自动化仪表与过程控制（第6版）

本书为“普通高等教育‘十一五’*规划教材”，主要讨论生产过程自动化中使用的各种检测与控制仪表的工作原理，以及过程控制系统的设计整定方法。 全书分上、下两篇。上篇为自动化仪表部分，介绍*常用的工业检测仪表、调节器、执行器和防爆栅等的工作原理及控制系统集成技术。重点讨论DDZ—Ⅲ型电动单元组合仪表、YS—1000可编程序调节器、CS3000集散控制系统和现场总线控制系统的工作原理及使用方法。下篇为过程控制部分，介绍了过程控制对象动态特性测试方法、单回路及串级调节系统的设计和参数整定方法，以及解耦控制、推理控制及预测控制等先进控制技术，*后介绍了几种典型调节系统在生产过程自动化中的应用实例。 本书可供高等学校自动化专业、电气工程专业本科生、研究生作为教材或参考书使用，也可供相关专业学生及从事生产过程检测控制的研究及工程技术人员参考使用。

西安交通大学教授。曾任自动控制教研室主任、教授、博导、全国DCS协会副理事长等。研究方向是自动化仪表与计算机控制技?X。发表学?X论文130多篇，获省部级以上科技成果奖7项。

目 录

上篇 自动化仪表
自动化仪表概述
0.1 自动化仪表及其发展概况
0.2 电动单元组合仪表及其控制系统的组成
0.3 仪表的基本技术指标
复习思考题
第1章 检测仪表
1.1 温度检测仪表
1.1.1 测量温度的主要方法
1.1.2 热电偶
1.1.3 热电阻
1.1.4 半导体热敏电阻
1.1.5 热电偶温度变送器的基本结构
1.1.6 DDZ—Ⅲ型热电偶温度变送器的实际线路
1.2 压力检测仪表
1.2.1 弹性式压力测量元件
1.2.2 力平衡式压力(差压)变送器
1.2.3 位移式差压(压力)变送器
1.2.4 固态测压仪表
1.3 流量检测仪表
1.3.1 节流式流量计
1.3.2 容积式流量计
1.3.3 涡轮流量计
1.3.4 电磁流量计
1.3.5 旋涡式流量计
1.4 液位检测仪表
1.4.1 浮力式液位计和静压式液位计
1.4.2 电容式液位计
1.4.3 超声波液位计
1.5 成分分析仪表
1.5.1 热导式气体分析仪
1.5.2 红外线气体分析仪
1.5.3 色谱分析仪
1.5.4 氧化锆氧分析仪
复习思考题
第2章 调节器
2.1 调节器的调节规律
2.2 PID运算电路
2.2.1 比例积分运算电路
2.2.2 比例微分运算电路
2.2.3 PID运算电路
2.3 PID调节器的阶跃响应和频率特性
2.3.1 PID调节器的阶跃响应
2.3.2 PID调节器的频率特性
2.4 PID调节器的完整结构
2.5 数字控制算法
2.5.1 基本PID的离散表达式
2.5.2 采样周期的选择
2.5.3 变形的PID控制算法
2.5.4 混合过程PID算法
2.5.5 字长的考虑
2.6 可编程序调节器
2.6.1 可编程序调节器的电路
2.6.2 数字调节器的工作时序
2.6.3 用户程序结构及数据格式
2.6.4 运算模块
2.6.5 控制模块及编程
2.6.6 程序的写入和调试
2.6.7 数字调节器的通信
复习思考题
第3章 集散控制系统与现场总线控制系统
3.1 集散控制系统的发展及其组成
3.1.1 集散控制系统的发展
3.1.2 CENTUM CS3000基本组成
3.1.3 CENTUM CS3000的现场总线网络
3.1.4 CENTUM CS3000子系统的一体化功能
3.2 DCS现场控制站的功能
3.2.1 反馈控制功能
3.2.2 顺序控制功能
3.3 DCS操作站的功能
3.4 现场总线通信技术
3.4.1 现场总线技术的发展
3.4.2 开放系统互连参考模型
3.4.3 HART 通信技术
3.4.4 基金会现场总线通信技术
3.5 基金会现场总线的用户应用
3.5.1 用户应用模块
3.5.2 系统管理
3.5.3 设备信息文件
3.5.4 现场总线控制系统的设计
3.6 信息集成的连接桥梁——OPC技术
3.6.1 OPC技术简介
3.6.2 OPC技术规范
3.6.3 OPC技术应用
3.7 典型现场总线控制系统举例
3.7.1 现场总线控制系统System 302的组成
3.7.2 系统System 302中现场设备与网络的组态
3.7.3 系统System 302中人机界面的组态
3.8 过程控制系统的其他结构
小结
复习思考题
第4章 执行器和防爆栅
4.1 执行器
4.1.1 气动执行器
4.1.2 电—气转换器
4.1.3 阀门定位器
4.1.4 电动执行器
4.2 防爆栅
4.2.1 安全火花防爆系统的概念
4.2.2 安全火花防爆的等级
4.2.3 防爆栅的基本工作原理
4.2.4 隔离式防爆栅
复习思考题
下篇 过程控制
第5章 过程控制对象动态特性及其数学模型
5.1 单容对象动态特性及其数学描述
5.1.1 水槽水位的动态特性
5.1.2 对象的自衡特性
5.2 多容对象的特性、容量滞后、纯滞后
5.2.1 双容对象的特性
5.2.2 纯滞后
5.3 对象特性的实验测定、时域法
5.3.1 实验测定方法描述
5.3.2 测定动态特性的时域方法
5.4 测定动态特性的频域方法
5.4.1 正弦波方法
5.4.2 频率特性的相关测试法
5.4.3 闭路测定法
5.5 测定动态特性的统计方法
5.5.1 相关分析法识别对象动态特性的原理
5.5.2 基于M序列信号测定对象的动态特性
复习思考题
第6章 单回路调节系统的设计及调节器参数整定方法
6.1 概述
6.2 对象动态特性对调节质量的影响及调节方案的确定
6.2.1 干扰通道动态特性对调节质量的影响
6.2.2 调节通道动态特性对调节质量的影响
6.2.3 调节方案的确定
6.3 调节规律对系统动态特性的影响、调节规律的选择
6.3.1 在干扰作用下双容对象的比例调节
6.3.2 系统调节性能指标、PI、PD调节作用分析
6.3.3 调节规律的选择
6.4 调节器参数的实验整定方法
6.4.1 稳定边界法
6.4.2 反应曲线法
6.4.3 衰减曲线法
6.4.4 三种整定方法的比较
复习思考题
第7章 常用过程控制系统
7.1 串级调节系统
7.1.1 串级调节系统的组成
7.1.2 串级调节系统的特点和效果分析
7.1.3 调节器的选型和整定方法
7.2 比值调节系统
7.2.1 比值调节系统的组成原理
7.2.2 比值调节系统的整定
7.3 均匀调节系统
7.3.1 均匀调节系统的组成
7.3.2 调节器的选型和参数整定
7.4 前馈调节系统
7.4.1 前馈控制的工作原理
7.4.2 扰动补偿规律及其局限性
7.4.3 复合调节系统的特性分析
7.4.4 复合调节系统参数的选择
7.4.5 自治调节系统
7.4.6 自治调节系统解耦装置的综合
复习思考题
第8章 复杂过程控制系统
8.1 多变量解耦控制系统
8.1.1 多变量过程的基本描述
8.1.2 相对增益与相对增益矩阵
8.1.3 解耦控制系统的设计
8.1.4 解耦控制中的一些问题
8.2 推理控制系统
8.2.1 推理控制的基本原理
8.2.2 推理—反馈控制系统
8.2.3 辅助控制量的选择
8.2.4 控制作用的限幅
8.3 预测控制系统
8.3.1 预测模型
8.3.2 参考轨迹
8.3.3 控制算法
8.3.4 预测控制的优点及存在问题
8.3.5 基于Laguerre函数的预测控制方法
复习思考题
第9章 自动调节系统在生产过程中的应用举例
9.1 石油加工蒸馏装置的仪表控制系统
9.1.1 石油加工中的仪表控制系统概要
9.1.2 蒸馏塔的仪表控制系统
9.2 钢铁工业中加热炉的控制系统
9.2.1 钢铁生产过程概要
9.2.2 加热炉的燃烧控制
9.2.3 燃烧控制的串级比值调节系统
9.2.4 交叉限幅并联副回路的串级调节
9.3 锅炉的自动调节系统
9.3.1 汽包水位的调节
9.3.2 燃烧过程的调节
9.3.3 锅炉控制系统举例
9.4 火电机组的脱硝控制系统
9.4.1 火力电厂生产过程
9.4.2 烟气脱硝过程
9.4.3 烟气脱硝技术
9.4.4 基于模型预测控制的烟气脱硝控制系统
复习思考题
参考文献

前  言
    本书是“普通高等教育‘十一五’规划教材”，由“电子信息与电气学科教学指导委员会”及“电气工程及其自动化专业教学分指导委员会”推荐出版。    本教材初是根据1977年恢复高考后，全国工科电子类自动控制专业教材编审委员会制订的教学大纲，由西安交通大学施仁、刘文江编写，国防工业出版社1980年出版的《工业自动化仪表与过程控制》全国统编教材。此后，根据国务院关于高等学校教材出版分工的规定，改由电子工业出版社作为全国自动控制专业统编教材出版、发行。多年来被诸多院校广泛采用，也收到不少改进意见。随着自动化、通信与计算机技术的快速发展，本书内容也不断翻新，多次修订，分别于1984年（第1版）、1991年（第2版）、2003年（第3版）、2006年（第4版）、2011年（第5版）面世。2006年本书第四版被评为“普通高等教育‘十一五’规划教材”、电气工程及自动化专业精品教材。为适应近年来科技发展和节能环保的需求，本书再次进行了修订，如对模拟调节器的篇幅做了压缩，在数字设备信号互联中介绍了OPC技术，在工程应用中增加了火力发电厂的脱硝控制等，作为第6版出版。    本教材的参考教学时数为60学时，上、下篇各约30学时，其主要内容是：上篇为自动化仪表部分，介绍工业检测仪表、调节器、执行器和防爆栅，以及集散控制系统（DCS）与现场总线控制系统（FCS）的工作原理和控制系统集成技术。下篇为过程控制部分，介绍控制对象动态特性测试方法、单回路及串级调节系统的设计和参数整定方法，以及解耦控制、推理控制及预测控制等先进控制技术，后介绍了几种典型控制系统在生产过程自动化中的应用实例。    本教材的自动化仪表部分主要以DDZ—Ⅲ型电动单元组合仪表、日本横河公司YS—1000可编程序调节器、CS3000集散控制系统和现场总线控制系统为重点，介绍基本工作原理和使用特点。关于仪表具体结构和调校方法讨论不多。本书下篇为过程控制部分，主要介绍控制对象动态特性测试和数据处理方法，以及控制系统设计和参数整定的一般原理，不针对特定的工艺过程。    本课程是高等学校自动化专业、电气工程专业学生在学完电子技术基础、控制理论、微机原理等课程后开设的专业课程。通过学习本课程，学生可以掌握自动化仪表的工作原理和使用特点，选用通用的工业自动化技术工具，初步具备集成自动控制系统的能力，在深入了解被控对象要求的基础上，对控制系统进行设计、组装、调试和投运。    本教材由施仁编写自动化仪表概述及第1、第2、第4章，郑辑光编写第3章，刘文江编写第5、第6、第7、第9章，王勇编写第8章，并对第5～9章内容进行一定的修改整理。为了方便教学，郑辑光、王勇为本教材制作了电子课件，欢迎任课教师索取（http：//www.hxedu.com.cn）。    本书编写过程中参考了各种书刊及资料，在此谨向他们表示深切的谢意。由于作者水平有限，书中肯定有不少缺点和不足，请广大读者批评指正。　           编者 2017年6月于西安