过程自动化及仪表（非自动化专业适用 第四版）

1自动控制系统概述1 1.1自动化及仪表发展状况1 1.2自动控制系统2 1.2.1自动控制系统2 1.2.2闭环控制与开环控制4 1.2.3自动控制系统的组成及方框图4 1.2.4自动控制系统的分类6 1.3自动控制系统的过渡过程及品质指标8 1.3.1静态与动态8 1.3.2自动控制系统的过渡过程9 1.3.3自动控制系统的品质指标9 思考题与习题111 2过程特性12 2.1过程特性的类型12 2.2过程的数学描述14 2.3过程特性的一般分析15 2.3.1放大系数K16 2.3.2时间常数T17 2.3.3纯滞后τ18 2.4过程特性参数的实验测定方法19 思考题与习题220 3检测变送22 3.1概述22 3.1.1测量误差23 3.1.2仪表性能指标23 3.2温度检测25 3.2.1温度检测方法25 3.2.2热电偶26 3.2.3热电阻29 3.2.4热电偶、热电阻的选用30 3.3流量检测31 3.3.1流量检测的主要方法31 3.3.2速度式流量计32 3.3.3容积式流量计36 3.3.4质量流量计36 3.3.5流量仪表的选用38 3.4压力检测39 3.4.1压力单位和压力检测方法39 3.4.2常用压力检测仪表41 3.4.3压力表的选用44 3.5物位检测44 3.5.1物位检测方法45 3.5.2常用物位检测仪表45 3.5.3物位检测仪表的选用50 3.6成分和物性参数检测50 3.6.1成分和物性参数检测方法51 3.6.2成分、物性检测的静态特性56 3.6.3成分、物性检测的动态特性57 3.7其他变量检测57 3.7.1位移量检测58 3.7.2转速检测59 3.7.3振动检测60 3.7.4厚度检测60 3.7.5火焰检测60 3.7.6重量检测60 3.8变送器61 3.8.1变送器量程迁移和零点迁移62 3.8.2温度变送器63 3.8.3差压变送器66 3.8.4智能变送器70 3.9现代传感器技术的发展73 思考题与习题375 4显示仪表76 4.1模拟式显示仪表77 4.1.1电子电位差计77 4.1.2电子自动平衡电桥79 4.2数字式显示仪表80 4.2.1数显仪表的分类80 4.2.2数显仪表的主要技术指标80 4.2.3数显仪表的基本组成80 4.3新型显示仪表82 4.3.1显示仪表发展动态82 4.3.2无纸记录仪83 4.3.3虚拟显示仪表84 思考题与习题４84 5执行器85 5.1执行机构86 5.1.1气动执行机构86 5.1.2电动执行机构88 5.2控制阀88 5.2.1控制阀结构88 5.2.2控制阀类型89 5.3气动薄膜控制阀的流量特性90 5.3.1理想流量特性91 5.3.2工作流量特性92 5.3.3动态特性93 5.4控制阀口径的确定94 5.4.1控制阀流量系数KV的计算94 5.4.2控制阀口径的确定94 5.5阀门定位器94 5.5.1电-气阀门定位器95 5.5.2阀门定位器作用95 5.6气动薄膜控制阀的选用96 5.6.1控制阀结构形式及材质的选择96 5.6.2控制阀流量特性的选择98 5.6.3气动薄膜控制阀的安装使用98 5.7智能控制阀99 思考题与习题５100 6控制器101 6.1控制器概述101 6.2控制器的基本控制规律102 6.2.1连续PID控制算法103 6.2.2离散PID控制算法112 6.3模拟式控制器113 6.3.1模拟式控制器基本结构113 6.3.2DDZ-Ⅲ型电动单元控制器114 6.4数字式控制器115 6.4.1数字式控制器主要特点116 6.4.2数字式控制器的基本构成116 6.4.3AI-759/759P控制器119 6.5可编程序控制器125 6.5.1可编程序控制器概述125 6.5.2可编程序控制器的工作原理127 6.5.3可编程序控制器的编程131 6.5.4可编程序控制器系统应用示例141 6.6集散控制系统143 6.6.1集散控制系统发展概况143 6.6.2集散控制系统特点144 6.6.3集散控制系统的硬件和软件144 6.6.4TPS系统简介145 6.6.5TPS系统应用举例150 6.7现场总线控制系统155 6.7.1现场总线系统的特点155 6.7.2现场总线系统的发展156 6.7.3基金会现场总线156 6.7.4现场总线控制系统的应用158 6.8工业短程无线网络161 6.8.1概述161 6.8.2工业短程无线网络国际标准162 6.8.3工业短程无线技术的应用类别163 思考题与习题6164 7简单控制系统166 7.1控制系统的组成166 7.2简单控制系统的设计167 7.2.1控制系统设计概述167 7.2.2被控变量的选择168 7.2.3操纵变量的选择168 7.2.4控制规律及控制器作用方向的选择168 7.2.5执行器(气动薄膜控制阀)的选择170 7.3简单控制系统的参数整定171 7.3.1经验整定法171 7.3.2临界比例度法172 7.3.3衰减曲线法173 7.4控制系统的投运173 7.5简单控制系统设计案例174 思考题与习题7175 8复杂控制系统177 8.1串级控制系统177 8.1.1串级控制系统的基本原理和结构177 8.1.2串级控制系统的特点178 8.1.3串级控制系统的设计179 8.1.4串级控制系统控制器参数的整定181 8.2比值控制系统181 8.2.1基本原理和结构181 8.2.2比值系数的计算182 8.3均匀控制系统183 8.3.1均匀控制系统的基本原理和结构183 8.3.2均匀控制系统的控制规律的选择及参数整定185 8.4前馈控制系统185 8.4.1基本原理185 8.4.2前馈控制的主要结构形式186 8.4.3采用前馈控制系统的条件186 8.5选择性控制系统187 8.6分程控制系统188 8.6.1不同工况需要不同的控制手段188 8.6.2扩大控制阀的可调范围188 思考题与习题8188 9先进控制技术190 9.1基于模型的预测控制190 9.1.1预测控制的基本原理191 9.1.2预测控制的优良性质192 9.1.3预测控制的应用192 9.2推断控制192 9.3软测量技术194 9.3.1机理分析与辅助变量的选择194 9.3.2数据采集和处理195 9.3.3软测量模型的建立195 9.3.4软测量模型的在线校正196 9.3.5软测量技术工业应用196 9.4双重控制系统196 9.5纯滞后补偿控制系统197 9.5.1史密斯预估补偿控制197 9.5.2史密斯预估补偿控制实施中若干问题198 9.6解耦控制系统198 9.6.1系统的关联分析198 9.6.2减少与解除耦合途径198 9.7差拍控制系统200 9.7.1差拍控制系统200 9.7.2达林控制算法200 9.7.3V.E.控制算法200 9.8自适应控制201 9.8.1简单自适应控制系统201 9.8.2模型参考型自适应控制系统201 9.8.3自校正控制系统202 9.9鲁棒控制202 9.10智能控制系统203 9.10.1智能控制简介203 9.10.2专家系统203 9.10.3模糊逻辑控制204 9.10.4神经网络控制205 9.11故障检测诊断和容错控制206 9.11.1故障检测和诊断206 9.11.2容错控制207 9.12综合自动化系统208 9.12.1综合自动化的意义208 9.12.2综合自动化系统的特点209 9.12.3工业生产过程计算机集成控制系统的构成210 思考题与习题9211 10生产过程控制212 10.1流体输送设备的控制212 10.1.1泵的控制212 10.1.2压缩机的控制214 10.1.3变频调速器的应用215 10.1.4防喘振控制系统216 10.2传热设备的控制217 10.2.1传热设备的静态数学模型217 10.2.2一般传热设备的控制218 10.2.3管式加热炉的控制220 10.3锅炉设备的控制221 10.3.1锅炉汽包水位的控制222 10.3.2锅炉燃烧系统的控制224 10.3.3蒸汽过热系统的控制226 10.4工业窑炉过程的控制227 10.4.1电热式工业窑炉控制227 10.4.2燃烧式工业窑炉控制228 10.5精馏塔的控制230 10.5.1精馏塔的控制要求231 10.5.2精馏塔的扰动分析232 10.5.3精馏塔被控变量的选择232 10.5.4精馏塔的控制234 10.5.5精馏塔的先进控制236 10.6化学反应器的控制240 10.6.1化学反应器的控制要求240 10.6.2化学反应器的基本控制策略241 10.6.3化学反应器的基本控制241 10.7合成氨过程的控制245 10.7.1变换炉的控制245 10.7.2转化炉水碳比控制245 10.7.3合成塔的控制246 10.8石油化工过程的控制248 10.8.1常减压过程的控制248 10.8.2催化裂化过程的控制250 10.8.3乙烯生产过程的控制253 10.8.4聚合过程的控制255 10.9生化过程的控制259 10.9.1常用生化过程控制260 10.9.2青霉素发酵过程控制261 10.9.3啤酒发酵过程控制262 10.10造纸过程的控制263 10.10.1纸浆浓度的控制263 10.10.2纸料配浆的比值控制264 10.10.3磨浆机的控制265 10.10.4白水回收控制266 10.11转炉控制266 10.11.1顶吹供氧控制系统266 10.11.2底吹供气控制系统267 10.11.3炉口微差压及煤气回收控制系统268 思考题与习题10269 11安全仪表系统在过程工业中的应用270 11.1功能安全标准简介270 11.2安全仪表系统271 11.2.1安全仪表系统概念271 11.2.2过程工业中的风险降低机制271 11.2.3安全完整性等级272 11.2.4安全仪表的冗余结构273 11.3安全仪表系统在过程工业中的应用案例276 11.3.1加热炉安全停车系统276 11.3.2高完整性压力保护系统278 11.3.3火灾和气体安全系统279 思考题与习题11281 附录1自控工程设计字母代号282 附录2部分热电偶、热电阻分度表283 参考文献287