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21 世纪高等学校本科电子电气专业系列实用教材 过程控制系统 李国勇 编著 内 容 简 介 本书全面地论述了过程控制系统的要求、组成、性能指标和发展；工业生产过程数学模型的一般表示形式和建模方法；控制器的特性、选型与参数整定；调节阀的设计、选型和计算；简单控制系统的结构和特点及分析、设计和调试等；常用的复杂控制系统，如串级控制、补偿控制、比值控制、均匀控制、分程控制和选择性控制等系统的结构、分析、设计和实施等；多变量解耦控制系统的分析和解耦设计方法；计算机过程控制系统的组成与类型和先进控制策略的简单介绍。本书可作为高等院校自动化和信息类其他专业研究生和高年级本科生的教材，也可作为从事自动控制研究、设计和应用的科学技术人员的参考用书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 过程控制系统李国勇编著北京：电子工业出版社，2009.5（21 世纪高等学校本科电子电气专业系列实用教材）ISBN 978-7-121-08343-3 过 李 过程控制自动控制系统高等学校教材 TP273 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2009）第 053438 号 责任编辑：张 榕 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：7871092 印张：16.75 字数：428.8 千字 印 次：2009 年 5 月第 1 次印刷 印 数：4000 册 定价：35.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至，盗版侵权举报请发邮件至。服务热线：（010）88258888。IV 前 言 工业生产过程控制是现代工业自动化的一个重要领域。它是控制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表等知识相结合的一门综合性应用学科，理论性、综合性和实践性都很强。为适应当前工科院校的教学和科研工作的需要。本书将当前在工业生产过程中广泛应用或应用较为成熟的常规控制系统和控制方案，作为重点进行了全面系统的阐述；而对于计算机过程控制系统和先进控制方法，在本书中仅对其进行了简单介绍。因为，随着生产过程控制技术的迅速发展，它们已各自自成体系，大多数的高等院校也已就计算机控制系统和先进控制理论等内容开设了相应的课程。本书系统地论述了（1）过程控制系统的要求、组成、性能指标和发展。（2）被控工业过程的数学模型及其获取方法，包括对象数学模型动态特性的基本描述形式及获取方法。（3）执行器的种类、选型和计算。（4）PID 控制器控制规律的原理、分析与选型，包括模拟 PID控制器和数字 PID 控制器的选型和参数整定。（5）简单控制系统的基本概念、分析和设计，包括被控变量与控制变量的选择，控制器和测量变送器的选型，控制器参数整定的常用方法与控制系统投入运行。（6）串级控制系统的结构组成、工作原理和方案设计，包括主、副被控变量和操作变量的选择、主回路和副回路的设计及主回路和副控制器的选择，常用的串级控制系统的参数整定方法。（7）补偿控制系统的原理和前馈控制的几种结构形式，包括静态、动态前馈控制、复合前馈控制，各种前馈控制系统的设计，前馈补偿器的设计与实现，常用的工程整定方法；以及大迟延生产过程的概念，常规仪表控制方案的实现，补偿控制方案的设计与实现。（8）比值控制系统、均匀控制系统、分程控制系统、选择性控制系统的基本概念，系统设计与实现和参数整定。（9）解耦控制系统，包括多变量系统的分析（相对增益的概念与计算、耦合系统中的变量匹配）、控制器参数整定和常用的解耦控制系统设计方法等。（10）计算机过程控制系统的组成与类型和常用先进控制策略的简单介绍。该书取材先进实用，讲解深入浅出，各章均有用 MATLAB 编写的仿真及应用实例。何小刚教授审阅了全书，在此深表谢意。同时感谢策划编辑张榕女士为本书的出版所付出的辛勤工作。本教材适用学时数为 4056（2.53.5 学分），章节编排具有相对的独立性，使教师与学生便于取舍，便于不同层次院校的不同专业选用，以适应不同教学学时的需要。本 书 提 供 配 套 的 电 子 课 件，可 登 录 华 信 教 育 资 源 网： 或，注册后免费下载。由于编者水平有限，错误和不妥之处在所难免，敬请读者指正。作 者 III 序 言 随着世界经济一体化的进程，我国已成为世界最大的加工基地和制造基地，尤其是长江三角洲地区更为突出，已有近百家名列世界五百强的企业落户该地区，带动了该地区经济突飞猛进的发展，同时也为就业创造了广阔的前景。企事业单位对应用型本科人才的需求多了，但要求也提高了。这就对工程教育的发展提出了新的挑战，同时也提供了新的发展机遇。在此形势下，国家教育部近年来批准组建了一批以培养应用型本科人才为宗旨的高等院校，同时举办了多次“应用型本科人才培养模式研讨会”，对应用型本科教育的办学思想和发展定位进行初步探讨。并于 2002 年在全国高等院校教学研究中心立项，成立了 21 世纪中国高等学校应用型人才培养体系的创新与实践课题组，有十几所应用型本科院校参加了课题组的研究，取得了多项研究成果，并于 2004 年结题验收。我们就是在这种形势下，组织了多所应用型本科院校编写本系列教材，以适应国家对工程教育的新要求，满足培养素质高、能力强的应用型本科人才的需要。工程强调知识的应用和综合，强调方案优缺点的比较并做出论证和合理应用。这就要求我们对应用型本科人才的培养需实施与之相配套的培养方案和培养模式，采用具有自身特点的教材。同时，避免重理论、轻实践、工程教育“学术化”的倾向；避免在工程实践能力的培养中，轻视学生个性及创新精神的培养；避免工程教育在实践中与社会经济、产业的发展脱节。为使我国应用型人才培养适应社会发展的新形势，我们必须开拓进取、努力改革。组织编写本系列教材，有利于应用型人才培养所需要的、富有特色的本科教材的建设。本系列教材的编写原则如下。1确保基础 在内容安排上，本系列教材确保学生掌握基本的理论基础，满足本科教学的基本要求。2富有特色 围绕培养目标，以工程应用为背景，通过理论与实践相结合，构建应用型本科教育系列教材特色。在融会贯通本科教学内容的基础上，挑选最基本的内容、方法和典型应用，将有关技术进步的新成果、新应用纳入教学内容，妥善处理传统内容的继承与现代内容的引进；在保持本科教学基本体系的前提下，处理好与交叉学科的关系，并按新的教学系统重新组织；在注重理论与实践相结合的基础上，注入工程概念，包括质量、环境等诸多因素对工程的影响，突出特色、强化应用。3精选编者，保证质量 参编院校根据编委会要求推荐了一批具有丰富工程实践经验和教学经验的教师参加编写工作。本系列教材的许多内容都是在优秀教案、讲义的基础上编写的，并由主编全文统稿，以确保教材质量。本系列教材的编写得到了电子工业出版社的大力支持。他们为编好这套教材做了大量认真细致的工作，为教材的出版提供了许多有利条件，在此深表感谢！编 委 会 V 目 录 第 1 章 概述（1）1.1 过程控制的要求与任务 （1）1.2 过程控制系统的组成与特点（2）1.2.1 过程控制系统的组成（2）1.2.2 过程控制系统的特点（4）1.3 过程控制系统的性能指标（5）1.3.1 单项性能指标（5）1.3.2 综合性能指标（6）1.4 过程控制系统的设计（7）1.4.1 过程控制系统设计的基本步骤（7）1.4.2 确定控制变量与控制方案（7）1.4.3 过程控制系统硬件选择（9）1.5 过程控制的发展与趋势 （10）1.5.1 过程控制装置的进展（10）1.5.2 过程控制策略的进展（12）本章小结（12）习题（13）第 2 章 被控过程的数学模型（14）2.1 过程模型概述（14）2.1.1 被控过程的动态特性（14）2.1.2 数学模型的表达形式与要求（17）2.1.3 建立过程数学模型的基本方法（19）2.2 机理法建模（20）2.2.1 单容对象的传递函数（20）2.2.2 多容对象的传递函数（24）2.3 测试法建模（27）2.3.1 对象特性的实验测定方法（27）2.3.2 测定动态特性的时域法（28）2.3.3 测定动态特性的频域法（34）2.4 利用 MATLAB 建立过程模型（36）本章小结（40）习题（40）第 3 章 执行器（42）VI 3.1 气动调节阀的结构（42）3.1.1 气动执行机构（43）3.1.2 阀（43）3.1.3 阀门定位器（44）3.2 调节阀的流量系数（45）3.2.1 调节阀的流量方程（45）3.2.2 流量系数的定义（46）3.2.3 流量系数计算（47）3.3 调节阀结构特性和流量特性（51）3.3.1 调节阀的结构特性（51）3.3.2 调节阀的流量特性（54）3.3.3 调节阀的可调比（57）3.4 气动调节阀的选型（59）3.4.1 调节阀结构形式的选择（59）3.4.2 调节阀气开与气关形式的选择（60）3.4.3 调节阀流量特性的选择（60）3.4.4 调节阀口径的确定（62）3.5 利用 MATLAB 确定调节阀的口径（68）本章小结（74）习题（74）第 4 章 PID 控制原理（76）4.1 PID 控制的特点（76）4.2 比例控制（P 控制）（76）4.2.1 比例控制的调节规律和比例带（76）4.2.2 比例控制的特点（78）4.2.3 比例带对控制过程的影响（79）4.3 比例积分控制（PI 控制）（80）4.3.1 积分控制的调节规律（80）4.3.2 比例积分控制的调节规律（82）4.3.3 积分饱和现象与抗积分饱和的措施（84）4.4 比例积分微分控制（PID 控制）（86）4.4.1 微分控制的调节规律（86）4.4.2 比例微分控制的调节规律（87）4.4.3 比例微分控制的特点（88）4.4.4 比例积分微分控制的调节规律（89）4.5 数字 PID 控制 （90）4.5.1 基本的数字 PID 控制算法（90）4.5.2 改进的数字 PID 控制算法（91）4.6 利用 MATLAB 实现 PID 控制规律（93）VII 本章小结（97）习题（98）第 5 章 简单控制系统（99）5.1 简单控制系统的分析（99）5.1.1 控制系统的工作过程（99）5.1.2 简单控制系统的组成（100）5.2 简单控制系统的设计（101）5.2.1 被控变量和操作变量的选择（102）5.2.2 测量变送装置的选择（104）5.2.3 控制器的选型（106）5.3 简单控制系统的整定（110）5.3.1 控制器参数整定的基本要求（110）5.3.2 PID 控制器参数的工程整定（112）5.3.3 PID 控制器参数的自整定（119）5.4 简单控制系统的投运（122）5.5 简单控制系统的故障与处理（124）5.6 利用 MATLAB 对简单控制系统进行仿真（125）5.6.1 利用 MATLAB 对 PID 控制器参数进行整定（125）5.6.2 利用 Simulink 对 PID 控制器参数进行自整定（128）本章小结（131）习题（132）第 6 章 串级控制系统（133）6.1 串级控制系统的基本概念（133）6.1.1 串级控制的提出（133）6.1.2 串级控制系统的组成（135）6.1.3 串级控制系统的工作过程（136）6.2 串级控制系统的分析（138）6.2.1 增强系统的抗干扰能力（138）6.2.2 改善对象的动态特性（139）6.2.3 对负荷变化有一定的自适应能力（141）6.3 串级控制系统的设计（142）6.3.1 副回路的选择（142）6.3.2 主、副回路工作频率的选择（144）6.3.3 主、副控制器的选型（146）6.4 串级控制系统的整定（149）6.4.1 逐步逼近法（149）6.4.2 两步整定法（150）6.4.3 一步整定法（150）6.5 串级控制系统的投运（151）VIII