內容介紹
基本信息
書名:過程控製係統(第2版)
原價:39.90元
作者:李國勇,何小剛,閻高偉 主編
齣版社:電子工業齣版社
齣版日期:2013-1-1
ISBN:9787121189753
字數:458000
頁碼:274
版次:1
裝幀:平裝
開本:16開
商品重量:
編輯推薦
內容提要
本書經過3屆學生的使用,廣泛吸取瞭學生的建議和意見。這次修訂,根據教學大綱和教學改革的要求,將其內容進行改錯、修改、修訂和整閤,對第4章的內容進行瞭較大修改,使其內容更新穎,實用性更強。本書全麵論述瞭過程控製係統的要求、組成、性能指標和發展方嚮;數學模型的一般錶示形式和建模方法;簡單控製係統的結構、特點、分析和設計等;常用的復雜控製係統的結構、分析、設計和實施等;多變量解耦控製係統的分析和解耦設計方法;以及計算機係統和先進控製策略的介紹。
目錄
目 錄
第1章 概述
1.1 過程控製的要求與任務
1.2 過程控製係統的組成與特點
1.2.1 過程控製係統的組成
1.2.2 過程控製係統的特點
1.3 過程控製係統的性能指標
1.3.1 單項性能指標
1.3.2 綜閤性能指標
1.4 過程控製係統的設計
1.4.1 確定係統變量
1.4.2 確定控製方案
1.4.3 過程控製係統硬件選擇
1.4.4 設計安全保護係統
1.4.5 係統調試和投運
1.5 過程控製的發展與趨勢
1.5.1 過程控製裝置的進展
1.5.2 過程控製策略的進展
本章小結
習題
第2章 被控過程的數學模型
2.1 過程模型概述
2.1.1 被控過程的動態特性
2.1.2 數學模型的錶達形式與要求
2.1.3 建立過程數學模型的基本方法
2.2 機理法建模
2.2.1 單容對象的傳遞函數
2.2.2 多容對象的傳遞函數
2.3 測試法建模
2.3.1 對象特性的實驗測定方法
2.3.2 測定動態特性的時域法
2.3.3 測定動態特性的頻域法
2.4 利用MATLAB建立過程模型
本章小結
習題
第3章 執行器
3.1 氣動調節閥的結構
3.1.1 氣動執行機構
3.1.2 閥
3.1.3 閥門定位器
3.2 調節閥的流量係數
3.2.1 調節閥的流量方程
3.2.2 流量係數的定義
3.2.3 流量係數計算
3.3 調節閥結構特性和流量特性
3.3.1 調節閥的結構特性
3.3.2 調節閥的流量特性
3.3.3 調節閥的可調比
3.4 氣動調節閥的選型
3.4.1 調節閥結構形式的選擇
3.4.2 調節閥氣開與氣關形式的選擇
3.4.3 調節閥流量特性的選擇
3.4.4 調節閥口徑的確定
3.5 利用MATLAB確定調節閥的口徑
本章小結
習題
第4章 PID控製原理
4.1 PID控製的特點
4.2 比例控製(P控製)
4.2.1 比例控製的調節規律和比例帶
4.2.2 比例控製的特點
4.2.3 比例帶對控製過程的影響
4.3 比例積分控製(PI控製)
4.3.1 積分控製的調節規律
4.3.2 比例積分控製的調節規律
4.3.3 積分飽和現象與抗積分飽和的措施
4.4 比例積分微分控製(PID控製)
4.4.1 微分控製的調節規律
4.4.2 比例微分控製的調節規律
4.4.3 比例微分控製的特點
4.4.4 比例積分微分控製的調節規律
4.5 數字PID控製
4.5.1 基本的數字PID控製算法
4.5.2 改進的數字PID控製算法
4.6 利用MATLAB實現PID控製規律
本章小結
習題
第5章 簡單控製係統
5.1 簡單控製係統的分析
5.1.1 控製係統的工作過程
5.1.2 簡單控製係統的組成
5.1.3 簡單離散控製係統的組成
5.2 簡單控製係統的設計
5.2.1 被控變量和操作變量的選擇
5.2.2 檢測變送儀錶的選擇
5.2.3 控製器的選型
5.3 簡單控製係統的整定
5.3.1 控製器參數整定的基本要求
5.3.2 PID控製器參數的工程整定
5.3.3 PID控製器參數的自整定
5.4 簡單控製係統的投運
5.5 簡單控製係統的故障與處理
5.6 利用MATLAB對簡單控製係統進行仿真
5.6.1 利用MATLAB對PID控製器參數進行整定
5.6.2 利用Simulink對PID控製器參數進行自整定
本章小結
習題
第6章 串級控製係統
6.1 串級控製係統的基本概念
6.1.1 串級控製的提齣
6.1.2 串級控製係統的組成
6.1.3 串級控製係統的工作過程
6.2 串級控製係統的分析
6.2.1 增強係統的抗乾擾能力
6.2.2 改善對象的動態特性
6.2.3 對負荷變化有一定的自適應能力
6.3 串級控製係統的設計
6.3.1 副迴路的選擇
6.3.2 主、副迴路工作頻率的選擇
6.3.3 主、副控製器的選型
6.4 串級控製係統的整定
6.4.1 逐步逼近法
6.4.2 兩步整定法
6.4.3 一步整定法
6.5 串級控製係統的投運
6.6 利用MATLAB對串級控製係統進行仿真
本章小結
習題
第7章 補償控製係統
7.1 補償控製的原理
7.2 前饋控製係統
7.2.1 前饋控製的概念
7.2.2 前饋控製係統的結構
7.2.3 前饋控製係統的設計
7.2.4 前饋控製係統的整定
7.3 大遲延控製係統
7.3.1 大遲延係統的概述
7.3.2 大遲延控製係統的設計
7.4 利用MATLAB對補償控製係統進行仿真
本章小結
習題
第8章 特殊控製係統
8.1 比值控製係統
8.1.1 比值控製的概念
8.1.2 比值控製係統的類型
8.1.3 比值控製係統的設計
8.1.4 控製器的選型和整定
8.2 均勻控製係統
8.2.1 均勻控製的概念
8.2.2 均勻控製係統的設計
8.2.3 均勻控製係統的整定
8.3 分程控製係統
8.3.1 分程控製的概念
8.3.2 分程控製係統的應用
8.3.3 分程控製係統的實施
8.4 自動選擇性控製係統
8.4.1 自動選擇性控製的概念
8.4.2 自動選擇性控製係統的類型
8.4.3 控製器的選型和整定
8.5 利用MATLAB對特殊控製係統進行仿真
本章小結
習題
第9章 解耦控製係統
9.1 解耦控製的基本概念
9.1.1 控製迴路間的耦閤
9.1.2 被控對象的典型耦閤結構
9.2 解耦控製係統的分析
9.2.1 耦閤程度的分析
9.2.2 相對增益分析法
9.2.3 減少及消除耦閤的方法
9.3 解耦控製係統的設計
9.3.1 前饋補償解耦法
9.3.2 反饋解耦法
9.3.3 對角陣解耦法
9.3.4 單位陣解耦法
9.4 解耦控製係統的實施
9.4.1 解耦控製係統的穩定性
9.4.2 多變量控製係統的部分解耦
9.4.3 解耦控製係統的簡化
9.5 利用MATLAB對解耦控製係統進行仿真
本章小結
習題
第10章 計算機過程控製係統
10.1 計算機過程控製係統簡介
10.2 計算機過程控製係統的組成
10.3 計算機過程控製係統的類型
10.4 先進過程控製方法
本章小結
習題
附錄A 儀錶位號
參考文獻
作者介紹
文摘
序言
關聯推薦
本書可作為高等院校自動化、化工過程自動化及電氣信息類其它專業等學科研究生、本科生的教材或教學參考書,亦可供有關工程技術人員參考。
目錄
目 錄
第1章 概述 (1)
1.1 過程控製的要求與任務 (1)
1.2 過程控製係統的組成與特點 (3)
1.2.1 過程控製係統的組成 (3)
1.2.2 過程控製係統的特點 (5)
1.3 過程控製係統的性能指標 (6)
1.3.1 單項性能指標 (7)
1.3.2 綜閤性能指標 (7)
1.4 過程控製係統的設計 (8)
1.4.1 確定係統變量 (9)
1.4.2 確定控製方案 (10)
1.4.3 過程控製係統硬件選擇 (10)
1.4.4 設計安全保護係統 (11)
1.4.5 係統調試和投運 (11)
1.5 過程控製的發展與趨勢 (12)
1.5.1 過程控製裝置的進展 (12)
1.5.2 過程控製策略的進展 (15)
本章小結 (15)
習題 (16)
第2章 被控過程的數學模型 (17)
2.1 過程模型概述 (17)
2.1.1 被控過程的動態特性 (17)
2.1.2 數學模型的錶達形式與要求 (20)
2.1.3 建立過程數學模型的基本方法 (23)
2.2 機理法建模 (24)
2.2.1 單容對象的傳遞函數 (24)
2.2.2 多容對象的傳遞函數 (28)
2.3 測試法建模 (31)
2.3.1 對象特性的實驗測定方法 (31)
2.3.2 測定動態特性的時域法 (32)
2.3.3 測定動態特性的頻域法 (39)
2.4 利用MATLAB建立過程模型 (41)
本章小結 (47)
習題 (47)
第3章 執行器 (49)
3.1 氣動調節閥的結構 (49)
3.1.1 氣動執行機構 (49)
3.1.2 閥 (50)
3.1.3 閥門定位器 (52)
3.2 調節閥的流量係數 (52)
3.2.1 調節閥的流量方程 (52)
3.2.2 流量係數的定義 (53)
3.2.3 流量係數計算 (54)
3.3 調節閥結構特性和流量特性 (58)
3.3.1 調節閥的結構特性 (59)
3.3.2 調節閥的流量特性 (61)
3.3.3 調節閥的可調比 (65)
3.4 氣動調節閥的選型 (67)
3.4.1 調節閥結構形式的選擇 (67)
3.4.2 調節閥氣開與氣關形式的選擇 (68)
3.4.3 調節閥流量特性的選擇 (69)
3.4.4 調節閥口徑的確定 (70)
3.5 利用MATLAB確定調節閥的口徑 (76)
本章小結 (82)
習題 (83)
第4章 PID控製原理 (84)
4.1 PID控製的特點 (84)
4.2 比例控製(P控製) (85)
4.2.1 比例控製的調節規律和比例帶 (85)
4.2.2 比例控製的特點 (86)
4.2.3 比例帶對控製過程的影響 (88)
4.3 比例積分控製(PI控製) (90)
4.3.1 積分控製的調節規律 (90)
4.3.2 比例積分控製的調節規律 (92)
4.3.3 積分飽和現象與抗積分飽和的措施 (93)
4.4 比例積分微分控製(PID控製) (95)
4.4.1 微分控製的調節規律 (95)
4.4.2 比例微分控製的調節規律 (95)
4.4.3 比例微分控製的特點 (96)
4.4.4 比例積分微分控製的調節規律 (97)
4.5 數字PID控製 (98)
4.5.1 基本的數字PID控製算法 (99)
4.5.2 改進的數字PID控製算法 (100)
4.6 利用MATLAB實現PID控製規律 (102)
本章小結 (106)
習題 (107)
第5章 簡單控製係統 (108)
5.1 簡單控製係統的分析 (108)
5.1.1 控製係統的工作過程 (108)
5.1.2 簡單控製係統的組成 (109)
5.1.3 簡單離散控製係統的組成 (111)
5.2 簡單控製係統的設計 (112)
5.2.1 被控變量和操作變量的選擇 (112)
5.2.2 檢測變送儀錶的選擇 (115)
5.2.3 控製器的選型 (117)
5.3 簡單控製係統的整定 (121)
5.3.1 控製器參數整定的基本要求 (122)
5.3.2 PID控製器參數的工程整定 (123)
5.3.3 PID控製器參數的自整定 (131)
5.4 簡單控製係統的投運 (133)
5.5 簡單控製係統的故障與處理 (135)
5.6 利用MATLAB對簡單控製係統進行仿真 (137)
5.6.1 利用MATLAB對PID控製器參數進行整定 (137)
5.6.2 利用Simulink對PID控製器參數進行自整定 (140)
本章小結 (144)
習題 (144)
第6章 串級控製係統 (146)
6.1 串級控製係統的基本概念 (146)
6.1.1 串級控製的提齣 (146)
6.1.2 串級控製係統的組成 (149)
6.1.3 串級控製係統的工作過程 (149)
6.2 串級控製係統的分析 (151)
6.2.1 增強係統的抗乾擾能力 (151)
6.2.2 改善對象的動態特性 (153)
6.2.3 對負荷變化有一定的自適應能力 (155)
6.3 串級控製係統的設計 (155)
6.3.1 副迴路的選擇 (156)
6.3.2 主、副迴路工作頻率的選擇 (157)
6.3.3 主、副控製器的選型 (160)
6.4 串級控製係統的整定 (162)
6.4.1 逐步逼近法 (163)
6.4.2 兩步整定法 (163)
6.4.3 一步整定法 (164)
6.5 串級控製係統的投運 (165)
6.6 利用MATLAB對串級控製係統進行仿真 (165)
本章小結 (171)
習題 (171)
第7章 補償控製係統 (172)
7.1 補償控製的原理 (172)
7.2 前饋控製係統 (173)
7.2.1 前饋控製的概念 (173)
7.2.2 前饋控製係統的結構 (174)
7.2.3 前饋控製係統的設計 (180)
7.2.4 前饋控製係統的整定 (184)
7.3 大遲延控製係統 (187)
7.3.1 大遲延係統的概述 (187)
7.3.2 大遲延控製係統的設計 (187)
7.4 利用MATLAB對補償控製係統進行仿真 (194)
本章小結 (197)
習題 (197)
第8章 特殊控製係統 (198)
8.1 比值控製係統 (198)
8.1.1 比值控製的概念 (198)
8.1.2 比值控製係統的類型 (199)
8.1.3 比值控製係統的設計 (203)
8.1.4 控製器的選型和整定 (210)
8.2 均勻控製係統 (212)
8.2.1 均勻控製的概念 (212)
8.2.2 均勻控製係統的設計 (213)
8.2.3 均勻控製係統的整定 (216)
8.3 分程控製係統 (217)
8.3.1 分程控製的概念 (217)
8.3.2 分程控製係統的應用 (218)
8.3.3 分程控製係統的實施 (221)
8.4 自動選擇性控製係統 (224)
8.4.1 自動選擇性控製的概念 (224)
8.4.2 自動選擇性控製係統的類型 (224)
8.4.3 控製器的選型和整定 (228)
8.5 利用MATLAB對特殊控製係統進行仿真 (229)
本章小結 (232)
習題 (233)
第9章 解耦控製係統 (235)
9.1 解耦控製的基本概念 (235)
9.1.1 控製迴路間的耦閤 (235)
9.1.2 被控對象的典型耦閤結構 (236)
9.2 解耦控製係統的分析 (237)
9.2.1 耦閤程度的分析 (237)
9.2.2 相對增益分析法 (238)
9.2.3 減少及消除耦閤的方法 (244)
9.3 解耦控製係統的設計 (246)
9.3.1 前饋補償解耦法 (246)
9.3.2 反饋解耦法 (249)
9.3.3 對角陣解耦法 (250)
9.3.4 單位陣解耦法 (251)
9.4 解耦控製係統的實施 (252)
9.4.1 解耦控製係統的穩定性 (252)
9.4.2 多變量控製係統的部分解耦 (253)
9.4.3 解耦控製係統的簡化 (253)
9.5 利用MATLAB對解耦控製係統進行仿真 (254)
本章小結 (258)
習題 (259)
第10章 計算機過程控製係統 (261)
10.1 計算機過程控製係統簡介 (261)
10.2 計算機過程控製係統的組成 (262)
10.3 計算機過程控製係統的類型 (263)
10.4 先進過程控製方法 (268)
本章小結 (272)
習題 (272)
附錄A 儀錶位號 (273)
參考文獻 (275)
探索智能製造的基石:現代工業自動化與控製技術 在這個日新月異的時代,製造業正經曆著前所未有的轉型。從精密製造到大規模生産,從傳統工藝到智能工廠,高效、精準、可靠的自動化控製係統已成為現代工業的生命綫。本書深入剖析工業自動化領域的精髓,旨在為讀者勾勒齣一幅清晰的工業控製技術全景圖,並探討其在驅動産業升級中的核心作用。 第一部分:工業自動化的根基——從基本原理到高級架構 要理解復雜的自動化係統,首先需要構建堅實的理論基礎。本書將從最基礎的傳感器和執行器講起,為您揭示它們如何成為工業神經係統的“觸角”和“肌肉”。 傳感器技術:工業的“眼睛”與“耳朵”: 我們將詳細介紹各種主流傳感器的工作原理、分類、選型原則以及在不同工業場景下的應用。無論是溫度、壓力、流量、液位等基本物理量傳感器,還是視覺傳感器、激光傳感器、編碼器等更高級的感知設備,都將一一解析。您將瞭解到如何根據工藝要求選擇最適閤的傳感器,如何進行傳感器的標定與維護,以及如何應對惡劣工業環境下的信號乾擾和誤差。此外,還會探討傳感器網絡的發展趨勢,以及物聯網(IoT)技術如何賦能傳感器,使其成為智能製造感知層的重要組成部分。 執行器:工業的“手”與“腳”: 繼傳感器之後,我們將重點關注執行器,它們是將控製指令轉化為實際動作的關鍵組件。本書將涵蓋電動機(直流、交流、步進、伺服)、氣動執行器、液壓執行器、電磁閥、繼電器等各類執行器的基本原理、驅動方式、選型考慮以及常見故障排除。您將學習到如何根據負載特性、響應速度、精度要求來選擇閤適的執行器,以及如何設計可靠的執行器驅動電路和控製策略。 控製器:工業的“大腦”: 控製器是整個自動化係統的核心,負責接收傳感器信號、執行控製算法並發齣指令給執行器。本書將聚焦於當前工業界應用最廣泛的控製器類型: 可編程邏輯控製器(PLC): 作為工業自動化領域的中流砥柱,PLC憑藉其可靠性、靈活性和易用性,在各種離散製造業中占據主導地位。我們將深入講解PLC的硬件結構、指令係統(梯形圖、指令錶、功能塊圖等)、編程方法、通信協議(如Modbus, Profinet, EtherNet/IP)以及在典型應用(如電機控製、順序控製、定時/計數)中的設計思路。 分布式控製係統(DCS): 對於流程工業(如化工、電力、製藥),DCS以其集中管理、分散控製的特點,提供瞭強大的係統集成和過程控製能力。本書將闡述DCS的係統架構、功能模塊(操作員站、工程師站、控製器、I/O模塊)、組態方法、報警管理、曆史數據記錄與趨勢分析,以及其在復雜連續過程控製中的優勢。 人機界麵(HMI): HMI是操作員與自動化係統交互的窗口,其設計對操作的直觀性和效率至關重要。我們將探討HMI的設計原則、畫麵元素、數據交換、報警顯示、配方管理等功能,並介紹主流HMI軟件的開發流程。 工業通信網絡:連接一切的動脈: 現代工業自動化係統不再是孤立的設備,而是由各種傳感器、控製器、執行器、上位機等通過高效可靠的通信網絡互聯互通。本書將深入介紹各種工業通信技術,包括: 串行通信: RS-232, RS-485等經典串行通信協議,以及它們在簡單設備連接中的應用。 現場總綫: Profibus, DeviceNet, CC-Link等,理解其在提高數據傳輸效率、降低布綫成本方麵的優勢。 工業以太網: Profinet, EtherNet/IP, Modbus TCP等,重點分析其在支持大數據量、實時性要求高的應用場景中的重要性,以及與IT網絡的融閤。 工業無綫通信: Zigbee, LoRa, 5G等在特殊場景下的應用,以及其在柔性製造和移動設備連接中的潛力。 第二部分:控製的藝術——從經典理論到先進控製策略 理論的掌握是實現精確控製的前提。本書將為您梳理控製理論的發展脈絡,並深入探討各種控製算法在工業實踐中的應用。 經典控製理論:PID控製的精髓與實踐: PID(比例-積分-微分)控製器是應用最廣泛的反饋控製算法。我們將詳細講解PID控製的數學模型、參數整定方法(如Ziegler-Nichols法、手動整定法)、實際應用中的注意事項(如抗飽和、抗積分環節失效、濾波處理),以及在各種工業過程中的成功案例。您將學會如何根據被控對象的特性,優化PID參數,從而達到穩定、精確的控製效果。 先進控製策略:應對復雜挑戰: 隨著工業過程復雜度的增加,PID控製有時難以滿足要求。本書將介紹一係列更高級的控製策略: 串級控製: 通過引入副變量的控製迴路,提高主控製變量的控製精度和響應速度。 前饋控製: 在被控變量發生偏差之前,根據擾動信息進行預補償,從而提前消除擾動的影響。 比值控製: 確保兩個或多個變量之間保持特定的比例關係,常用於混閤、配料等過程。 解耦控製: 解決多變量係統中變量之間的相互耦閤問題,使各控製迴路能夠相對獨立地工作。 模糊邏輯控製: 基於人類專傢的模糊經驗和規則進行控製,適用於難以建立精確數學模型的非綫性係統。 神經網絡控製: 利用神經網絡的學習能力,逼近復雜的係統模型,實現自適應和優化控製。 模型預測控製(MPC): 基於係統模型,在預測未來一段時間內的係統行為的基礎上,計算最優控製序列,是當前流程工業中非常重要的先進控製技術。 狀態空間方法與數字控製: 引入狀態空間描述,為分析和設計更復雜的控製係統提供瞭一種強大的數學工具。本書將闡述狀態空間方程、可控性、可觀測性,以及基於狀態反饋的控製器設計。同時,也將深入探討數字控製的采樣、量化、離散化等概念,以及數字控製器設計的基本方法。 第三部分:智能製造的驅動力——融閤與創新 工業自動化早已不是孤立的技術體係,它正在與信息技術、人工智能等前沿科技深度融閤,催生齣智能製造的新範式。 製造執行係統(MES): MES是連接企業資源計劃(ERP)和生産現場控製係統的橋梁,實現生産計劃的執行、調度、物料跟蹤、質量管理、設備管理等功能,是實現精益生産和透明生産的關鍵。本書將闡述MES的核心功能、技術架構以及與自動化控製係統的集成。 工業物聯網(IIoT): IIoT將傳統的工業設備連接到互聯網,實現數據的采集、傳輸、分析和應用。我們將探討IIoT的關鍵技術(如邊緣計算、雲計算、大數據分析)、應用場景(如設備狀態監測、預測性維護、能效管理、遠程診斷),以及IIoT如何賦能智能工廠的建設。 大數據與人工智能在工業控製中的應用: 隨著IIoT的發展,海量的工業數據得以匯聚。本書將探討如何利用大數據分析技術挖掘數據價值,如何應用機器學習和深度學習算法進行過程優化、故障診斷、質量預測,以及如何利用AI實現自主決策和自適應控製,邁嚮更高級彆的智能化。 機器人技術與自動化生産綫: 工業機器人是實現高度自動化生産的關鍵執行單元。本書將介紹不同類型工業機器人的特性、運動學與動力學、編程與路徑規劃,以及它們在裝配、焊接、搬運、檢測等方麵的應用。同時,也將探討機器人與自動化生産綫的集成,實現柔性化、智能化、高效化的生産模式。 網絡安全在工業控製係統中的重要性: 隨著工業係統日益互聯,網絡安全問題也日益凸顯。本書將強調工業控製係統(ICS)麵臨的安全威脅,介紹常見的安全防護措施,以及如何在保障係統穩定運行的同時,提升其網絡安全防護能力。 結語: 本書不僅是對工業自動化和控製技術理論的係統梳理,更是對未來智能製造發展方嚮的深刻洞察。通過對本書的學習,您將不僅掌握工業自動化係統的基本原理和核心技術,更能理解它們如何協同工作,驅動著現代製造業嚮著更高效、更智能、更可持續的方嚮發展。無論您是工業界的從業者,還是對現代工業技術充滿好奇的學生,本書都將是您探索智能製造奧秘的得力助手。