化工仪表及自动化(化学工程与工艺专业适用)
《化工仪表及自动化(化学工程与工艺专业适用)(第5版)》是在基本保持第四版的体系结构基础上，对其内容进行除旧添新、适当修改而成的。《化工仪表及自动化(化学工程与工艺专业适用)(第5版)》内容共分十章。除介绍工业生产过程中自动控制系统方面的基本知识外，还分别介绍了构成自动控制系统的被控对象、检测元件与传感器、自动控制仪表及执行器等。在简单、复杂控制系统的基础上，介绍了新型控制系统、计算机控制系统，最后结合生产过程介绍了典型化工单元操作的控制方案。
《化工仪表及自动化(化学工程与工艺专业适用)(第5版)》适用于高等学校化学工程与工艺专业，也适用于其他一些类型（例如石油、医药、轻工、食品、林业、冶金、煤矿、生物、环境……）高校相关专业，还可供从事连续生产过程的工艺技术人员参考。
目录
绪论1
第一章 自动控制系统基本概念3
第一节 化工自动化的主要内容3
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式4
一、自动控制系统的基本组成4
二、自动控制系统的表示形式5
第三节 自动控制系统的分类10
第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标11
一、控制系统的静态与动态11
二、控制系统的过渡过程11
三、控制系统的品质指标13
四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素15
习题与思考题16
第二章 过程特性及其数学模型18
第一节 化工过程的特点及其描述方法18
第二节 对象数学模型的建立20
一、建模目的20
二、机理建模20
三、实验建模24
第三节 描述对象特性的参数26
一、放大系数K26
二、时间常数T27
三、滞后时间τ29
习题与思考题32
第三章 检测仪表与传感器34
第一节 概述34
一、测量过程与测量误差34
二、仪表的性能指标34
三、工业仪表的分类37
第二节 压力检测及仪表38
一、压力单位及测压仪表38
二、弹性式压力计39
三、电气式压力计41
四、智能型压力变送器44
五、压力计的选用及安装46
第三节 流量检测及仪表48
一、概述48
二、差压式流量计49
三、转子流量计54
四、椭圆齿轮流量计59
五、电磁流量计60
六、漩涡流量计61
七、质量流量计62
八、流量测量仪表的选型63
第四节 物位检测及仪表65
一、概述65
二、差压式液位变送器67
三、电容式物位传感器69
四、核辐射物位计70
五、磁致伸缩式液位计71
六、光纤式液位计71
七、称重式液罐计量仪74
八、物位测量仪表的选型75
第五节 温度检测及仪表76
一、温度检测方法76
二、热电偶温度计79
三、热电阻温度计86
四、光纤温度传感器87
五、电动温度变送器89
六、一体化温度变送器90
七、智能式温度变送器91
八、测温仪表的选用及安装92
第六节 现代检测技术与传感器的发展94
一、软测量技术的发展94
二、现代传感器技术的发展95
第七节 显示仪表97
一、数字式显示仪表98
二、无笔、无纸记录仪99
三、虚拟显示仪表100
习题与思考题100
附录一常用压力表规格及型号103
附录二铂铑10铂热电偶分度表104
附录三镍铬铜镍热电偶分度表106
附录四镍铬镍硅热电偶分度表107
附录五铂电阻分度表109
附录六铜电阻(Cu50)分度表110
附录七铜电阻(Cu100)分度表111
第四章 自动控制仪表112
第一节 概述112
第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响112
一、双位控制113
二、比例控制114
三、积分控制117
四、微分控制118
第三节 模拟式控制器119
一、基本构成原理及部件119
二、DDZⅢ型电动控制器120
第四节 数字式控制器122
一、数字式控制器的主要特点122
二、数字式控制器的基本构成123
三、KMM型可编程序调节器125
第五节 可编程序控制器126
一、概述126
二、可编程序控制器的基本组成128
三、可编程序控制器的编程语言130
四、OMRONC系列PLC131
五、应用示例135
习题与思考题139
第五章 执行器140
第一节 气动执行器140
一、气动执行器的结构与分类140
二、控制阀的流量特性143
三、控制阀的选择146
四、气动执行器的安装和维护148
第二节 电动执行器148
第三节 电气转换器及电气阀门定位器149
一、电气转换器149
二、电气阀门定位器150
第四节 数字阀与智能控制阀150
一、数字阀150
二、智能控制阀151
习题与思考题151
第六章 简单控制系统153
第一节 简单控制系统的结构与组成153
第二节 简单控制系统的设计154
一、被控变量的选择154
二、操纵变量的选择156
三、测量元件特性的影响158
四、控制器控制规律的选择160
五、简单控制系统设计实例163
第三节 控制器参数的工程整定164
一、临界比例度法165
二、衰减曲线法165
三、经验凑试法166
习题与思考题168
第七章 复杂控制系统170
第一节 串级控制系统170
一、概述170
二、串级控制系统的工作过程172
三、串级控制系统的特点174
四、串级控制系统中副回路的确定174
五、主、副控制器控制规律及正、反作用的选择177
六、控制器参数的工程整定179
第二节 均匀控制系统180
一、均匀控制的目的180
二、均匀控制方案181
第三节 比值控制系统182
一、概述182
二、比值控制系统的类型183
三、比值控制系统的几个问题185
第四节 前馈控制系统186
一、前馈控制系统及其特点186
二、前馈控制的主要形式188
三、前馈控制的应用场合190
第五节 选择性控制系统190
一、基本概念190
二、选择性控制系统的类型191
三、积分饱和及其防止195
第六节 分程控制系统196
一、概述196
二、分程控制的应用场合197
三、分程控制中的几个问题199
习题与思考题199
第八章 新型控制系统201
第一节 自适应控制系统201
一、变增益自适应控制201
二、模型参考自适应控制系统202
三、直接优化目标函数的自适应控制系统202
四、自校正控制系统202
第二节 预测控制203
一、预测控制的基本结构203
二、预测控制的特点及应用204
第三节 其他新型控制系统205
一、智能控制205
二、专家控制系统206
三、模糊控制系统208
四、神经元网络控制208
五、故障检测与故障诊断210
六、解耦控制系统212
七、推断控制系统214
八、鲁棒控制214
习题与思考题215
第九章 计算机控制系统216
第一节 概述216
一、计算机控制系统的组成216
二、计算机控制系统的特点217
三、计算机控制系统的发展过程217
第二节 集散控制系统219
一、集散控制系统的特点219
二、集散控制系统的基本构成220
三、CENTUMCS集散控制系统220
第三节 现场总线控制系统227
一、现场总线控制系统的特点227
二、现场总线国际标准化229
三、主要的现场总线系统简介229
第四节 网络控制系统230
一、概述230
二、网络控制系统的分类232
习题与思考题233
第十章 典型化工单元的控制方案235
第一节 流体输送设备的控制方案235
一、离心泵的控制方案235
二、往复泵的控制方案236
三、压气机的控制方案237
四、离心式压缩机的防喘振控制238
第二节 传热设备的自动控制240
一、一般传热设备的控制240
二、锅炉设备的自动控制244
第三节 精馏塔的自动控制249
一、工艺要求249
二、精馏塔的干扰因素250
三、精馏塔的控制方案251
第四节 化学反应器的自动控制254
一、化学反应器的控制要求254
二、釜式反应器的温度自动控制255
三、固定床反应器的自动控制256
四、流化床反应器的自动控制257
第五节 生化过程的控制258
一、常用生化过程控制258
二、青霉素发酵过程控制260
三、啤酒发酵过程控制260
习题与思考题261
参考文献263
序言
本书自1981年出版以来，经全国许多高等学校试用，基本上满足了化工高等院校及其他一些类型（例如石油、医药、轻工、食品、林业、冶金、煤矿、生物、环境……）高校工艺类专业的教学需要。在1991年、1999年、2006年，作者针对该书多年使用中发现的问题，并考虑到化工仪表及自动化生产水平的提高，对原书的内容作了三次较大的改动，逐渐形成以自动化为主线的整体编写思想，分别出版了该书的第二版、第三版和第四版。该书自出版以来，经过多次印刷，被许多学校和单位选用，受到广大师生和读者的欢迎和支持，并提出了许多宝贵的意见，在此向广大师生和读者表示衷心的感谢。
伴随着科学技术的迅猛发展，自动化技术已成为当代举世瞩目的高技术之一。由于生产过程连续化、大型化、复杂化，使得广大的工艺生产技术人员需要学习和掌握必要的检测技术及自动化方面的知识，这是现代工业生产实现高效、优质、安全、低耗的基本条件和重要保证，也是有关人员管理与开发现代化生产过程所必须具备的知识。为了满足广大师生及有关人员学习本门课程的需要，我们将在原书的基础上，编写该书的第五版。这次修订的总体思路是在基本保持原书体系结构的基础上，在内容上作了较大的改动，删除某些在当前已显得陈旧的内容，改写某些显得比较繁琐或工艺技术人员较少接触的内容，增加大量反映当前自动化水平的内容。针对工艺类学生的特点和需要，本书在注重课程内容不断更新和整体优化的同时，努力以较少的理论推导和较简明的叙述，将化工仪表及自动化的基本内容以及许多新概念、新系统、新方法、新工具一并展现在读者面前。全书基本上涵盖了国内外仪表自动化方面的最新技术和发展动态。在编写方面，集教学内容的先进性与叙述的深入浅出为一体，以更好地满足化工工艺类学生学习的需要。
本书各章后面给出了习题与思考题，供广大师生与读者参考。为了满足广大师生与读者的教学需要，我们与几所院校合作编写了相应的《化工仪表及自动化例题习题集》（第二版），该习题集基本上覆盖了目前已经出版的同类教材的所有习题与思考题，除了对主要的习题给出了详细的题解外，还列举了部分例题进行了深入的分析，以使该课程的任课教师与学生能更好地理解教材的内容与要点。
本书第五版由厉玉鸣教授主编，孟华教授任副主编,河北科技大学杨霞参加了本次改版的编写工作。
文摘
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一、建模目的
建立被控对象的数学模型，其主要目的可归结为以下几种。
（1）控制系统的方案设计对被控对象特性的全面和深入地了解，是设计控制系统的基础。例如控制系统中被控变量及检测点的选择、操纵变量的确定、控制系统结构形式的确定等都与被控对象的特性有关。
（2）控制系统的调试和控制器参数的确定为了使控制系统能安全投运并进行必要的调试，必须对被控对象的特性有充分的了解。另外，在控制器控制规律的选择及控制器参数的确定时，也离不开对被控对象特性的了解。
（3）制定工业过程操作优化方案操作优化往往可以在基本不增加投资与设备的情况下，获取可观的经济效益。这样一个命题的解决离不开对被控对象特性的了解，而且主要是依靠对象的静态数学模型。
（4）新型控制方案及控制算法的确定在用计算机构成一些新型控制系统时，往往离不开被控对象的数学模型。例如预测控制、推理控制、前馈动态补偿等都是在已知对象数学模.型的基础上才能进行的。
（5）计算机仿真与过程培训系统利用开发的数学模型和系统仿真技术，使操作人员有可能在计算机上对各种控制策略进行定量的比较与评定，有可能在计算机上仿效实际的操作，从而高速、安全、低成本地培训工程技术人员和操作工人，有可能制定大型设备启动和停车的操作方案。
（6）设计工业过程的故障检测与诊断系统利用开发的数学模型可以及时发现工业过程中控制系统的故障及其原因，并能提供正确的解决途径。
自动化仪表与过程控制
本书为“普通高等教育‘十一五’国家级规划教材”，主要讨论生产过程自动化中使用的各种测控仪表的工作原理，以及过程控制系统的设计整定方法。
全书分上、下两篇。上篇为自动化仪表，介绍工业上最常用的检测仪表、调节器、执行
器和防爆栅的工作原理及使用特点。重点讨论DDZ—Ⅲ型电动单元组合仪表、YS—80及YS—1000系列数字调节器、CENTUM CS3000集散控制系统和现场总线控制系统。下篇为过程控制，在介绍对象动态特性的测试方法、单回路及串级调节系统的设计方法和调节器参数整定的基础上，介绍了解耦控制、推理控制及预测控制等先进控制系统的基本原理，最后介绍了几种典型调节系统在生产过程自动控制中的应用实例。
目录
目 录
上篇 自动化仪表
自动化仪表概述
0.1 自动化仪表及其发展概况
0.2 电动单元组合仪表及其控制系统的组成
0.3 仪表的基本技术指标
复习思考题
第1章 检测仪表
1.1 温度检测仪表
1.1.1 测量温度的主要方法
1.1.2 热电偶
1.1.3 热电阻
1.1.4 半导体热敏电阻
1.1.5 热电偶温度变送器的基本结构
1.1.6 DDZ—Ⅲ型热电偶温度变送器的实际线路
1.2 压力检测仪表
1.2.1 弹性式压力测量元件
1.2.2 力平衡式压力(差压)变送器
1.2.3 位移式差压(压力)变送器
1.2.4 固态测压仪表
1.3 流量检测仪表
1.3.1 节流式流量计
1.3.2 容积式流量计
1.3.3 涡轮流量计
1.3.4 电磁流量计
1.3.5 旋涡式流量计
1.4 液位检测仪表
1.4.1 浮力式液位计和静压式液位计
1.4.2 电容式液位计
1.4.3 超声波液位计
1.5 成分分析仪表
1.5.1 热导式气体分析仪
1.5.2 红外线气体分析仪
1.5.3 色谱分析仪
1.5.4 氧化锆氧分析仪
复习思考题
第2章 调节器
2.1 调节器的调节规律
2.2 PID运算电路
2.2.1 比例积分运算电路
2.2.2 比例微分运算电路
2.2.3 PID运算电路
2.3 PID调节器的阶跃响应和频率特性
2.3.1 PID调节器的阶跃响应
2.3.2 PID调节器的频率特性
2.4 PID调节器的完整结构
2.4.1 输入电路
2.4.2 PID运算电路
2.4.3 输出电路
2.4.4 手动操作电路及自动—手动切换
2.5 数字控制算法
2.5.1 基本PID的离散表达式
2.5.2 采样周期的选择
2.5.3 变形的PID控制算法
2.5.4 混合过程PID算法
2.5.5 字长的考虑
2.6 可编程序调节器
2.6.1 可编程序调节器的电路
2.6.2 数字调节器的工作时序
2.6.3 用户程序结构及数据格式
2.6.4 运算模块
2.6.5 控制模块及编程
2.6.6 程序的写入和调试
2.6.7 数字调节器的通信
复习思考题
第3章 集散控制系统与现场总线控制系统
3.1 集散控制系统的发展及其组成
3.1.1 集散控制系统的发展
3.1.2 CENTUM CS3000基本组成
3.1.3 CENTUM CS3000的现场总线网络
3.1.4 CENTUM CS3000子系统的一体化功能
3.2 DCS现场控制站的功能
3.2.1 反馈控制功能
3.2.2 顺序控制功能
3.3 DCS操作站的功能
3.4 现场总线通信技术
3.4.1 现场总线技术的发展
3.4.2 开放系统互连参考模型
3.4.3 HART 通信技术
3.4.4 基金会现场总线通信技术
3.5 基金会现场总线的用户应用
3.5.1 用户应用模块
3.5.2 系统管理
3.5.3 设备信息文件
3.5.4 现场总线控制系统的设计
3.6 典型现场总线控制系统举例
3.6.1 现场总线控制系统System 302的组成
3.6.2 系统System 302中现场设备与网络的组态
3.6.3 系统System 302中人机界面的组态
3.7 过程控制系统的其他结构
小结
复习思考题
第4章 执行器和防爆栅
4.1 执行器
4.1.1 气动执行器
4.1.2 电—气转换器
4.1.3 阀门定位器
4.1.4 电动执行器
4.2 防爆栅
4.2.1 安全火花防爆系统的概念
4.2.2 安全火花防爆的等级
4.2.3 防爆栅的基本工作原理
4.2.4 隔离式防爆栅
复习思考题
下篇 过程控制
第5章 过程控制对象动态特性及其数学模型
5.1 单容对象动态特性及其数学描述
5.1.1 水槽水位的动态特性
5.1.2 对象的自衡特性
5.2 多容对象的特性、容量滞后、纯滞后
5.2.1 双容对象的特性
5.2.2 纯滞后
5.3 对象特性的实验测定、时域法
5.3.1 实验测定方法描述
5.3.2 测定动态特性的时域方法
5.4 测定动态特性的频域方法
5.4.1 正弦波方法
5.4.2 频率特性的相关测试法
5.4.3 闭路测定法
5.5 测定动态特性的统计方法
5.5.1 相关分析法识别对象动态特性的原理
5.5.2 基于M序列信号测定对象的动态特性
复习思考题
第6章 单回路调节系统的设计及调节器参数整定方法
6.1 概述
6.2 对象动态特性对调节质量的影响及调节方案的确定
6.2.1 干扰通道动态特性对调节质量的影响
6.2.2 调节通道动态特性对调节质量的影响
6.2.3 调节方案的确定
6.3 调节规律对系统动态特性的影响、调节规律的选择
6.3.1 在干扰作用下双容对象的比例调节
6.3.2 系统调节性能指标、PI、PD调节作用分析
6.3.3 调节规律的选择
6.4 调节器参数的实验整定方法
6.4.1 稳定边界法
6.4.2 反应曲线法
6.4.3 衰减曲线法
6.4.4 三种整定方法的比较
复习思考题
第7章 常用过程控制系统
7.1 串级调节系统
7.1.1 串级调节系统的组成
7.1.2 串级调节系统的特点和效果分析
7.1.3 调节器的选型和整定方法
7.2 比值调节系统
7.2.1 比值调节系统的组成原理
7.2.2 比值调节系统的整定
7.3 均匀调节系统
7.3.1 均匀调节系统的组成
7.3.2 调节器的选型和参数整定
7.4 前馈调节系统
7.4.1 前馈控制的工作原理
7.4.2 扰动补偿规律及其局限性
7.4.3 复合调节系统的特性分析
7.4.4 复合调节系统参数的选择
7.4.5 自治调节系统
7.4.6 自治调节系统解耦装置的综合
复习思考题
第8章 复杂过程控制系统
8.1 多变量解耦控制系统
8.1.1 多变量过程的基本描述
8.1.2 相对增益与相对增益矩阵
8.1.3 解耦控制系统的设计
8.1.4 解耦控制中的一些问题
8.2 推理控制系统
8.2.1 推理控制的基本原理
8.2.2 推理—反馈控制系统
8.2.3 辅助控制量的选择
8.2.4 控制作用的限幅
8.3 预测控制系统
8.3.1 预测模型
8.3.2 参考轨迹
8.3.3 控制算法
8.3.4 预测控制的优点及存在问题
复习思考题
第9章 自动调节系统在生产过程中的应用举例
9.1 石油加工蒸馏装置的仪表控制系统
9.1.1 石油加工中的仪表控制系统概要
9.1.2 蒸馏塔的仪表控制系统
9.2 钢铁工业中加热炉的控制系统
9.2.1 钢铁生产过程概要
9.2.2 加热炉的燃烧控制
9.2.3 燃烧控制的串级比值调节系统
9.2.4 交叉限幅并联副回路的串级调节
9.3 锅炉的自动调节系统
9.3.1 汽包水位的调节
9.3.2 燃烧过程的调节
9.3.3 锅炉控制系统举例
