本書是為了適應高等院校培養(yǎng)高水平應用型專業(yè)人才目標的需要而編寫的。本書主要內(nèi)容包括自動化及儀表、典型控制系統(tǒng)及應用、先進控制技術與理論三大部分。其中，自動化及儀表部分主要介紹了過程自動化基本知識，檢測技術基礎知識，檢測儀表、執(zhí)行儀表、控制儀表等的基本工作原理；典型控制系統(tǒng)及應用部分全面介紹了單回路控制、串級控制、比值控制、分程控制、前饋控制等系統(tǒng)和工程；先進控制技術與理論部分主要介紹了時滯過程控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)等。同時，本書融入課程思政教學設計，提供可參考的德育、智育課程體系，以實現(xiàn)專業(yè)課程思政育人目標。本書免費提供電子課件等教學資源，讀者可登錄華信教育資源網(wǎng)(www.hxedu.com.cn)下載使用。本書理論聯(lián)系實際、內(nèi)容豐富、化工案例特色鮮明、實用性強，可作為自動化、智能制造工程、工業(yè)智能、測控技術與儀器、化學工藝與工程等專業(yè)相關課程的教材，也可供相關專業(yè)的研究生及專業(yè)工程技術人員學習和參考。
肖中俊，1979年生，湖北大悟人，工學博士，齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）教授，碩士生導師，自動化專業(yè)負責人，山東省課程思政研究中心工作人員。主講山東省一流本科課程《過程控制》、山東省數(shù)字化優(yōu)質課程《儀表及自動化》，主持省級以上教研課題5項，發(fā)表高水平教科研究論文30余篇，出版專著1部、編著2部、教材2部。獲得山東省教學成果一等獎2項、校級教學成果獎一等獎3項。指導學生創(chuàng)新競賽獲得國家級獎16項、省級獎勵30余項。曾獲學校第一屆”說課能手”、第三屆教學方法改革標兵、第六屆“師德標兵”榮譽稱號，是德融好教案、好課堂、好教師獲得者，連續(xù)多年年度考核優(yōu)秀，被評為校先進個人、優(yōu)秀共產(chǎn)黨員，獲教學質量優(yōu)秀獎、教學質量卓越獎。
目 錄
第1章 過程控制系統(tǒng)基本概念 1
1.1 概述 1
1.2 過程控制技術發(fā)展簡況 1
1.3 過程自動化技術的知識內(nèi)容 3
1.4 過程控制系統(tǒng)的特點與分類 4
1.4.1 過程控制系統(tǒng)的特點 4
1.4.2 過程控制系統(tǒng)的分類 5
1.5 過程控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式 5
1.5.1 基本組成原理 5
1.5.2 控制系統(tǒng)框圖表示方法 7
1.5.3 管道及儀表流程圖 8
1.6 過程控制系統(tǒng)的基本要義 10
1.7 過程控制系統(tǒng)的過渡過程與質量
指標 12
1.7.1 穩(wěn)定性描述 12
1.7.2 階躍響應型單項性能指標 13
1.7.3 誤差性能指標 14
第2章 過程特性與建模 16
2.1 過程的特點及描述方法 16
2.2 過程的數(shù)學模型及其建立 16
2.2.1 過程的數(shù)學模型 16
2.2.2 過程建模的目的與基本原則 18
2.2.3 過程建模的方法 19
2.3 機理法建模 20
2.3.1 機理法建模思路 20
2.3.2 數(shù)學模型具體表達式 20
2.3.3 一階過程的數(shù)學模型 22
2.3.4 二階過程的數(shù)學模型 24
2.3.5 具有純滯后特性過程的數(shù)學
模型 26
2.3.6 高階過程的數(shù)學模型 27
2.4 測試法建模 27
2.4.1 測試法建模思路 27
2.4.2 時域法 28
2.5 基于最小二乘法的過程辨識 33
2.5.1 離散時間系統(tǒng)模型 33
2.5.2 最小二乘問題的提法與求解 33
2.5.3 遞推最小二乘法 34
2.6 過程特性的參數(shù)分析 35
第3章 檢測技術及儀表 38
3.1 概述 38
3.1.1 檢測的概念 38
3.1.2 測量的單位 39
3.2 檢測儀表的分類與組成 39
3.3 檢測儀表的品質指標 40
3.4 測量誤差 43
3.4.1 測量誤差的意義 43
3.4.2 測量誤差的定義 43
3.4.3 測量誤差的分類 43
3.4.4 測量誤差的表示 44
3.4.5 準確度、精密度和精確度 45
3.5 測量的數(shù)據(jù)處理 46
3.5.1 測量結果的表示方法 46
3.5.2 有效數(shù)字的處理原則 46
3.5.3 異常測量值的判別與舍棄 47
3.6 壓力檢測及其儀表 47
3.6.1 壓力的有關概念 48
3.6.2 電氣式壓力計 49
3.6.3 智能型差壓/壓力變送器 56
3.6.4 壓力計的選用、安裝與校驗 58
3.7 流量檢測及流量儀表 62
3.7.1 流量的定義與單位 62
3.7.2 差壓式流量計 63
3.7.3 浮子流量計 69
3.7.4 橢圓齒輪流量計 74
3.7.5 渦輪流量計 75
3.7.6 電磁流量計 76
3.7.7 渦街流量計 78
3.7.8 質量流量計 80
3.8 物位檢測及儀表 82
3.8.1 概述 82
3.8.2 差壓液位變送器 83
3.8.3 電容式物位傳感器 85
3.8.4 核輻射物位計 87
3.8.5 稱重式液罐計量儀 88
3.9 溫度檢測及儀表 89
3.9.1 溫度檢測方法及儀表 89
3.9.2 熱電偶溫度計 91
3.9.3 熱電阻溫度計 99
3.10 成分的檢測及儀表 104
3.10.1 紅外吸收式分析儀表 104
3.10.2 氣相色譜儀 105
3.10.3 液體濃度的檢測及儀表 106
3.10.4 pH值的測量及儀表 109
第4章 控制算法與儀表 112
4.1 基本控制規(guī)律及其對系統(tǒng)過渡過程
的影響 112
4.1.1 位式控制 113
4.1.2 比例控制 114
4.1.3 積分控制 115
4.1.4 微分控制 116
4.2 傳統(tǒng)PID控制器 117
4.3 PID控制選擇及應用 120
4.3.1 基本控制算法選擇 120
4.3.2 PID控制器的正/反作用
方式 120
4.3.3 PID控制器的積分飽和及其
抵抗方法 121
4.4 模擬控制儀表 122
4.4.1 模擬控制儀表概況 122
4.4.2 輸入電路 124
4.4.3 PD電路 125
4.4.4 輸出電路 127
4.4.5 手動操作電路及無擾切換 127
4.4.6 指示電路 129
4.5 數(shù)字控制儀表 129
第5章 執(zhí)行器與安全柵 132
5.1 概述 132
5.2 氣動執(zhí)行器 133
5.2.1 氣動執(zhí)行器基本結構 133
5.2.2 調(diào)節(jié)閥的類型 134
5.2.3 調(diào)節(jié)閥的流量特性 135
5.2.4 調(diào)節(jié)閥的選擇 140
5.3 電動調(diào)節(jié)閥 141
5.4 變頻器 143
5.4.1 變頻器工作原理 143
5.4.2 變頻器分類 144
5.4.3 變頻調(diào)速驅動原理 145
5.4.4 變頻器在過程控制中的
應用 147
5.5 安全柵 147
5.5.1 安全火花防爆概念 147
5.5.2 安全柵的基本類型與原理 148
第6章 簡單過程控制系統(tǒng) 150
6.1 單回路控制系統(tǒng)組成與結構 150
6.1.1 單回路控制系統(tǒng)結構框圖 150
6.1.2 單回路控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)
描述 151
6.2 單回路控制系統(tǒng)的設計 151
6.2.1 被控量及其選擇 151
6.2.2 操縱量及控制通道的選擇 152
6.2.3 執(zhí)行器及其選擇 156
6.2.4 控制規(guī)律及其作用方式的
選擇 157
6.2.5 檢測器及其選擇配置 158
6.3 單回路控制系統(tǒng)投運與參數(shù)整定 158
6.3.1 系統(tǒng)投運 158
6.3.2 控制器參數(shù)整定及其方法 159
6.3.3 工程整定法 159
6.4 單回路控制系統(tǒng)設計舉例 163
6.4.1 生產(chǎn)過程描述 163
6.4.2 控制方案的選擇 164
6.5 工業(yè)過程單回路控制系統(tǒng)分析實踐 166
6.5.1 壓力單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng) 166
6.5.2 液位單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng) 168
6.5.3 流量單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng) 172
6.5.4 溫度單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng) 173
第7章 復雜過程控制系統(tǒng) 175
7.1 串級控制系統(tǒng) 175
7.1.1 串級控制系統(tǒng)案例分析 175
7.1.2 串級控制系統(tǒng)工作原理 177
7.1.3 串級控制系統(tǒng)的設計 178
7.1.4 串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定 180
7.2 均勻控制系統(tǒng) 181
7.2.1 均勻控制 181
7.2.2 均勻控制方案 183
7.2.3 均勻控制器參數(shù)整定 184
7.3 比值控制系統(tǒng) 185
7.3.1 比值控制 185
7.3.2 比值控制方案 186
7.3.3 比值控制系統(tǒng)的設計 189
7.3.4 比值器參數(shù)整定 190
7.4 分程控制系統(tǒng) 191
7.4.1 分程控制 191
7.4.2 分程控制應用場合 192
7.4.3 分程控制中的幾個問題 193
7.5 選擇性控制系統(tǒng) 195
7.5.1 選擇性控制 195
7.5.2 選擇性控制系統(tǒng)類型 195
7.5.3 選擇性控制系統(tǒng)的設計 197
7.6 前饋控制系統(tǒng) 198
7.6.1 前饋控制 198
7.6.2 前饋控制系統(tǒng)的幾種主要
結構形式 200
7.6.3 前饋控制器的設計 202
第8章 時滯過程控制系統(tǒng) 204
8.1 Smith預估器 204
8.1.1 傳統(tǒng)Smith預估器 204
8.1.2 雙自由度Smith預估器 206
8.1.3 Smith預估器的特點 210
8.2 Dahlin算法 211
8.2.1 傳統(tǒng)Dahlin算法 211
8.2.2 具有分數(shù)時滯的Dahlin
算法 212
8.3 內(nèi)�？刂品椒� 213
8.3.1 傳統(tǒng)內(nèi)�？刂� 213
8.3.2 雙自由度內(nèi)�？刂� 216
8.4 預測控制的產(chǎn)生和發(fā)展 217
8.4.1 預測控制基本原理 218
8.4.2 預測控制統(tǒng)一數(shù)學描述 218
8.4.3 DMC模型 219
8.4.4 DMC算法原理 220
8.4.5 約束的處理 223
8.4.6 DMC算法控制參數(shù)的調(diào)整與
設計 224
8.5 時滯過程的GPC 225
8.5.1 時滯過程的描述 225
8.5.2 時滯過程輸出信號的最
優(yōu)線性預估 225
8.5.3 時滯過程的廣義預測控制器
設計 227
第9章 新型控制系統(tǒng)基礎 230
9.1 智能控制的研究對象與復雜系統(tǒng) 230
9.2 智能控制系統(tǒng)的特點 231
9.3 現(xiàn)代智能控制理論 231
9.4 智能控制發(fā)展概況 235
9.5 模糊控制 236
9.5.1 模糊邏輯基礎 236
9.5.2 模糊控制系統(tǒng)的組成 242
9.5.3 模糊控制器的設計 244
9.6 神經(jīng)網(wǎng)絡控制 247
9.6.1 神經(jīng)網(wǎng)絡基本概念 247
9.6.2 神經(jīng)網(wǎng)絡模型和學習方法
分類 248
9.6.3 典型神經(jīng)網(wǎng)絡模型 249
9.6.4 神經(jīng)網(wǎng)絡控制 251
9.7 專家控制系統(tǒng) 253
9.7.1 專家系統(tǒng)構成及特點 253
9.7.2 專家控制系統(tǒng)構成及原理 254
9.7.3 專家控制器設計 257
9.8 解耦控制系統(tǒng) 259
9.8.1 解耦控制 259
9.8.2 解耦控制系統(tǒng)的設計 260
9.8.3 兩個相關的問題 262
9.9 遺傳算法 263
9.9.1 遺傳算法概述 263
9.9.2 遺傳算法的工作原理 264
9.9.3 遺傳算法的實現(xiàn)和改進 270
第10章 集散控制系統(tǒng) 274
10.1 集散控制系統(tǒng)概述 274
10.1.1 集散控制系統(tǒng)的組成 274
10.1.2 集散控制系統(tǒng)發(fā)展概況 277
10.1.3 集散控制系統(tǒng)的技術要點 278
10.1.4 集散控制系統(tǒng)結構 281
10.2 MACS介紹 281
10.2.1 MACS的技術特點 282
10.2.2 MACS硬件體系 283
10.2.3 MACS軟件體系 287
10.3 PCS7介紹 289
10.3.1 PCS7的技術特點 289
10.3.2 PCS7的硬件體系 290
10.3.3 PCS7的軟件體系 293
附錄A 課程思政教學設計 296
參考文獻 302
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