计算机过程控制系统

计算机过程控制系统是自动化专业必修的专业课程。本书根据该课程特点，介绍了计算机过程控制系统各组成部分的工作原理，在此基础上又分别介绍了简单回路系统和复杂控制系统的设计与分析方法。具体内容包括计算机过程控制系统组成和发展概况；检测技术及常用的仪表和信号接口标准；执行器，主要是调节阀的工作原理和流量特性；被控过程的机理建模与动态特性；PID控制器特点；简单回路设计及控制器参数整定；前馈、比值、大滞后、串级、多输入多输出系统的设计及控制器参数整定的方法。通过学习，读者可以系统地掌握过程控制系统的基本组成、原理、分析与综合的理论和方法，针对各种生产过程设计出相应的过程控制方案，并能解决系统设备选型、控制器设计、参数整定等具体问题，为解决自动化专业领域的复杂工程问题打下坚实的基础。本书取材新颖、阐述严谨、内容丰富、重点突出、推导详细、思路清晰、深入浅出、富有启发性，便于教学与自学。本书既可作为高等学校理工科本科生和研究生计算机过程控制、仪表与过程控制课程的教材或参考书，也可作为科技人员的参考手册。

李向舜，博士，毕业于华中科技大学控制科学与工程专业，现任武汉理工大学自动化学院副院长，工业过程智能控制实验室主任。参与建设艾默生联合实验室。

第1章 绪论 1
1．1 过程控制系统应用举例 1
1．2 过程控制系统组成 3
1．2．1 控制系统 3
1．2．2 过程 5
1．2．3 控制 6
1．2．4 过程控制系统 6
1．2．5 计算机过程控制系统 7
1．3 过程控制系统的性能指标 11
1．3．1 过程控制系统的一般性要求 11
1．3．2 系统响应 12
1．3．3 系统单项性能指标 12
1．3．4 系统积分性能指标 14
1．4 过程控制系统的发展概况 14
1．4．1 机械控制系统 14
1．4．2 气动控制系统 17
1．4．3 电子控制系统 18
1．4．4 现代计算机控制系统 19
1．5 过程和仪表图 20
习题1 21
第2章 检测技术 23
2．1 检测仪表概述 23
2．1．1 检测仪表的技术性能指标 23
2．1．2 变送器输出信号标准 25
2．2 温度测量 27
2．2．1 温度测量简史 27
2．2．2 填充式温度计 27
2．2．3 金属电阻 28
2．2．4 热电偶 29
2．2．5 电阻温度检测器（RTD） 31
2．2．6 热敏电阻 32
2．2．7 集成温度传感器 33
2．2．8 辐射式高温计 33
2．2．9 智能温度变送器及其应用 33
2．3 压力测量 34
2．3．1 压力的定义 35
2．3．2 表面压力和绝对压力 35
2．3．3 差压计 35
2．3．4 机械式压力表 36
2．3．5 电位计式压力表 36
2．3．6 压力变送器的应用 37
2．3．7 智能压力变送器 38
2．4 物位测量 38
2．4．1 视觉式液位计 39
2．4．2 压力式液位计 39
2．4．3 电气式液位计 40
2．4．4 超声式液位计 41
2．4．5 辐射式液位计 41
2．4．6 雷达式液位计 42
2．4．7 智能液位变送器 42
2．5 流量测量 43
2．5．1 流量的定义 43
2．5．2 流速、流量和压差的关系 43
2．5．3 雷诺系数 44
2．5．4 流量测量原理 44
2．5．5 差压式流量计 45
2．5．6 速度式流量计 46
2．5．7 容积式流量计 48
2．5．8 质量式流量计 49
2．5．9 质量流量计 49
习题2 50
第3章 计算机输入/输出接口技术 51
3．1 工业控制计算机 51
3．1．1 工控机 51
3．1．2 PLC 52
3．1．3 嵌入式系统 52
3．1．4 智能调节器 53
3．2 计算机输入/输出通道 53
3．2．1 数字量输入/输出通道 53
3．2．2 模拟量输入通道 58
3．2．3 采样定理与信号重构 59
3．2．4 采样保持 62
3．2．5　A/D转换与接口技术 65
3．2．6　模拟量输出通道 72
3．3　工业控制网络 77
习题3 79
第4章 执行器 81
4．1 调节阀 81
4．1．1 气动调节阀的组成 81
4．1．2 调节阀的流量特性 87
4．1．3 闪蒸、气蚀、阻塞流 92
4．1．4 调节阀的气开式和气关式 93
4．2 其他阀 94
4．2．1 电动阀 94
4．2．2 电磁阀 95
4．2．3 安全阀 95
4．2．4 减压阀、止回阀、手动球阀 95
4．3 步进电动机 96
4．3．1 步进电动机的工作原理与驱动方式 96
4．3．2 数字程序控制 101
4．3．3 逐点比较法 102
习题4 107
第5章 过程 110
5．1 机理建模 110
5．1．1 质量守恒方程 112
5．1．2 能量守恒方程 113
5．1．3 物种（成分）守恒方程 114
5．1．4 动量守恒方程 115
5．2 增量法线性化 116
5．3 过程动态特性 120
5．3．1 一阶过程 120
5．3．2 二阶过程 122
5．3．3 滞后特性 125
5．4 经验建模 127
5．4．1 最小二乘法 128
5．4．2 过程响应曲线法 131
习题5 136
第6章 反馈控制器 138
6．1 反馈控制与闭环系统 138
6．2 断续控制 139
6．3 连续控制 141
6．3．1 PID（比例积分微分）控制 141
6．3．2 比例控制 141
6．3．3 积分控制 143
6．3．4 比例积分控制 144
6．3．5 微分控制 145
6．3．6 比例积分微分控制 146
6．3．7 改进型PID 148
6．4 数字控制器 156
6．4．1 差分方程 156
6．4．2 数字控制系统建模 157
6．4．3 数字控制器连续化设计 161
6．4．4 数字式PID 166
6．4．5 工程二阶法 169
6．4．6 直接数字控制 173
6．4．7 最少拍有纹波控制 175
6．4．8 最少拍无纹波控制 178
习题6 183
第7章 简单回路设计 185
7．1 控制器参数整定 185
7．1．1 直接综合法 186
7．1．2 内部模型法 190
7．1．3 工程整定法 193
7．2 简单回路设计步骤 196
7．3 被控变量的选择 196
7．4 控制变量的选择 198
7．5 控制器的正反作用 202
7．6 简单控制系统设计实例 204
习题7 206
第8章 复杂控制系统 208
8．1 前馈控制系统 208
8．1．1 前馈控制的原理 208
8．1．2 数字式前馈控制 211
8．2 串级控制系统 213
8．2．1 串级控制系统简介 213
8．2．2 串级控制系统的特点 216
8．2．3 串级控制系统设计及参数整定 222
8．2．4 数字式串级控制算法 223
8．3 比值控制系统 224
8．3．1 比值控制系统的结构 224
8．3．2 比值控制系统的设计 226
8．3．3 比值控制系统方案及参数整定 228
8．4 大滞后过程控制系统 229
8．4．1 大滞后过程的采样控制 229
8．4．2 大滞后过程的Smith预估补偿控制 229
8．4．3 数字Smith预估控制器 231
8．4．4 大林算法 236
8．5 多输入多输出系统 247
8．5．1 控制变量与被控变量的匹配 247
8．5．2 相对增益矩阵 250
8．5．3 解耦控制 253
8．5．4 对角矩阵解耦 253
8．5．5 前馈补偿解耦 254
8．5．6 解耦器的简化 255
8．5．7 数字解耦控制算法 256
习题8 257
参考文献 258