本书以过程控制系统为研究对象，全面地介绍了相关过程的动态特性、建模方法、控制器原理、计算机过程控制系统、集散控制系统等内容。既介绍简单控制系统，又阐述复杂控制系统与先进控制技术以及聚类融合控制，并分析控制系统方案，对控制器参数进行整定，对典型流程工业生产过程进行案例分析，并介绍应用现状和发展前景。 全书内容丰富，系统性和先进性都比较突出，强调理论联系实际，有很多工业过程控制的案例，便于学生学习与理解。     读者对象：本书可作为高等学校自动化专业的过程控制系统教材，也可供流程工业工程技术人员和管理人员自学，或作为高校相关专业师生的教学参考书。

前 言 过程控制系统是现代工业自动化的一个重要组成部分，它是控制理论与生产工艺、工业过程、设备，以及计算机技术和仪器仪表等知识相结合的一门综合性工程应用学科。它的理论性、综合性和实践性都很强。 本课程是自动化专业最主要的一门专业课，它是在自动控制理论的基础上发展起来的专业应用课程，既有理论，又有工程实践。为了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，关于聚类融合控制的一些基础内容写在了附录A中。因为，随着过程控制技术的迅速发展，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。 全书共分8章，分别介绍了过程控制系统的发展、应用现状和相关知识。具体内容有： （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，以及控制器参数整定的常用方法与控制系统的投运。 （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，大时延生产过程的概念，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、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和集散控制系统的组成与类型，以及常用先进控制策略的简单介绍。 （11）预测控制、模糊控制和聚类融合控制及其工业应用。 此书第1章、第4章的4.1～4.6节、第6章和附录A由牛培峰教授编写；第2章、第5章的5.3节由燕山大学张秀玲教授编写；第3章、第4章的4.7节、第5章的5.1节和5.2节由燕山大学罗小元副教授编写；第7章、第8章由燕山大学彭策博士编写。 由于编者水平有限，书中疏漏和不妥之处在所难免，敬请广大读者批评指正。 编著者 2011年3月

目 录 第1章 绪论 1 1.1 过程控制发展概况 1 1.2 过程控制的特点 3 1.3 过程控制系统的组成及其分类 4 1.3.1 过程控制系统的组成 4 1.3.2 过程控制系统的分类 8 1.4 “过程控制”课程的性质和任务 9 思考题与习题 10 第2章 被控过程特性及其数学模型 11 2.1 被控过程的数学模型 11 2.2 工业过程数学模型建立 12 2.2.1 机理建模方法 12 2.2.2 系统辨识法（实验模型） 14 2.2.3 混合建模法 15 2.3 单容对象的动态特性 16 2.3.1 自平衡过程的动态特性 16 2.3.2 无自平衡过程的动态特性 18 2.4 多容对象的动态特性 19 2.4.1 具有自平衡能力的双容过程 19 2.4.2 不具有自平衡能力的双容过程 21 2.5 用响应曲线法辨识过程的数学模型 22 2.5.1 无滞后一阶惯性环节的参数确定 22 2.5.2 一阶纯滞后惯性环节的参数确定 23 2.5.3 二阶环节的参数确定 24 2.5.4 n阶环节的参数确定 24 2.6 最小二乘法辨识过程的模型 25 思考题与习题 26 第3章 过程控制系统——单回路控制系统的工程设计 27 3.1 过程控制系统工程设计概述 27 3.1.1 对过程控制系统设计的一般要求 28 3.1.2 过程控制系统设计步骤 28 3.1.3 过程控制系统设计的主要内容 29 3.1.4 过程控制系统设计中的若干问题 29 3.2 控制方案设计 30 3.2.1 过程控制系统的性能指标 30 3.2.2 被控变量确定 31 3.2.3 控制变量确定 32 3.3 过程控制系统设备选择 39 3.3.1 测量仪表与传感器选型原则 39 3.3.2 执行器（调节阀）选择 42 3.3.3 控制器（调节器）选择 44 3.4 简单过程控制系统的投运和控制器参数整定 45 3.4.1 简单控制系统投运 45 3.4.2 控制器参数整定 46 3.5 单回路控制系统工程设计实例 51 3.5.1 喷雾式干燥设备控制系统设计 51 3.5.2 贮槽液位控制系统设计 53 思考题与习题 54 第4章 复杂过程控制系统 57 4.1 串级控制 57 4.1.1 串级控制系统的结构与工作过程 57 4.1.2 串级控制系统的特点与分析 59 4.1.3 串级控制系统的设计 64 4.1.4 串级控制系统控制器参数整定 65 4.1.5 串级控制系统的工业应用 67 4.2 前馈控制 69 4.2.1 前馈控制系统的基本概念 69 4.2.2 前馈控制系统的结构 72 4.2.3 前馈控制的选用与稳定性 76 4.2.4 前馈控制系统的工程整定 76 4.2.5 前馈控制系统的工业应用 79 4.3 大滞后补偿控制 82 4.3.1 大滞后过程与常规控制方案 82 4.3.2 大滞后过程的预估补偿控制 85 4.3.3 大滞后过程的采样控制 87 4.3.4 大滞后控制系统工业应用举例 88 4.4 比值控制 92 4.4.1 常用的比值控制方案 93 4.4.2 比值控制系统的设计与整定 95 4.4.3 比值控制系统的工业应用 96 4.5 分程与选择性控制 97 4.5.1 分程控制系统原理与设计 97 4.5.2 分程控制系统的工业应用 99 4.5.3 选择性控制系统原理与设计 101 4.5.4 选择性控制系统的工业应用 103 4.5.5 选择性控制系统中的积分饱和与防止 103 4.6 多变量解耦控制 105 4.6.1 概述 105 4.6.2 相对增益及其性质 106 4.6.3 复杂过程控制通道的选择 113 4.6.4 耦合过程控制器参数整定 116 4.6.5 解耦设计 117 4.6.6 解耦控制中的一些问题 120 4.7 计算机过程控制 122 4.7.1 计算机过程控制系统的组成与特点 123 4.7.2 数字控制器的模拟化设计 126 4.7.3 计算机过程控制系统的设计 135 思考题与习题 139 第5章 先进过程控制 146 5.1 预测控制 146 5.1.1 概述 146 5.1.2 预测控制的基本原理 147 5.1.3 预测控制的实现 152 5.1.4 预测控制的工业应用 153 5.2 模糊控制 158 5.2.1 模糊数学基础 158 5.2.2 模糊控制器工作原理 163 5.2.3 模糊控制器的设计 166 5.2.4 模糊控制器的改进 172 5.2.5 模糊控制系统的工业应用 174 5.3 神经网络控制 178 5.3.1 神经元网络的基本原理与结构 178 5.3.2 神经元网络的模型 182 5.3.3模糊神经网络 186 5.3.4 神经网络控制系统结构 189 5.3.5 基于神经网络的控制系统设计 191 思考题与习题 198 第6章 聚类融合控制 200 6.1 聚类融合控制的基本概念 200 6.1.1 问题的提出 200 6.1.2 聚类融合控制的基本思想 200 6.2 聚类融合控制系统的结构 201 6.3 模式窗口及时间序列融合 202 6.3.1 模式窗口的概念 202 6.3.2 融合窗口及其选择 203 6.4 聚类融合控制系统的设计 204 6.4.1 输入信息空间 204 6.4.2 聚类融合空间 206 6.4.3 类别空间 207 6.4.4 控制输出空间 208 6.5 类别空间的特性 209 6.5.1 类别空间坐标系统 209 6.5.2 定性类别空间 210 6.5.3 过程行为的基本类别 211 6.5.4 行为空间和行为轨迹 212 6.6 ART在聚类融合控制中的应用 213 6.6.1 ART神经网络的特点 213 6.6.2 ART-2的参数设计 213 6.7 ART-2应用中的几个实际问题 218 6.7.1 小幅值分量特征的判别 218 6.7.2 幅值大小的问题 219 6.8 时间序列信息融合的结构 220 6.8.1 集中式和分布式融合 220 6.8.2 用二进制编码进行二次融合 222 6.9 模糊聚类融合控制 224 6.9.1 模糊控制存在的问题 224 6.9.2 模糊聚类融合控制的基本思想 226 6.9.3 模糊聚类融合控制系统的结构 227 6.9.4 模糊聚类融合控制的设计 228 6.10 聚类融合控制系统的工业应用 229 6.10.1 概述 229 6.10.2 循环流化床锅炉简介 229 6.10.3 循环流化床锅炉燃烧过程聚类融合控制 230 思考题与习题 239 第7章 计算机集散控制系统 240 7.1 概述 240 7.1.1 集散控制系统的组成 240 7.1.2 集散控制系统的特点 242 7.1.3 集散控制系统的发展 242 7.2 集散控制系统的现场控制站 243 7.2.1 参数控制 245 7.2.2 逻辑和顺序控制 251 7.2.3 数据监测 254 7.3 集散控制系统的操作员站和工程师站 255 7.3.1 操作员站和工程师站的功能 255 7.3.2 操作员站和工程师站的硬设备 256 7.3.3 操作员站和工程师站的软件 257 7.4 集散控制系统的网络与通信 261 7.4.1 概述 261 7.4.2 网络技术初步 261 7.4.3 信息传输技术初步 263 7.4.4 典型系统的通信网络 265 7.5 集散控制系统的工程化设计 267 7.5.1 工程化设计的特点 267 7.5.2 集散控制系统的方案论证 268 7.5.3 集散控制系统的评估 268 7.5.4 集散控制系统的工程设计 270 思考题与习题 271 第8章 过程控制工程应用实例 272 8.1 化肥厂H2/N2比例控制 272 8.2 氯乙烯精馏过程控制 275 8.3 TDC-3000在聚苯乙烯装置上的应用 277 8.4 CENTUM系统在合成氨装置中的应用 282 思考题与习题 284 附录A 信息融合基础知识 285 A.1 自适应谐振神经网络 285 A.1.1 自适应谐振理论 285 A.1.2 ART-2神经网络 289 A.2 模式识别和聚类分析基础 295 A.2.1 模式和模式空间 295 A.2.2 模式类和类别空间 295 A.2.3 模式识别 296 A.2.4 聚类分析 296 A.3 多传感器信息融合 297 A.3.1 多传感器系统 297 A.3.2 多传感器的信息融合 298 A.3.3 多传感器信息融合的方法 301 参考文献 305

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