控制的原理和特點 170
8.1.2 前饋控制系統的結構形式 172
8.1.3 前饋控制的應用 173
8.2 時間滯后控制系統 177
8.2.1 史密斯預估補償方案 177
8.2.2 采樣控制方案 178
8.3 解耦控制系統 180
8.3.1 多變量系統中的耦合與解耦 180
8.3.2 相對增益 181
8.3.3 耦合系統的解耦設計方法 187
8.3.4 解耦系統的簡化 190
8.4 比值控制系統 191
8.4.1 單閉環比值控制 191
8.4.2 雙閉環比值控制 191
8.4.3 變比值控制 192
8.5 均勻控制系統 194
8.6 超弛控制系統 196
8.7 分程控制系統 197
8.8 閥位控制系統 200
習題與思考題 201
第9章 計算機過程控制系統 204
9.1 計算機過程控制系統的特點和構成 204
9.1.1 計算機過程控制系統的特點 204
9.1.2 計算機過程控制系統的發展趨勢 205
9.1.3 計算機過程控制系統的構成 206
9.2 計算機過程控制系統的應用形式 206
9.2.1 巡回檢測與數據處理 206
9.2.2 直接數字控制系統 207
9.2.3 監督控制系統 207
9.2.4 集散控制系統 208
9.3 集散控制系統 208
9.3.1 DCS的體系結構 208
9.3.2 DCS的基本組成 209
9.3.3 典型DCS簡介 213
9.4 基于PLC的監督控制與數據采集系統 216
9.4.1 PLC-SCADA系統和DCS的比較 217
9.4.2 組態軟件 218
9.4.3 基于Web的遠程監控 219
9.5 現場總線技術 222
9.5.1 現場總線及其特點 222
9.5.2 現場總線通信模型 223
9.5.3 常見現場總線簡介 224
9.5.4 現場總線控制系統 226
9.6 計算機信息集成技術 227
9.6.1 計算機信息集成概述 228
9.6.2 實時數據庫與關系數據庫的集成 230
9.6.3 企業信息集成系統 234
習題與思考題 235
第10章 過程優化技術及應用 236
10.1 過程優化概述 236
10.1.1 過程優化基本概念 236
10.1.2 過程優化的結構 237
10.2 過程實時優化問題 239
10.2.1 實時優化問題的分類 239
10.2.2 過程實時優化問題描述 240
10.3 優化算法 242
10.3.1 線性規劃算法 242
10.3.2 二次規劃算法 243
10.4 實時優化應用案例 246
習題與思考題 247
第11章 工業過程故障檢測 249
11.1 工業過程故障檢測方法 249
11.1.1 定性分析方法 249
11.1.2 定量分析方法 250
11.2 基于主元分析的故障檢測 251
11.2.1 主元分析原理 252
11.2.2 基于主元分析的故障檢測方法 252
11.2.3 過程故障檢測案例 253
11.3 基于動態主元分析的故障檢測 257
11.3.1 動態主元分析原理 257
11.3.2 過程故障檢測案例 258
11.4 工業過程故障檢測方法發展趨勢 259
習題與思考題 260
參考文獻 261
附錄A 過程控制SAMA圖 263
附錄B 過程控制儀表位號 265
附錄C 過程控制部分專業術語中英文對照表 268
第1章 過程控制系統概述 1
1.1 過程控制系統組成及特點 1
1.1.1 過程控制認識 1
1.1.2 過程控制系統組成 2
1.1.3 過程控制的特點 4
1.2 過程控制系統分類及性能指標 4
1.2.1 過程控制系統的分類 4
1.2.2 過程控制的性能指標 6
1.3 過程控制技術的發展 9
1.3.1 過程控制儀表的發展 9
1.3.2 計算機在過程控制中的應用及發展 10
1.3.3 過程控制理論的發展 11
1.3.4 我國過程控制技術的發展 12
1.4 本課程的地位和任務 12
1.4.1 本課程的地位 12
1.4.2 本課程的任務 13
1.4.3 過程控制的設計 13
習題與思考題 13
第2章 過程檢測儀表 15
2.1 檢測儀表組成及接線方式 15
2.1.1 檢測儀表組成 15
2.1.2 過程檢測儀表的接方式 16
2.2 測量誤差及處理 17
2.2.1 測量誤差的基本概念 17
2.2.2 測量變送中的幾個問題 19
2.2.3 測量信號的處理 19
2.3 安全防爆基礎 20
2.3.1 危險場所劃分 20
2.3.2 防爆安全柵 21
2.4 溫度檢測 22
2.4.1 接觸式與非接觸式測溫 22
2.4.2 熱電偶 23
2.4.3 熱電阻 25
2.4.4 集成式溫度傳感器 27
2.4.5 接觸式測溫元件的選型與安裝 27
2.5 壓力檢測 28
2.5.1 彈性式壓力檢測 30
2.5.2 應變片式壓力檢測 31
2.5.3 壓阻式壓力檢測 32
2.5.4 壓力表的選擇與安裝 32
2.6 流量檢測 33
2.6.1 容積式流量計 34
2.6.2 節流式流量計 35
2.6.3 浮子式流量計 37
2.6.4 渦輪流量計 38
2.6.5 漩渦（渦街）流量計 39
2.6.6 電磁流量計 39
2.6.7 超聲波流量計 40
2.6.8 質量流量計 41
2.6.9 多相流體的流量測量 42
2.7 物位測量 42
2.7.1 浮力式液位測量 42
2.7.2 靜壓式液位測量 43
2.7.3 電容式物位測量 44
2.7.4 超聲波式物位測量 44
2.7.5 雷達式物位測量 45
2.7.6 核輻射式物位計 46
2.7.7 光纖式液位測量 46
2.7.8 多相界面的測量 47
2.8 成分測量 47
2.8.1 熱導式氣體成分測量 48
2.8.2 紅外式氣體成分測量 49
2.8.3 氧化鋯氧量成分測量 49
2.8.4 氣相色譜成分測量 50
2.8.5 工業電導儀 51
2.8.6 工業酸度計 52
2.8.7 濁度的檢測 53
2.9 過程控制中的軟測量技術 53
2.9.1 軟測量技術 53
2.9.2 軟測量方法 55
2.9.3 基于人工神經網絡的軟測量 57
2.10 性質檢測 58
2.10.1 近紅外光譜檢測技術 58
2.10.2 拉曼光譜檢測技術 59
2.10.3 核磁共振檢測技術 60
2.10.4 近紅外光譜檢測案例 60
習題與思考題 61
第3章 過程執行器 64
3.1 調節閥 64
3.1.1 電動執行機構 65
3.1.2 氣動執行機構 66
3.1.3 調節閥的流通能力 67
3.1.4 調節閥的流量特性 68
3.1.5 調節閥的選擇 74
3.2 變頻器 77
3.2.1 變頻器原理 77
3.2.2 變頻器在過程控制中的應用 78
習題與思考題 80
第4章 被控過程 81
4.1 被控過程特性 81
4.1.1 自衡過程與非自衡過程 81
4.1.2 單容和多容過程 82
4.1.3 振蕩和非振蕩過程 83
4.1.4 具有反向特性的過程 83
4.2 過程特性對控制品質的影響 84
4.2.1 增益（放大系數）K的影響 84
4.2.2 時間常數T的影響 85
4.2.3 時滯τ的影響 86
4.3 被控過程數學模型 86
4.3.1 建立過程數學模型的目的 87
4.3.2 過程數學模型的求取方法 87
4.3.3 過程被控變量的選擇 88
4.3.4 過程輸入變量的選擇 89
4.3.5 數學模型的無因次化 89
4.4 過程建模 90
4.4.1 機理建模 90
4.4.2 時域法建模 92
4.4.3 頻域法建模 96
4.4.4 *小二乘法建模 97
習題與思考題 100
第5章 常規過程控制策略 102
5.1 開關控制 102
5.1.1 可編程序邏輯控制器簡介 102
5.1.2 PLC在過程控制中的應用 105
5.2 PID控制 108
5.2.1 模擬式PID調節器 109
5.2.2 數字式PID調節器 110
5.2.3 改進的PID算法 111
5.3 PID參數的整定 113
5.3.1 參數整定原則 113
5.3.2 參數整定方法 114
5.4 PID調節器控制規律的選擇 116
5.4.1 根據過程特性選擇調節器控制規律 116
5.4.2 根據τo/To比值選擇調節器控制規律 116
5.4.3 控制器正/反作用選擇 116
5.5 過程控制系統的投運與維護 117
習題與思考題 118
第6章 先進過程控制策略 120
6.1 內模控制 120
6.1.1 理想內模控制器 121
6.1.2 實際內模控制器 121
6.2 模型預測控制 124
6.2.1 模型預測控制的特點 124
6.2.2 模型算法控制 125
6.2.3 動態矩陣控制 127
6.3 模糊控制 131
6.3.1 模糊邏輯基礎 132
6.3.2 模糊控制系統 135
6.3.3 模糊控制器設計 137
6.4 神經網絡控制 140
6.4.1 神經網絡概念 140
6.4.2 神經網絡控制設計 143
6.5 專家控制 146
6.5.1 專家系統概述 146
6.5.2 專家控制系統 147
6.5.3 專家控制器 150
習題與思考題 151
第7章 串級控制系統 153
7.1 串級控制系統結構 153
7.1.1 串級控制問題的提出 153
7.1.2 串級控制系統設計 155
7.2 串級控制系統分析 156
7.2.1 減小被控對象的等效時間常數 156
7.2.2 提高系統工作頻率 158
7.2.3 對負載變化具有一定的自適應能力 159
7.3 串級控制系統設計 159
7.3.1 設計原則 159
7.3.2 主、副控制器選擇 163
7.3.3 串級控制系統的整定 165
7.4 串級控制系統設計舉例 166
習題與思考題 168
第8章 復雜過程控制系統 170
8.1 前饋控制系統 170
8.1.1 前饋控制的原理和特點 170
8.1.2 前饋控制系統的結構形式 172
8.1.3 前饋控制的應用 173
8.2 時間滯后控制系統 177
8.2.1 史密斯預估補償方案 177
8.2.2 采樣控制方案 178
8.3 解耦控制系統 180
8.3.1 多變量系統中的耦合與解耦 180
8.3.2 相對增益 181
8.3.3 耦合系統的解耦設計方法 187
8.3.4 解耦系統的簡化 190
8.4 比值控制系統 191
8.4.1 單閉環比值控制 191
8.4.2 雙閉環比值控制 191
8.4.3 變比值控制 192
8.5 均勻控制系統 194
8.6 超弛控制系統 196
8.7 分程控制系統 197
8.8 閥位控制系統 200
習題與思考題 201
第9章 計算機過程控制系統 204
9.1 計算機過程控制系統的特點和構成 204
9.1.1 計算機過程控制系統的特點 204
9.1.2 計算機過程控制系統的發展趨勢 205
9.1.3 計算機過程控制系統的構成 206
9.2 計算機過程控制系統的應用形式 206
9.2.1 巡回檢測與數據處理 206
9.2.2 直接數字控制系統 207
9.2.3 監督控制系統 207
9.2.4 集散控制系統 208
9.3 集散控制系統 208
9.3.1 DCS的體系結構 208
9.3.2 DCS的基本組成 209
9.3.3 典型DCS簡介 213
9.4 基于PLC的監督控制與數據采集系統 216
9.4.1 PLC-SCADA系統和DCS的比較 217
9.4.2 組態軟件 218
9.4.3 基于Web的遠程監控 219
9.5 現場總線技術 222
9.5.1 現場總線及其特點 222
9.5.2 現場總線通信模型 223
9.5.3 常見現場總線簡介 224
9.5.4 現場總線控制系統 226
9.6 計算機信息集成技術 227
9.6.1 計算機信息集成概述 228
9.6.2 實時數據庫與關系數據庫的集成 230
9.6.3 企業信息集成系統 234
習題與思考題 235
第10章 過程優化技術及應用 236
10.1 過程優化概述 236
10.1.1 過程優化基本概念 236
10.1.2 過程優化的結構 237
10.2 過程實時優化問題 239
10.2.1 實時優化問題的分類 239
10.2.2 過程實時優化問題描述 240
10.3 優化算法 242
10.3.1 線性規劃算法 242
10.3.2 二次規劃算法 243
10.4 實時優化應用案例 246
習題與思考題 247
第11章 工業過程故障檢測 249
11.1 工業過程故障檢測方法 249
11.1.1 定性分析方法 249
11.1.2 定量分析方法 250
11.2 基于主元分析的故障檢測 251
11.2.1 主元分析原理 252
11.2.2 基于主元分析的故障檢測方法 252
11.2.3 過程故障檢測案例 253
11.3 基于動態主元分析的故障檢測 257
11.3.1 動態主元分析原理 257
11.3.2 過程故障檢測案例 258
11.4 工業過程故障檢測方法發展趨勢 259
習題與思考題 260
參考文獻 261
附錄A 過程控制SAMA圖 263
附錄B 過程控制儀表位號 265
附錄C 過程控制部分專業術語中英文對照表 268
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過程控制系統(第四版) 節選
第1章 過程控制系統概述 教學要求 本章概要介紹過程控制系統的基本概念，重點介紹過程控制系統的組成、特點和分類。學完本章后，應達到如下要求： 掌握過程控制的定義，弄清過程控制的目的； 掌握過程控制系統的組成和特點； 掌握過程控制系統的分類以及相互之間的區別； 掌握過程控制的階躍響應指標，理解偏差積分性能指標； 了解過程控制的發展歷程和發展方向； 了解本課程的地位和性質。 1.1 過程控制系統組成及特點 1.1.1 過程控制認識 過程控制是指根據工業生產過程的特點，采用測量儀表、執行機構和計算機等自動化工具，應用控制理論，設計工業生產過程控制系統，實現工業生產過程自動化。 通常把原材料轉變成產品并具有一定生產規模的過程稱為工業生產過程，它可分為連續（或批處理）生產過程（如化工、石油、冶金、發電、造紙、生物化工、輕工、水處理、制藥等）和離散制造過程（如機械加工、汽車制造等）。 本書討論的工業生產過程主要是指連續生產過程，這些生產過程中自動控制系統的被控參數往往是溫度、壓力、流量、物位和成分等變量。 下面通過一個具體例子來認識一下過程控制。 例1.1過程控制認識。 圖1.1（a）所示是礦石經給礦機下礦后，由皮帶送往磨機的工業生產過程，它是冶金行業選礦生產中的一個生產環節。在生產過程中，要求控制礦石流量以保證產量穩定。過去由人工控制給礦機的頻率來調節礦石流量，產量波動較大。 圖1.1冶金行業選礦過程 礦石流量控制系統 （a）示意圖（b）方框圖 為穩定礦量，在給礦機皮帶上安裝皮帶秤，礦量控制器根據設定的礦量（礦量給定）和皮帶秤的檢測信號自動調節給礦機的頻率，保證產量穩定。該控制系統示意圖如圖1.1（a）所示，根據自動控制原理知識，該控制系統方框圖如圖1.1（b）所示。 這是一個以流量為被控參數的工業生產過程控制系統。通過給礦過程的自動控制，可以穩定產量，并為后續工藝質量的控制提供基礎，而且該過程控制還可以減輕人工操作強度，改善勞動條件等。 過程控制由來已久，早在20世紀中葉，工業生產過程中就開始陸續引入過程控制。特別是近年來，隨著計算機技術、網絡通信技術以及先進控制理論的發展，過程控制已經深入到工業生產過程的各個層面。 過程控制*根本的目的在于抑制外界擾動的影響，確保生產過程的穩定性，并實現生產過程工況的*優化。隨著過程控制的不斷發展，過程控制在工業生產過程中的作用越來越大。具體來說，通過過程控制可以達到保證質量、提高產量、節能降耗、實現安全運行、改善勞動條件、保護環境衛生和提高管理水平等多種目的和要求。 可見，過程控制是保證現代化工業企業安全、優質、低耗和高效生產的主要技術手段。實現過程控制不僅可以給企業帶來優質、高效、節能等直接的經濟效益，還可以為企業和社會帶來間接的社會效益。 1.1.2 過程控制系統組成 由圖1.1可知，過程控制系統一般由控制器、執行器、被控過程和測量變送等環節組成，其一般性框圖如圖1.2所示。 圖1.2過程控制系統的一般性框圖 圖1.2也反映了自動控制的本質——反饋。基于反饋構成的閉環控制是過程控制的核心內容。在過程控制中，圖1.2所示的系統也稱為單回路控制系統。在本書后面章節中，將先介紹該系統的各個組成環節，并在此基礎上介紹多種其他復雜控制系統。 圖1.2中，有以下幾個名詞術語： 1）被控參數（變量）y（t）：被控過程內要求保持設定數值的工藝參數。 2）控制（操縱）參數（變量）q（t）：受控制器操縱，用以克服擾動量的影響，使被控參數保持設定值的物料量或能量。 3）擾動量f（t）：除控制參數外，作用于被控過程并引起被控參數變化的各種因素。 4）給定值r（t）：被控參數的設定值，一般用SP表示。 5）當前值z（t）：被控參數經測量變送環節實際測量的值，一般用PV表示。 6）偏差e（t）：被控參數的設定值與當前實際值之差。 7）控制作用u（t）：控制器的輸出量。 過程控制系統中，有時將控制器、執行器和測量變送環節統稱為過程儀表。這樣，過程控制系統就由過程儀表和被控過程兩部分組成。 例1.2 過程控制系統框圖。 在石油化工生產過程中，常常利用液態丙烯汽化來吸收裂解氣體熱量，使裂解氣體的溫度下降到規定數值。圖1.3是一個簡化的丙烯冷卻器溫度控制系統，被冷卻的物料是乙烯裂解氣，其溫度要求控制在15±1.5℃。若溫度太高，冷卻后的氣體會含過多的水分；若溫度太低，乙烯裂解氣會產生結晶析出，堵塞管道。現請指出系統中被控過程、被控參數和控制參數，并畫出該控制系統的方框圖。圖中TT、TC是過程控制中的儀表位號，分別代表溫度檢測和溫度控制，參見附錄A。 圖1.3 丙烯冷卻器溫度控制系統示意圖 解由上述工藝介紹可知，在丙烯冷卻器溫度控制系統中，被控過程為丙烯冷卻器；被控參數為乙烯裂解氣的出口溫度；控制參數為氣態丙烯的流量。 該系統方框圖如圖1.4所示。 圖1.4 丙烯冷卻器溫度控制系統方框圖 需要注意的是，與示意圖不同，方框圖中箭頭的指向并不代表物料的實際流向。例如在本例示意圖中，氣態丙烯的流向是由丙烯冷卻器流出的。而在方框圖中，氣態丙烯作為控制參數，其信號的流向是指向丙烯冷卻器的。 例1.3 過程控制系統組成。 例1.1中的被控過程是指給礦皮帶；測量變送是皮帶秤；執行機構是變頻器和給礦機。作為控制器，礦量控制器一般是由電子元件組成的數字調節器，或可編程序控制器（PLC）、工業計算機（IPC）等。 1.1.3過程控制的特點 同其他自動控制系統相比，過程控制具有如下明顯特點。 （1）被控過程形形色色 由于生產規模大小不同，工藝要求各異，產品多種多樣，過程控制中被控過程的形式很多，如化學反應器、精餾塔、鍋爐、壓力容器，以及像例1.1中的給礦設備和例1.2中的丙烯冷卻器等。 （2）控制過程多屬緩慢過程和參量控制形式 許多工業生產過程設備體積大，工藝反應過程緩慢，具有大慣性大滯后等特點。通常是用一些物理量和化學量來表征其生產過程是否正常，因此需要對表征生產過程的溫度、壓力、流量、物位、成分等過程參量進行控制，即過程控制多半為參量控制。 （3）控制方案多種多樣 由于被控過程的多樣性、復雜性，且控制要求各異，使得控制方案多種多樣，除*常見的單回路和串級控制外，還有前饋、比值、均勻、分程、超弛、閥位等多種過程控制系統。 在這些控制系統中，單回路控制占總數的一半以上，串級控制約占20%。所以本書前幾章均以單回路控制為主線介紹，串級控制作為一章詳細介紹，其他控制系統將在第8章集中闡述。 （4）定值控制是過程控制的一種主要控制形式 在大部分工業生產中，控制的目的在于克服外界擾動對被控過程的影響，使生產指標或工藝參數保持在設定值不變，或只允許小范圍內波動。如例1.2中，乙烯裂解氣的溫度要求定值在15℃，只允許在±1.5℃范圍內變化。 1.2 過程控制系統分類及性能指標 1.2.1 過程控制系統的分類 按系統結構和系統給定值的不同，過程控制系統有如下不同的分類方法。 1.按系統結構特點分 （1）反饋控制系統 如前所述，反饋是過程控制的核心內容，只有通過反饋才能實現對被控參數的閉環控制，所以這類系統是過程控制中使用*為普遍的。 反饋控制是根據系統被控參數與給定值的偏差進行工作的，偏差是控制的依據，*后目的是減小或消除偏差。反饋信號也可能有多個，從而可以構成串級等多回路控制系統。 例1.4 閉環與開環控制系統。 圖1.5（a）所示為一列管式換熱器。工藝要求出口物料溫度保持恒定。經分析，如果保持物料入口流量和蒸汽流量基本恒定，則溫度的波動將會減小到工藝允許的誤差范圍內。現分別設計了物料入口流量和蒸汽流量兩個控制系統，以保持出口物料溫度恒定。相應的控制系統方框圖如圖1.5（b）所示。 圖1.5列管式換熱器出口物料溫度控制系統 （a）示意圖（b）方框圖 從方框圖可以看出，對于物料入口流量和蒸汽流量而言，系統均為閉環控制系統。而對于出口物料溫度，并未經過測量變送環節反饋到系統輸入端，沒有形成閉環系統。故從“出料溫度”這個被控參數角度來說，該控制系統為開環控制系統。 開環控制系統不能自動地“察覺”被控參數的變化情況，也不能判斷控制參數的校正作用是否適合實際需要。 （2）前饋控制系統 前饋控制系統是根據擾動量的大小進行工作的，擾動是控制的依據，屬于開環控制。前饋控制系統方框圖如圖1.6所示。鑒于前饋控制的種種局限性，所以在實際生產中不能單獨采用。關于前饋控制的內容詳見8.1節。 圖1.6 前饋控制系統方框圖 （3）前饋-反饋復合控制系統 為了充分發揮前饋和反饋的各自優勢，可將兩者結合起來，構成前饋-反饋復合控制系統，如圖1.7所示。這樣可提高控制系統的動態和靜態特性。關于前饋-反饋復合控制系統的內容見8.1節。 圖1.7 前饋-反饋復合控制系統方框圖 2.按給定值信號特點分 （1）定值控制系統 定值控制系統是工業生產過程中應用*多的一種過程控制系統。在運行時，系統被控參數（如溫度、壓力、流量、物位、成分等）的給定值是固定不變的，有時只允許在規定的小范圍內變化。 （2）隨動控制系統 一般意義上的隨動控制系統是指位置隨動系統，如火炮、導彈的位置跟蹤等。而在過程控制中，隨動控制系統是指被控參數的給定值隨時間任意變化的控制系統，它的主要作用是克服一切擾動，使被控參數隨時跟隨給定值。例如，在鍋爐燃燒控制系統中，要求空氣量隨燃料量的變化而變化，以保證燃燒的經濟性。此外，像第7章介紹的串級控制系統中的副回路也屬于隨動控制。 1.2.2 過程控制的性能指標 過程控制系統的性能是由組成系統的結構、被控過程與過程儀表（測量變送、執行器和控制器）各環節特性共同決定的。一個性能良好的過程控制系統，在受到外來擾動作用或給定值發生變化后，應能平穩、準確、迅速地回復（或趨近）到給定值上。過程控制系統性能的評價指標可概括如下： 1）系統必須是穩定的。 2）系統應能提供盡可能好的穩態調節（靜態指標）。
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