本書是依據(jù)普通高等學(xué)校“過程控制與自動化儀表”教學(xué)大綱的要求，在第1版（2000年）和第2版（2007年）的基礎(chǔ)上修訂而成。
本書從當(dāng)前生產(chǎn)過程自動化的實際需要和過程控制的新發(fā)展出發(fā)，在介紹了生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)與自動化儀表的基本概念、工作原理及使用要求、簡單控制系統(tǒng)設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，重點介紹了智能儀表、過程系統(tǒng)建模、特殊工藝及復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計、基于網(wǎng)絡(luò)的計算機控制系統(tǒng)及工程應(yīng)用等問題。
本書取材適當(dāng)、深度與廣度適中，能適應(yīng)不同高校本科電氣信息類專業(yè)的教學(xué)需求；內(nèi)容敘述簡明扼要、通俗易懂、循序漸進、方便自學(xué)；每章開始扼要提出了本章教學(xué)內(nèi)容和應(yīng)達到的基本要求；每章末編寫了基本練習(xí)題、綜合練習(xí)題和設(shè)計題，以適應(yīng)學(xué)生不同的學(xué)習(xí)需求，也便于教師因材施教。
本書可作為高等學(xué)校電氣信息類專業(yè)的教材，也可供相關(guān)專業(yè)師生和專業(yè)工程技術(shù)人員參考。
【推薦簡言】
本書的主要特點有：①在保留第1版和第2版主要特色的基礎(chǔ)上更新了內(nèi)容，引進了新的成果與應(yīng)用實例，并嚴格按照本科專業(yè)的培養(yǎng)目標和教學(xué)大綱的要求編寫，取材適當(dāng)、深度與廣度適中；②在保持系統(tǒng)性與完整性的基礎(chǔ)上按模塊化結(jié)構(gòu)編寫，以適應(yīng)不同高校的教學(xué)要求；③從生產(chǎn)實際需要出發(fā)，從工程實用性入手，盡可能采用各種先進而又成熟的控制策略與自動化儀表，力求做到技術(shù)的先進性與工程實用性相統(tǒng)一；④采用簡明扼要、通俗易懂、由淺入深、先易后難、先簡單再復(fù)雜的敘述方法，循序漸進，便于自學(xué)；⑤為便于學(xué)習(xí)，每章均提出了本章的主要內(nèi)容和應(yīng)達到的學(xué)習(xí)要求；⑥每章習(xí)題按基本練習(xí)題、綜合練習(xí)題和設(shè)計題三個層次分類編寫，以適應(yīng)學(xué)生不同的學(xué)習(xí)需求，也便于教師因材施教。
主要修改內(nèi)容如下：①考慮到新型傳感器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣情況，增加了主流傳感器及儀表內(nèi)容，如磁力機械式氧量分析儀、配備氣源調(diào)節(jié)器的電-氣轉(zhuǎn)換器等；②考慮到多數(shù)高校都開設(shè)智能控制相關(guān)課程內(nèi)容，由于版面限制，本教材難以詳細講述所有內(nèi)容，因此將第2版中的模糊控制相關(guān)內(nèi)容刪除；③隨著預(yù)測控制方法在工業(yè)過程系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，而第2版中內(nèi)容過于簡短，不便于學(xué)生理解和實現(xiàn)，因此對這部分內(nèi)容進行了重新編排，并增加了仿真實例；④隨著DCS技術(shù)的更新、發(fā)展及廣泛應(yīng)用，將第九章中DCS部分進行了修改，增加了第四代DCS系統(tǒng)內(nèi)容，并基于典型DCS系統(tǒng)并以加熱爐溫度系統(tǒng)為例，講述了DCS系統(tǒng)設(shè)計方案和典型控制方法串級控制方法的實現(xiàn)過程。
全書共分10章，1～5章為基礎(chǔ)部分，6～9章為提高部分，第10章為應(yīng)用部分。本書參考教學(xué)時數(shù)為56～64學(xué)時（其中包括8～10學(xué)時實驗）。
本書是依據(jù)普通高等學(xué)校“過程控制與自動化儀表”教學(xué)大綱的要求，在《過程控制與自動化儀表》（2000年機械工業(yè)出版社出版，西安理工大學(xué)侯志林主編）和《過程控制與自動化儀表》第2版（2007年機械工業(yè)出版社出版，西安理工大學(xué)潘永湘主編）兩書的基礎(chǔ)上修訂而成。本書從當(dāng)前生產(chǎn)過程自動化的實際需要和過程控制的最新發(fā)展出發(fā)，在介紹了生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)與自動化儀表的基本概念、工作原理及使用要求、簡單控制系統(tǒng)設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，重點介紹了智能儀表、過程系統(tǒng)建模、特殊工藝及復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計、基于網(wǎng)絡(luò)的計算機控制系統(tǒng)及工程應(yīng)用等問題。
本書的主要特點有：①在保留第1版和第2版主要特色的基礎(chǔ)上更新了內(nèi)容，引進了新的成果與應(yīng)用實例，并嚴格按照本科專業(yè)的培養(yǎng)目標和教學(xué)大綱的要求編寫，取材適當(dāng)、深度與廣度適中；②在保持系統(tǒng)性與完整性的基礎(chǔ)上按模塊化結(jié)構(gòu)編寫，以適應(yīng)不同高校的教學(xué)要求；③從生產(chǎn)實際需要出發(fā)，從工程實用性入手，盡可能采用各種先進而又成熟的控制策略與自動化儀表，力求做到技術(shù)的先進性與工程實用性相統(tǒng)一；④采用簡明扼要、通俗易懂、由淺入深、先易后難、先簡單再復(fù)雜的敘述方法，循序漸進，便于自學(xué)；⑤為便于學(xué)習(xí)，每章均提出了本章的主要內(nèi)容和應(yīng)達到的學(xué)習(xí)要求；⑥每章習(xí)題按基本練習(xí)題、綜合練習(xí)題和設(shè)計題三個層次分類編寫，以適應(yīng)學(xué)生不同的學(xué)習(xí)需求，也便于教師因材施教。主要修改內(nèi)容如下：①考慮到新型傳感器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣情況，增加了主流傳感器及儀表內(nèi)容，如磁力機械式氧量分析儀、配備氣源調(diào)節(jié)器的電-氣轉(zhuǎn)換器等；②考慮到多數(shù)高校都開設(shè)智能控制相關(guān)課程內(nèi)容，由于版面限制，本教材難以詳細講述所有內(nèi)容，因此將第2版中的模糊控制相關(guān)內(nèi)容刪除；③隨著預(yù)測控制方法在工業(yè)過程系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，而第2版中內(nèi)容過于簡短，不便于學(xué)生理解和實現(xiàn)，因此對這部分內(nèi)容進行了重新編排，并增加了仿真實例；④隨著DCS技術(shù)的更新、發(fā)展及廣泛應(yīng)用，將第九章中DCS部分進行了修改，增加了第四代DCS系統(tǒng)內(nèi)容，并基于典型DCS系統(tǒng)并以加熱爐溫度系統(tǒng)為例，講述了DCS系統(tǒng)設(shè)計方案和典型控制方法串級控制方法的實現(xiàn)過程。
全書共分10章，1～5章為基礎(chǔ)部分，6～9章為提高部分，第10章為應(yīng)用部分。各章具體內(nèi)容為：第1章闡述過程控制與自動化儀表的共性問題，確立過程控制的概念體系；第2章敘述過程參數(shù)的檢測與變送及選用方法；第3章敘述過程控制儀表的工作原理、功能特點、使用方法；第4章敘述被控過程的數(shù)學(xué)模型建立方法；第5章敘述簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原理與調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法；第6章敘述常用高性能過程控制系統(tǒng)的設(shè)計原理與方法；第7章敘述特殊工藝要求的過程控制系統(tǒng)的設(shè)計原理與方法；第8章敘述復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的設(shè)計原理與方法；第9章介紹基于網(wǎng)絡(luò)的計算機過程控制系統(tǒng)，主要介紹集散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)；第10章介紹典型生產(chǎn)過程的控制與工程化設(shè)計問題。
本書第1、4、6、7、8章由楊延西教授編寫；第3、5章由潘永湘教授編寫；第2、9、10章由趙躍副教授編寫。全書由楊延西教授負責(zé)統(tǒng)稿、定稿。
西安交通大學(xué)施仁教授、西安理工大學(xué)侯志林教授、潘永湘教授仔細審閱了書稿。他們對本書提出了許多寶貴的修改意見和建議，在此表示衷心的感謝。
作者在編寫過程中得到了教育部高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會委員劉丁教授的熱情鼓勵和支持，還參考了大量文獻資料，在此對劉丁教授和相關(guān)文獻作者一并表示衷心的感謝。
本書可作為高等學(xué)校電氣信息類專業(yè)的教材，參考教學(xué)時數(shù)為56～64學(xué)時（其中包括8～10學(xué)時實驗），也可供相關(guān)專業(yè)的師生和工程技術(shù)人員閱讀參考。
另外，為方便讀者學(xué)習(xí)，本書在每章的思考題與習(xí)題部分配有一個二維碼，掃描二維碼即可獲得本章思考題與習(xí)題的詳解。全書10章的思考題與習(xí)題列表和勘誤可通過掃描下面的二維碼來獲取，可供讀者查看實時更新。
由于編者水平有限，書中的缺點和不足之處在所難免，懇請廣大讀者指正與建議，以便再版時做進一步修訂與完善。
編著者
序隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，電氣工程與自動化技術(shù)正以令人矚目的發(fā)展速度，改變著我國工業(yè)的整體面貌。同時，對社會的生產(chǎn)方式、人們的生活方式和思想觀念也產(chǎn)生了重大的影響，并在現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著與信息科學(xué)、計算機科學(xué)和能源科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的交叉融合，它正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化的方向發(fā)展。
教育是培養(yǎng)人才和增強民族創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)，高等學(xué)校作為國家培養(yǎng)人才的主要基地，肩負著教書育人的神圣使命。在實際教學(xué)中，根據(jù)社會需求，構(gòu)建具有時代特征、反映最新科技成果的知識體系是每個教育工作者義不容辭的光榮任務(wù)。
教書育人，教材先行。機械工業(yè)出版社幾十年來出版了大量的電氣工程與自動化類教材，有些教材十幾年、幾十年長盛不衰，有著很好的基礎(chǔ)。為了適應(yīng)我國目前高等學(xué)校電氣工程與自動化類專業(yè)人才培養(yǎng)的需要，配合各高等學(xué)校的教學(xué)改革進程，滿足不同類型、不同層次的學(xué)校在課程設(shè)置上的需求，由中國機械工業(yè)教育協(xié)會電氣工程及自動化學(xué)科教學(xué)委員會、中國電工技術(shù)學(xué)會高校工業(yè)自動化教育專業(yè)委員會、機械工業(yè)出版社共同發(fā)起成立了“全國高等學(xué)校電氣工程與自動化系列教材編審委員會”，組織出版新的電氣工程與自動化類系列教材。這套教材基于“加強基礎(chǔ)，削枝強干，循序漸進，力求創(chuàng)新”的原則，通過對傳統(tǒng)課程內(nèi)容的整合、交融和改革，以不同的模塊組合來滿足各類學(xué)校特色辦學(xué)的需要。并力求做到：
1適用性：結(jié)合電氣工程與自動化類專業(yè)的培養(yǎng)目標、專業(yè)定位，按技術(shù)基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課和教學(xué)實踐等環(huán)節(jié)，進行選材組稿。對有的具有特色的教材采取一綱多本的方法。注重課程之間的交叉與銜接，在滿足系統(tǒng)性的前提下，盡量減少內(nèi)容上的重復(fù)。
2示范性：力求教材中展現(xiàn)的教學(xué)理念、知識體系、知識點和實施方案在本領(lǐng)域中具有廣泛的輻射性和示范性，代表并引導(dǎo)教學(xué)發(fā)展的趨勢和方向。
3創(chuàng)新性：在教材編寫中強調(diào)與時俱進，對原有的知識體系進行實質(zhì)性的改革和發(fā)展，鼓勵教材涵蓋新體系、新內(nèi)容、新技術(shù)，注重教學(xué)理論創(chuàng)新和實踐創(chuàng)新，以適應(yīng)新形勢下的教學(xué)規(guī)律。
4權(quán)威性：本系列教材的編委由長期工作在教學(xué)第一線的知名教授和學(xué)者組成。他們知識淵博，經(jīng)驗豐富。組稿過程嚴謹細致，對書目確定、主編征集、資料申報和專家評審等都有明確的規(guī)范和要求，為確保教材的高質(zhì)量提供了有力保障。
此套教材的順利出版，先后得到全國數(shù)十所高校相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的大力支持和廣大骨干教師的積極參與，在此謹表示衷心的感謝，并歡迎廣大師生提出寶貴的意見和建議。
此套教材的出版如能在轉(zhuǎn)變教學(xué)思想、推動教學(xué)改革、更新專業(yè)知識體系、創(chuàng)造適應(yīng)學(xué)生個性和多樣化發(fā)展的學(xué)習(xí)環(huán)境、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力等方面收到成效，我們將會感到莫大的欣慰。
全國高等學(xué)校電氣工程與自動化系列教材編審委員會
序
前言
第1章 緒論1
1.1過程控制概述1
1.1.1過程控制的特點、任務(wù)及要求1
1.1.2過程控制的發(fā)展概況6
1.1.3過程控制系統(tǒng)的組成、分類及性能指標7
1.2自動化儀表概述10
1.2.1自動化儀表的分類與發(fā)展10
1.2.2自動化儀表的信號制與能源供給12
1.2.3安全防爆儀表與安全防爆系統(tǒng)13
思考題與習(xí)題15
第2章 過程參數(shù)的檢測與變送17
2.1參數(shù)檢測與變送概述17
2.1.1檢測儀表17
2.1.2檢測誤差18
2.1.3檢測儀表的基本特性20
2.1.4變送器的構(gòu)成原理23
2.1.5變送器的信號傳輸方式25
2.2溫度的檢測與變送26
2.2.1溫度檢測方法26
2.2.2典型模擬式溫度變送器34
2.2.3智能式溫度變送器40
2.3壓力的檢測與變送42
2.3.1壓力的概念及其檢測42
2.3.2DDZ-Ⅲ型力矩平衡式差壓變送器44
2.3.3電容式差壓變送器48
2.3.4智能式差壓變送器50
2.4流量的檢測與變送53
2.4.1流量的概念與檢測方法53
2.4.2典型流量檢測儀表54
2.5物位的檢測與變送58
2.5.1物位檢測的主要方法58
2.5.2典型物位檢測儀表59
2.6成分的檢測與變送62
2.6.1概述62
2.6.2紅外式氣體成分的檢測及儀表63
2.6.3氧氣成分的檢測及儀表64
2.6.4多種組分的檢測及儀表70
思考題與習(xí)題71
第3章 過程控制儀表74
3.1過程控制儀表概述74
3.2DDZ-Ⅲ型模擬式調(diào)節(jié)器75
3.2.1比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律75
3.2.2DDZ-Ⅲ型PID基型調(diào)節(jié)器78
3.3數(shù)字式控制器87
3.3.1數(shù)字式控制器的基本構(gòu)成88
3.3.2數(shù)字式控制器實例89
3.4執(zhí)行器94
3.4.1執(zhí)行器的構(gòu)成原理94
3.4.2氣動執(zhí)行器的應(yīng)用97
3.4.3電/氣轉(zhuǎn)換器與閥門定位器103
3.4.4智能式電動執(zhí)行器105
3.5安全柵107
3.5.1齊納式安全柵107
3.5.2隔離式安全柵108
思考題與習(xí)題110
第4章 被控過程的數(shù)學(xué)模型113
4.1過程建模的基本概念113
4.1.1被控過程的數(shù)學(xué)模型及其作用113
4.1.2被控過程的特性114
4.1.3過程建模方法117
4.2解析法建立過程的數(shù)學(xué)模型119
4.2.1解析法建模的一般步驟119
4.2.2單容過程的解析法建模119
4.2.3多容過程的解析法建模122
4.3試驗法建立過程的數(shù)學(xué)模型125
4.3.1響應(yīng)曲線法126
4.3.2最小二乘法133
思考題與習(xí)題142
第5章 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計146
5.1簡單控制系統(tǒng)設(shè)計概述146
5.1.1控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)及開發(fā)步驟147
5.1.2設(shè)計中需要注意的有關(guān)問題148
5.2控制方案的確定149
5.2.1被控參數(shù)的選取149
5.2.2控制參數(shù)的選擇150
5.2.3被控參數(shù)的測量與變送153
5.2.4調(diào)節(jié)規(guī)律對控制質(zhì)量的影響及其選擇154
5.2.5執(zhí)行器的選擇 160
5.2.6調(diào)節(jié)器正/反作用方式的選擇160
5.3調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定161
5.3.1調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的理論基礎(chǔ)161
5.3.2調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定163
5.3.3PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的自整定168
5.4單回路控制系統(tǒng)設(shè)計實例173
5.4.1干燥過程的控制系統(tǒng)設(shè)計173
5.4.2儲槽液位過程控制系統(tǒng)的設(shè)計175
思考題與習(xí)題176
第6章 常用高性能過程控制系統(tǒng)180
6.1串級控制系統(tǒng)180
6.1.1串級控制的基本概念180
6.1.2串級控制系統(tǒng)的控制效果181
6.1.3串級控制系統(tǒng)的適用范圍186
6.1.4串級控制系統(tǒng)的設(shè)計188
6.1.5串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定191
6.2前饋控制系統(tǒng)193
6.2.1前饋控制的基本概念193
6.2.2前饋控制的特點及局限性194
6.2.3靜態(tài)補償與動態(tài)補償195
6.2.4前饋-反饋復(fù)合控制195
6.2.5引入前饋控制的原則及應(yīng)用實例196
6.3大滯后過程控制系統(tǒng)198
6.3.1大滯后過程概述198
6.3.2史密斯預(yù)估控制198
6.3.3改進型史密斯預(yù)估控制200
6.3.4內(nèi)�？刂�202
思考題與習(xí)題205
第7章 實現(xiàn)特殊工藝要求的過程控制系統(tǒng)208
7.1比值控制系統(tǒng)208
7.1.1比值控制概述208
7.1.2比值控制系統(tǒng)的設(shè)計211
7.1.3比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定215
7.2均勻控制系統(tǒng)215
7.2.1均勻控制的提出及其特點215
7.2.2均勻控制系統(tǒng)的設(shè)計217
7.3分程控制系統(tǒng)219
7.3.1分程控制概述219
7.3.2分程控制系統(tǒng)的設(shè)計220
7.3.3分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用222
7.4自動選擇性控制系統(tǒng)223
7.4.1自動選擇性控制概述223
7.4.2系統(tǒng)的類型及工作過程224
7.4.3自動選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計225
思考題與習(xí)題227
第8章 復(fù)雜過程控制系統(tǒng)231
8.1序言231
8.2多變量解耦控制系統(tǒng)231
8.2.1耦合過程及其要解決的問題231
8.2.2相對增益與相對增益矩陣232
8.2.3解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計237
8.3適應(yīng)過程參數(shù)變化的控制系統(tǒng)242
8.3.1適應(yīng)靜態(tài)增益變化的控制系統(tǒng)242
8.3.2適應(yīng)純滯后時間變化的控制系統(tǒng)244
8.3.3適應(yīng)時間常數(shù)變化的控制系統(tǒng)246
8.4推理控制系統(tǒng)248
8.4.1推理控制系統(tǒng)的組成248
8.4.2推理-反饋控制系統(tǒng)250
8.4.3輸出可測條件下的推理控制系統(tǒng)252
8.5預(yù)測控制系統(tǒng)255
8.5.1預(yù)測控制的基本思想255
8.5.2預(yù)測模型256
8.5.3典型預(yù)測控制算法259
思考題與習(xí)題267
第9章 基于網(wǎng)絡(luò)的過程計算機控制系統(tǒng)269
9.1集散控制系統(tǒng)269
9.1.1集散控制系統(tǒng)概述269
9.1.2集散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)277
9.1.3集散控制系統(tǒng)的控制器280
9.1.4集散控制系統(tǒng)操作員站283
9.1.5集散控制系統(tǒng)工程師站與組態(tài)軟件285
9.1.6集散控制系統(tǒng)的設(shè)計實例296
9.2基于現(xiàn)場總線的過程控制系統(tǒng)299
9.2.1現(xiàn)場總線的基本概念299
9.2.2現(xiàn)場總線的通信模型300
9.2.3基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)的設(shè)計306
思考題與習(xí)題309
第10章 典型生產(chǎn)過程控制與工程設(shè)計311
10.1典型生產(chǎn)過程控制311
10.1.1電廠鍋爐的過程控制311
10.1.2精餾塔的過程控制317
10.2過程控制系統(tǒng)的工程設(shè)計322
10.2.1工程設(shè)計的目的和主要內(nèi)容322
10.2.2工程設(shè)計的具體步驟323
10.2.3控制系統(tǒng)的抗干擾和接地設(shè)計326
思考題與習(xí)題330
附錄333
參考文獻336
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