1、 全国高等职业教育工业生产自动化技术系列规划教材 过程控制系统（第 3 版）齐卫红 主 编 刘芳园 副主编 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书以常规过程控制系统为主体，以目前在工业生产过程中广泛使用且较为成熟的典型控制方案作为重点内容，予以系统的阐述。本书共分为 8 章。第 1 章过程控制基础知识，第 2 章简单控制系统，第 3 章串级控制系统，第 4 章前馈控制系统，第 5 章比值控制系统，第 6 章其他控制系统，第 7 章典型化工单元的控制，第 8 章控制系统工程设计。每章前面均设置“内容提要”和“特别
2、提示”，章内每小节后附有“工程经验”，章后配备“本章小结”、“思考与练习”及实验等内容，本书配有 PPT 及习题的参考答案，以便于读者学习和使用。本书由浅入深，重点突出，选材精练，便于自学，适合作为高职高专院校过程控制自动化、测控技术及仪器仪表等相关专业的教材，也可供电气、机械、炼油、化工、冶金、轻工等相关专业参考。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/齐卫红主编3 版北京：电子工业出版社，2018.1 ISBN 978-7-121-33131-2.过 .齐 .过程控制高等学校教材 .TP273 中国版本图书馆 C
3、IP 数据核字（2017）第 295388 号 策划编辑：王昭松 责任编辑：韩奇桅 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：7871 092 1/16 印张：17.25 字数：441.6 千字 版 次：2007 年 5 月第 1 版 版次 ：2018 年 1 月第 3 版 印 次：2018 年 1 月第 1 次印刷 定 价：39.00 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）88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至
4、。本书咨询联系方式：，QQ：83169290。III前 言“过程控制”是现代工业自动化的一个重要领域。随着各类生产工艺技术不断改进提高，生产过程的连续化、大型化不断强化，以及对过程内在规律的进一步了解和仪表、计算机技术的迅猛发展，生产过程控制技术获得了更大的发展。“过程控制系统”是工业生产自动化及相关专业的一门主要专业课程。随着我国高等职业技术教育的迅速发展，工业生产自动化专业的办学规模也在逐步扩大。本书正是为了适应工业生产发展的需要和高等职业技术教育的教学特点而编写的。本书第 1 版于 2007 年出版后，受到了不少大专院校的欢迎，被选为教材，也得到了许多自动化技术人员的肯定。该书作为一本面
5、向工业生产自动化、测控技术与仪器等专业主干专业课程的教材，由于切合课程的教学大纲，书中内容叙述便于自学，为适合高职学生学习而减少了复杂的理论推导，且每一章均附有本章小结、思考与练习及主要实验环节等，因此受到了师生的普遍欢迎。经过 4 年多的使用，编者在收集和整理广大读者意见和建议的基础上，结合高职教学改革的实际情况，于 2011 年对本书进行了修订，推出了 过程控制系统（第2 版）教材。修订后的教材内容叙述更为详细、重点更为突出，并对原书的一些笔误和错字也进行了更正。近几年，高等职业教育教学改革继续深入推进，为适应现阶段高职教学改革的需要，尤其是对高水平高职教材的需要，结合当前生源质量的变化情
6、况，编者在广泛征求兄弟院校和使用单位的意见、总结多年教学实践经验的基础上，对过程控制系统（第 2 版）进行了再次修订。本次修订在保持前两版教材整体结构和主要内容不变的基础上，主要在以下方面进行了提高。（1）对部分章节的内容进行了精简，使部分内容的论述及案例分析更为简练；为避免与可编程序控制器课程内容重复，删除了第 6 章第 4 节“自动保护系统”。（2）增设学习“导引”环节，以突出应用性、实践性的培养目标。本次修订在每一章的正文之前设有“特别提示”，以期能帮助学生掌控学习的方向性；在第 16 章的每一节后设有“工程经验”，强化理论与实践的密切结合，更为具体地指导“学以致用”。（3）提供了第 1
7、7 章课后习题的参考答案，方便读者自我检验学习效果。（4）制作了电子课件，以便读者选用和参考。读者可登录电子工业出版社华信教育资源网（）自行下载电子课件和习题答案。本书共分为 8 章，包括三大部分内容。第一部分为第 1 章过程控制基础知识，阐述了过程控制系统的组成、基本要求、控制性能指标、控制规律对系统控制质量的影响，以及过程动态特性与建模方法；第二部分为过程控制系统，包括第 2 章简单控制系统、第 3 章串级控制系统、第 4 章前馈控制系统、第 5 章比值控制系统和第 6 章其他控制系统，各章均以系统的分析、设计与应用为轴线，重点讨论了各类控制系统的组成、特点、设计原则、实施和应用范围，以及
8、系统的投运和参数整定方法；第三部分为过程控制的工程设计和应用，包括第IV7 章典型化工单元的控制和第 8 章控制系统工程设计，使学生具备工程设计的初步知识和识图能力，为控制系统的应用、维护、改进、设计奠定基础。本次修订工作由西安理工大学高等技术学院齐卫红、刘芳园完成。齐卫红负责全书的统稿与修改，并编写第 1、2、3、6、7、8 章；第 4、5 章由刘芳园编写。在此对参加前两版编写工作的林春丽、孙庆玉、高燕、于洪庆、杨德宝、黄轶，以及主审王永红等各位老师表示诚挚的感谢。由于编者水平有限，书中难免有不妥之处，恳请各位专家和读者不吝指正。编 者 2017 年 10 月 V目 录 绪论 1 0.1 过
9、程控制的定义和任务 1 0.2 过程控制的发展与趋势 4 0.2.1 自动控制理论的发展历程 4 0.2.2 过程控制系统的发展与趋势 5 第 1 章 过程控制基础知识 7 1.1 自动控制系统的组成及分类 7 1.1.1 人工控制与自动控制 7 1.1.2 自动控制的基本方式 8 1.1.3 自动控制系统的组成 10 1.1.4 自动控制系统的分类 11 1.2 系统运行的基本要求 14 1.2.1 系统的动态与静态 14 1.2.2 基本要求 15 1.3 过程控制系统的过渡过程及控制性能指标 16 1.3.1 过程控制系统的过渡过程 16 1.3.2 过程控制系统的控制性能指标 17 1
10、.4 过程动态特性与建模 20 1.4.1 数学模型的定义 20 1.4.2 被控过程的数学模型（过程特性）20 1.4.3 传递函数 27 1.4.4 过程特性的一般分析 29 1.4.5 过程动态模型的实验测取 32 1.5 过程控制系统的方框图及传递函数 35 1.5.1 系统方框图 35 1.5.2 方框图的等效变换与化简 35 1.5.3 过程控制系统的传递函数 40 1.6 常规控制规律及其对系统控制质量的影响 42 1.6.1 PID 控制的特点 42 1.6.2 位式控制 43 1.6.3 比例控制（P）44 1.6.4 积分控制（I）47 1.6.5 微分控制（D）50 本章
11、小结 53 思考与练习 55 VI实验一 单回路控制系统控制过程演示 56 实验二 一阶（单容）过程特性测试二阶（双容）过程特性测试 57 第 2 章 简单控制系统 59 2.1 系统组成原理 59 2.1.1 简单控制系统的结构组成 59 2.1.2 控制过程分析 61 2.1.3 简单控制系统的设计概述 62 2.2 被控变量的选择 63 2.2.1 被控变量的选择方法 63 2.2.2 被控变量的选择原则 64 2.2.3 被控变量的选择实例 64 2.3 过程特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 66 2.3.1 扰动通道特性对控制质量的影响 68 2.3.2 控制通道特性对控制质量的
12、影响 71 2.3.3 操纵变量的选择 74 2.4 执行器（气动薄膜控制阀）的选择 74 2.4.1 控制阀概述 74 2.4.2 控制阀的结构形式及选择 77 2.4.3 控制阀气开、气关形式的选择 80 2.4.4 控制阀流量特性的选择 81 2.4.5 控制阀口径的选择 87 2.4.6 阀门定位器的正确使用 89 2.5 测量变送环节的选取及其对控制质量的影响 91 2.5.1 对测量变送环节的基本要求 92 2.5.2 测量误差分析 92 2.5.3 减小动态误差的方法 93 2.6 控制器的选择 95 2.6.1 控制器控制规律的选择 96 2.6.2 控制器正、反作用方式的选择
13、 97 2.7 简单控制系统的投运和整定 100 2.7.1 控制系统的投运 100 2.7.2 控制系统的整定 103 2.8 简单控制系统的故障与处理 108 2.8.1 故障产生的原因 109 2.8.2 故障判断和处理的一般方法 109 2.8.3 故障分析举例 110 本章小结 111 思考与练习 113 实验三 简单控制系统的投运和整定 116 第 3 章 串级控制系统 117 VII3.1 基本原理和结构 118 3.1.1 串级控制系统的组成原理 118 3.1.2 串级控制系统的结构 119 3.1.3 串级控制系统的控制过程 121 3.2 串级控制系统的特点 122 3.
14、3 串级控制系统的应用范围 126 3.3.1 用于具有较大纯滞后的过程 126 3.3.2 用于具有较大容量滞后的过程 128 3.3.3 用于存在变化剧烈和较大幅值扰动的过程 129 3.3.4 用于具有非线性特性的过程 129 3.4 串级控制系统的设计 130 3.4.1 主、副被控变量的选择 131 3.4.2 主、副控制器控制规律的选择 135 3.4.3 主、副控制器正、反作用的选择 135 3.4.4 串级控制系统的实施 137 3.5 串级控制系统的投运和整定 139 3.5.1 串级控制系统的投运 139 3.5.2 串级控制系统的整定 139 本章小结 141 思考与练习
15、 142 实验四 串级控制系统的投运和整定 144 第 4 章 前馈控制系统 146 4.1 前馈控制原理 146 4.2 前馈控制的特点及局限性 147 4.2.1 前馈控制的特点 147 4.2.2 前馈控制的局限性 148 4.3 前馈控制系统的几种主要结构形式 148 4.3.1 单纯的前馈控制系统 148 4.3.2 前馈-反馈控制系统 149 4.3.3 前馈-串级控制系统 150 4.4 前馈控制系统的实施及应用 151 4.4.1 前馈控制系统的实施 151 4.4.2 前馈控制系统的应用 153 本章小结 154 思考与练习 155 第 5 章 比值控制系统 156 5.1
16、概述 156 5.2 比值控制系统的类型 157 5.2.1 单闭环比值控制系统 157 5.2.2 双闭环比值控制系统 158 VIII5.2.3 变比值控制系统 159 5.3 比值系数的计算 161 5.3.1 流量与测量信号成线性关系时的折算 161 5.3.2 流量与测量信号成非线性关系时的折算 163 5.4 比值控制系统的实施 164 5.4.1 两种实施方案 164 5.4.2 比值控制系统中的信号匹配问题 165 5.5 比值控制系统的投运与整定 166 本章小结 167 思考与练习 167 实验五 单闭环比值控制系统的投运和整定 168 第 6 章 其他控制系统 170 6.1 均匀控制系统 170 6.1.1 均匀控制原理 170 6.1.2 均匀控制方案 172 6.2 选择性控制系统 175 6.2.1 选择性控制原理 175 6.2.2 选择性控制系统的类型 175 6.2.3 选择性控制系统工程设计和实施时的几个问题 178 6.3 分程控制系统 180 6.3.1 分程控制系统的组成及工作原理 180 6.3.2 分程控制的应用场合 181 6.3.3
