过程装备控制技术及应用 pdf下载

出版社化学工业出版社

出版年 2018-10

页数 390页

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内容简介

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产品特色

内容简介

本教材从过程装备自动控制技术的应用角度，主要介绍过程装备控制系统的基本概念，基本组成、原理及应用；常见过程参数如压力、温度、流量、液位、物质成分等的测量方法原理及所用仪器、仪表的结构；常用过程控制仪表的结构原理；以及计算机控制系统的构成原理和可编程控制器技术；典型过程装备控制系统应用实例；最后简要介绍了几种先进的过程控制技术。
本教材可供过程装备与控制工程专业本科和研究生使用，也可供有关院校石油、化工、能源、环境工程、安全工程等专业学生使用，也可供从事过程装备与控制行业的工程技术人员参考。

作者简介

张早校，西安交通大学化工学院过程装备与控制工程系，院总支书记兼系主任，教授，博导
2004年12月~现在西安交通大学过程装备与控制工程系科研团队责任教授、博士生导师、系主任；
2003年8月~2004年8月，澳大利亚昆士兰大学化工系做访问教授1年。
2001年6月在西安交通大学化工机械系聘为教授。
2000年12月~2001年3月，日本JICA培训

自1988年至现在，一直在西安交通大学过程装备系（原化机系）从事过程装备与控制工程学科的教学、学科建设和管理工作，与国内外本学科领域学术界与工程界有比较广泛的交流和联系。一直从事化工过程设备与机械、化工过程节能优化及控制等方面的教学与科研工作。已完成国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、中国石化科技攻关项目等纵横向科研项目20余项；正在主持的科研项目有国家自然科学基金、中国石化科技攻关项目、企业委托项目等。在国内外重要学术期刊发表学术论文50余篇（SCI、EI收录多篇）；获国家实用新型专利和发明专利各2项；获省、部、校级科技奖共6项。

1控制系统的基本概念1
1.1概述1
1.1.1生产过程自动化系统所包含的内容1
1.1.2过程装备控制的任务和要求2
1.2控制系统的组成2
1.2.1过程装备控制的基本概念2
1.2.2系统组成3
1.3控制系统的方框图4
1.4控制系统的分类6
1.4.1按给定值的变化规律划分6
1.4.2按系统输出信号对操纵变量影响的方式划分6
1.4.3按系统的复杂程度划分7
1.4.4按系统克服干扰的方法划分8
1.4.5按控制作用的形式划分8
1.4.6按控制系统的特性划分9
1.5控制系统的过渡过程及其性能指标9
1.5.1控制系统的过渡过程9
1.5.2控制系统的性能指标10
1.5.3自动控制系统性能的基本要求12
思考题与习题13

2过程控制系统设计基础15
2.1数学模型15
2.1.1微分方程15
2.1.2传递函数16
2.1.3方框图的简化18
2.2被控对象的动态特性23
2.2.1被控对象的数学描述23
2.2.2被控对象的特性参数26
2.2.3对象特性的实验测定28
2.3控制器的动态特性33
2.3.1控制器的基本控制规律33
2.3.2控制规律的选取41
2.4单回路控制系统42
2.4.1单回路控制系统的设计42
2.4.2控制器参数的工程整定46
思考题与习题49

3复杂控制系统52
3.1串级控制系统52
3.1.1基本原理52
3.1.2主要特点及其应用场合55
3.1.3控制器参数工程整定56
3.2前馈控制系统57
3.2.1基本原理57
3.2.2主要结构形式59
3.2.3参数整定62
3.3比值控制系统63
3.3.1定比值控制系统64
3.3.2变比值控制系统65
3.3.3比值控制系统的实施66
3.3.4比值控制系统的参数整定68
3.4选择性控制系统69
3.4.1基本原理69
3.4.2选择性控制的类型70
3.4.3选择性控制中选择器性质的确定71
3.4.4积分饱和防止措施71
3.5均匀控制系统71
3.5.1基本原理及特点71
3.5.2均匀控制的类型72
3.5.3控制器的参数整定73
3.6分程控制系统73
思考题与习题75

4过程检测技术77
4.1测量与误差的基本知识77
4.1.1测量的基本概念77
4.1.2误差的基本概念79
4.1.3仪器仪表的主要性能指标83
4.2传感器概述86
4.2.1传感器基本概念及组成87
4.2.2传感器分类88
4.2.3传感器特性及标定89
4.2.4新型传感器介绍90
4.2.5传感器选用94
4.2.6传感器发展动向95
4.3压力测量96
4.3.1概述96
4.3.2液柱式压力计97
4.3.3弹性式压力计100
4.3.4压阻式压力计101
4.3.5压电式压力计103
4.3.6压力计的选用104
4.4温度测量105
4.4.1概论105
4.4.2热膨胀式温度计106
4.4.3热电偶测温仪表107
4.4.4热电阻测温仪表111
4.4.5测温仪表的选用114
4.5流量测量114
4.5.1概述114
4.5.2压差式流量计114
4.5.3转子式流量计118
4.5.4涡街流量计119
4.5.5电磁式流量计120
4.5.6热式气体质量流量计121
4.5.7流量测量仪表的选用123
4.6液位测量123
4.6.1概述123
4.6.2浮力式液位计123
4.6.3静压式液位计125
4.6.4电容式液位计127
4.6.5光纤液位计128
4.6.6液位计的选用129
4.7物质成分分析130
4.7.1红外线气体分析仪130
4.7.2氧化锆氧气分析仪133
4.7.3工业电导仪135
4.7.4气相色谱仪139
4.8过程检测技术的新进展142
4.8.1智能传感器142
4.8.2软测量技术143
4.8.3多传感器信息融合144
4.8.4虚拟仪器145
4.8.5过程监测系统应用实例147
思考题与习题148

5过程控制装置151
5.1变送器151
5.1.1差压变送器152
5.1.2防爆安全栅163
5.1.3温度变送器167
5.1.4标准仪表的信号标准以及与电源连接的方式171
5.1.5典型系统的变送器选择172
5.2控制器172
5.2.1控制器控制规律的实现方法173
5.2.2PID控制器的硬件结构176
5.2.3典型系统的控制器选择187
5.3执行器188
5.3.1气动执行器188
5.3.2电动执行器199
5.3.3电-气转换器及电-气阀门定位器201
5.3.4典型系统执行器的选择203
思考题与习题204

6计算机控制系统206
6.1概述206
6.2计算机控制系统的组成及分类207
6.2.1计算机控制系统的组成207
6.2.2计算机控制系统的分类209
6.3A/D与D/A转换器213
6.3.1A/D转换器213
6.3.2A/D选择原则214
6.3.3D/A转换器215
6.3.4D/A选择原则216
6.3.5A/D、D/A接口板介绍217
6.4计算机测试系统218
6.4.1计算机在测试技术中的作用218
6.4.2计算机测试系统的基本结构218
6.4.3数据采集220
6.4.4计算机测试系统的设计222
6.5直接数字控制系统223
6.5.1DDC系统概述223
6.5.2DDC的基本算法226
6.5.3改进的PID算法230
6.5.4DDC的PID算法中参数的整定234
6.5.5采样周期的选择235
6.6可编程序控制器及其应用*236
6.6.1概述236
6.6.2可编程序控制器的基本组成与工作原理237
6.6.3可编程序控制器的编程指令239
6.6.4可编程序控制器的应用举例241
6.7集散控制系统与现场总线控制系统243
6.7.1集散控制系统243
6.7.2现场总线控制系统248
6.7.3工业系统计算机控制新技术252
6.8计算机控制系统的设计与实现254
6.8.1计算机控制系统的设计原则254
6.8.2计算机控制系统设计的一般步骤255
6.8.3计算机控制系统设计实例256
6.9提高计算机控制系统可靠性的措施261
6.9.1提高元器件的可靠性261
6.9.2冗余技术261
6.9.3采取抗干扰措施262
思考题与习题265

7典型过程控制系统应用方案267
7.1热交换器温度反馈——静态前馈控制系统267
7.1.1生产过程对系统设计的要求267
7.1.2系统组成267
7.1.3仪表静态参数的设置268
7.2单回路控制系统的应用269
7.2.1生产工艺简况270
7.2.2系统设计270
7.3流体输送设备的控制272
7.3.1概述272
7.3.2泵及压缩机的典型控制方案273
7.4反应器的控制*277
7.4.1化学反应的特点与基本规律277
7.4.2化学反应器的控制要求和手段279
7.4.3反应器温度被控变量的选择280
7.4.4以温度作为控制指标的控制方案282
7.5精馏塔的控制284
7.5.1概述284
7.5.2精馏塔的基本关系285
7.5.3精馏塔的控制要求及干扰因素285
7.5.4被控变量的选择286
7.5.5精馏塔的控制287
7.6计算机数字控制的典型实例——炉温控制系统的计算机控制288
7.6.1控制方案设计288
7.6.2硬件线路289
7.6.3控制算法的确定290
7.6.4程序流程框图291
7.6.5控制系统的调试291
思考题与习题293

8先进过程控制系统简介294
8.1概述294
8.2自适应控制系统294
8.2.1基本概念294
8.2.2自适应控制系统的基本类型295
8.3推断控制系统295
8.4预测控制系统296
8.5模糊控制系统298
8.6人工神经网络控制系统300
8.6.1人工神经网络的数学模型300
8.6.2人工神经网络拓扑结构及学习算法301
8.6.3常用神经网络简介302
8.6.4人工神经网络与自动控制304

附录1拉普拉斯变换对照表307

附录2常用标准热电阻分度表309
F2.1Pt100型铂热电阻分度表309
F2.2Cu50型热电阻分度表310

附录3常用标准热电偶分度表311
F3.1铂铑10-铂热电偶分度表（S型）311
F3.2铂铑13-铂热电偶分度表（R型）312
F3.3铂铑30-铂铑6热电偶分度表（B型）313
F3.4铜-铜镍（康铜）热电偶分度表（T型）314
F3.5镍铬-铜镍（康铜）热电偶分度表（E型）315

附录4常用管道仪表流程图设计符号316

附录5课外项目设计参考题目319

参考文献320

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前言/序言

前言
当前，随着“中国制造2025”战略的实施和“互联网+”的飞速发展，对过程装备与控制工程专业人才培养提出了新的、更高的要求。本专业围绕“过程”→“装备”→“控制”的核心内涵进行教材建设，显得尤为重要。《过程装备控制技术及应用》作为专业核心课程教材，在普及过程装备控制基础知识方面担当了重要角色。
在本教材第1版、第2版使用的基础上，第3版主要做了以下内容修订：首先将章节做了调整，把复杂控制系统单独扩展成章放到了第3章。在内容方面，加强了过程装备控制基础知识的介绍，进一步强调了反馈控制的基本概念，在数学模型部分增加了方框图及简化要点，以及控制理论常用的传递函数的基础知识。对过程装备控制的任务、要求和设计步骤作了明确阐述。全书增加了大量例题和习题，以加深对课程知识要点的理解。在附录部分，增加了拉普拉斯变换表，常用热电阻、热电偶分度表，常用管道仪表流程图设计符号和课外项目设计参考题目。
本教材是按照64学时计划编写的。考虑到不同学校对本课程学时的设置要求不一，在使用本教材时可以根据需要选择部分章节讲授学习。
参加第3版修订工作的有张早校、王毅、余云松、侯雄坡、吴震、马登龙、何阳、冯鹏辉、程彦铭、唐凯、王磊、冀丰偲、董会晶、樊琛、王笛和李宇声。
在本教材的修订过程中，于2016年12月在西安交通大学化工学院召开了《过程装备控制技术及应用》的修订及人才培养研讨会。来自全国19所高校40余名资深专家及一线教师代表对教材的修订提出了大量宝贵的意见和建议，对于本教材的修订大有裨益。过程装备与控制工程专业教学指导分委员会以及多所学校的教师、学生对本教材的修订也提出了很多建设性意见，在此一并表示衷心感谢。
由于时间仓促，书中难免有不妥之处，恳请各位专家和读者及时批评指正。

编者
2018年5月

第一版前言
根据“化工设备与机械”本科专业调整更名为“过程装备与控制工程”专业的精神，为适应新专业人才培养目标的需要，全国高等学校化工类及相关专业教学指导委员会化工装备教学指导组多次召开会议，决定编写“过程装备与控制工程”专业的核心课教材。《过程装备控制技术及应用》确定为新编写的核心课教材之一。
新的专业要求学生掌握原专业的基本内容的同时，还能够掌握控制工程方面的知识。《过程装备控制技术及应用》课程的设置，充分体现了本科专业的一个重大特色，可以使本专业的学生能够将过程机械、计算机自动测试、控制、自动化等方面的知识有机地结合在一起，培养学生成为掌握多学科知识与技能的复合型人才。
本书的编写尚属首次，难度主要表现在如何使机械类专业的学生，在不增加更多的基础知识的情况下，比较好地掌握过程控制方面的内容。本书的内容涉及过程控制的基本理论、计算机自动测控技术、化工过程控制技术及典型应用等，最后介绍一些先进的控制系统。
本书尽可能做到重点突出、内容新颖、难易合适、切合实际。参考学时数64学时。
全书共分7章：第1章介绍过程控制系统的基本概念，内容包括系统的组成、结构、分类及其过渡过程和性能指标。第2章介绍过程控制的基础理论知识，内容包括被控对象特性、简单控制系统和复杂控制系统。第3章介绍过程设备的测试技术，内容包括过程测量的基本概念和误差基本知识；压力、温度、流量、液位、物质成分等参数的测量原理、方法及应用：新型传感器的介绍以及计算机辅助测试系统。第4章介绍过程控制装置，内容包括变送器、调节器和执行器三大部分。第5章介绍计算机控制系统，内容包括计算机控制系统的组成及分类，Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换器，直接数字控制系统，计算机控制系统的设计与实现以及提高计算机控制系统可靠性的措施。第6章介绍典型过程控制系统应用方案，内容包括单回路控制、流体输送设备的控制、计算机数字控制以及典型实例。第7章介绍先进过程控制系统简介，内容包括自适应控制、推理控制、预测控制、模糊控制和人工神经网络控制。
本书内容丰富，涉及面广。在各章中选编了一些实例，并附有习题与思考题，有利于对过程控制基础理论学习较少的读者掌握与应用。
参加该书编写的有西安交通大学王毅教授(第3章、第5章第3节、第7章)，张早校教授(第4～6章)，四川大学胡涛副教授(第1章、第2章、第6章第5节)。
全书由王毅、张早校修改、统稿，负责全书的整理。
本书由王毅主编，施仁主审，丁信伟审定。
在编写过程中，何玉樵、王小丽老师给予大力支持，曹银强、陈春刚、胡海军、侯雄坡等做了大量工作，同时教学指导委员会的各位委员提出了宝贵的意见，在此特表谢意。
限于作者的水平，加之时间仓促，书中难免出现不妥之处，敬请读者予以批评指正。

编者
2001.3

第二版前言
本教材为过程装备与控制工程专业核心课程教材之一。
本教材第一版获得了陕西省优秀教材一等奖，第二版为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。
本版在修订的过程中，在内容上适当增加了过程控制方面的基本内容，对检测方面的有关基础知识的介绍适当减少，尽可能的体现教材的系统性和先进性。为便于广大读者的阅读，在各章里增加了相关的例题，同时对部分内容进行了必要的整合。如在第1、第2章除详细描述过程控制基本概念外，增加了与内容相关的例题；第3章的第1、第2节合并为一节，增加了过程检测技术的新进展，调整了部分内容；第4章的内容作了适当的增减；第5章在结构上进行了较大的调整，同时增加了DCS和FCS的内容；第6章增加了应用实例。
参加本书修订工作的有西安交通大学的王毅、张早校、侯雄坡、杨斌、张属馨和杨丽杰。
在本教材修订的过程中，得到了浙江大学曾胜、石油大学王娟、西北大学余力军、湘潭大学闭业宾、浙江工业大学邓鸿英老师的大力帮助，并提出宝贵意见，在此表示深切谢意。同时对过程装备与控制工程专业教学指导分委员会以及多位热心读者、教师和学生的大力支持，编者对此表示衷心感谢。
由于时间仓促，书中难免有不妥之处，恳请各位专家和读者批评指正。

编者
2007年5月