自动化仪表与过程控制（第5版）.pdf

书 书 书自动化仪表与过程控制（第5版）施 仁 刘文江 郑辑光 王 勇 编著P u b l i s h i n gH o u s eo fE l e c t r o n i c s I n d u s t r y北京B E I J I NG内 容 简 介本书为“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D D Z型电动单元组合仪表、Y S8 0及Y S1 0 0 0系列数字调节器、C E N TUM C S 3 0 0 0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。本书可供高等学校工业自动化专业本科生、研究生作为教材或参考书使用，也可供相关科研院所及企业的工程技术人员参考使用。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（C I P）数据自动化仪表与过程控制/施仁等编著.5版.北京：电子工业出版社，2 0 1 1.5普通高等教育“十一五”国家级规划教材I S B N9 7 8-7-1 2 1-1 3 4 0 5-0.自.施.自动化仪表-高等学校-教材过程控制-高等学校-教材.TH 8 6T P 2 7 3中国版本图书馆C I P数据核字（2 0 1 1）第0 7 4 8 7 9号策划编辑：陈晓莉 责任编辑：陈晓莉 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社北京市海淀区万寿路1 7 3信箱 邮编 1 0 0 0 3 6开 本：7 8 71 0 9 2 1/1 6 印张：2 0.2 5 字数：5 1 8千字印 次：2 0 1 1年5月第1次印刷印 数：5 0 0 0册 定价：3 8.0 0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：（0 1 0）8 8 2 5 4 8 8 8。质量投诉请发邮件至z l t s p h e i.c o m.c n，盗版侵权举报请发邮件至d b q q p h e i.c o m.c n。服务热线：（0 1 0）8 8 2 5 8 8 8 8。前 言本书是“普通高等教育十一五国家级规划教材”，由“电子信息与电气学科教学指导委员会”及“电气工程及其自动化专业教学分指导委员会”推荐出版。本教材最初是根据全国工科电子类自动控制专业教材编审委员会制订的大纲编写的，1 9 8 0年国防工业出版社出版的、由西安交通大学施仁、刘文江主编的工业自动化仪表与过程控制教材。此后，根据国务院关于高等学校教材出版分工的规定，改由电子工业出版社出版，历经三次修订改版，分别于1 9 8 4年（第一版）、1 9 9 1年（第二版）、2 0 0 3年（第三版）由电子工业出版社作为全国自动控制专业统编教材出版、发行。2 0 0 6年被正式评为“普通高等教材十一五国家级规划教材”，并作为第四版出版面世。经过几年诸多大专院校的广泛使用，也提出了不少改进意见，这一次根据读者、特别是授课教师的意见，结合近年来工业自动化技术的发展，以及节能环保的控制需求，对内容进行了较大的增删。本教材的参考教学时数为6 0学时，上、下篇各约3 0学时。其主要内容是：上篇为自动化仪表部分，介绍各种检测仪表、调节器、执行器和防爆栅，以及集散控制系统（D C S）与现场总线控制系统（F C S）的工作原理和控制系统集成技术。下篇为过程控制系统部分，介绍对象动态特性建模与测试方法，单回路和串级调节系统的设计和参数整定方法，以及调耦控制、推理控制及预测控制等先进控制技术，最后介绍几种典型自动控制系统在生产过程中的应用实例。本教材的自动化仪表部分主要以D D Z-型电动单元组合仪表、日本横河公司Y S-1 0 0 0系列数字调节器、C S-3 0 0 0集散控制系统及基金会现场总线（F F）控制系统为重点，介绍基本单元的工作原理和使用特点。关于仪表的具体构造和调校方法讨论不多，编者认为这些内容放到实验中解决更为合适。本书的过程控制部分主要讨论调节对象动特性测试和数据处理方法，以及控制系统设计和参数整定的一般原理，不具体针对特定的工艺过程。本课程是电气工程及自动化、自动化专业学生在学完电子技术基础、微机原理、控制理论课程后开设的专业课程。通过学习，学生可以掌握自动化仪表的基本工作原理和使用特点，以及使用这些自动化技术、工具集成自动控制系统的方法。本教材由施仁编写自动化仪表概述及第1、2、4章，郑辑光编写第3章，刘文江编写第5、6、7、9章，王勇编写第8章，并对第59章文字进行了一定的修改整理。为了方便教学、在本版次中由郑辑光、王勇制作了全书的电子教案，欢迎任课老师索取（h t t p：/www.h x e d u.c o m.c n）。本书在编写过程中参考了各种有关书刊及资料，在些谨向他们表示深切的谢意。由于作者水平有限，书中肯定存在不少缺点和错误，请广大读者批评指正。编者2 0 1 1年4月于西安目 录上篇 自动化仪表1自动化仪表概述30.1 自动化仪表及其发展概况30.2 电动单元组合仪表及其控制系统的组成40.3 仪表的基本技术指标6复习思考题7第1章 检测仪表81.1 温度检测仪表81.1.1 测量温度的主要方法81.1.2 热电偶91.1.3 热电阻1 11.1.4 半导体热敏电阻1 31.1.5 热电偶温度变送器的基本结构1 31.1.6 D D Z型热电偶温度变送器的实际线路1 71.2 压力检测仪表1 91.2.1 弹性式压力测量元件2 01.2.2 力平衡式压力（差压）变送器2 11.2.3 位移式差压（压力）变送器2 31.2.4 固态测压仪表2 61.3 流量检测仪表2 71.3.1 节流式流量计2 81.3.2 容积式流量计3 11.3.3 涡轮流量计3 21.3.4 电磁流量计3 31.3.5 旋涡式流量计3 41.4 液位检测仪表3 61.4.1 浮力式液位计和静压式液位计3 61.4.2 电容式液位计3 71.4.3 超声波液位计3 81.5 成分分析仪表3 91.5.1 热导式气体分析仪3 91.5.2 红外线气体分析仪4 11.5.3 色谱分析仪4 31.5.4 氧化锆氧分析仪4 6复习思考题4 8第2章 调节器4 92.1 调节器的调节规律4 92.2 P I D运算电路5 02.2.1 比例积分运算电路5 12.2.2 比例微分运算电路5 32.2.3 P I D运算电路5 52.3 P I D调节器的阶跃响应和频率特性5 72.3.1 P I D调节器的阶跃响应5 72.3.2 P I D调节器的频率特性5 82.4 P I D调节器的完整结构6 02.4.1 输入电路6 02.4.2 P I D运算电路6 22.4.3 输出电路6 22.4.4 手动操作电路及自动手动切换6 32.5 数字控制算法6 52.5.1 基本P I D的离散表达式6 52.5.2 采样周期的选择6 72.5.3 变形的P I D控制算法6 82.5.4 混合过程P I D算法7 02.5.5 字长的考虑7 22.6 可编程序调节器7 22.6.1 可编程序调节器的电路7 22.6.2 数字调节器的工作时序7 72.6.3 用户程序结构及数据格式7 92.6.4 运算模块8 02.6.5 控制模块及编程8 82.6.6 程序的写入和调试9 82.6.7 数字调节器的通信1 0 0复习思考题1 0 1第3章 集散控制系统与现场总线控制系统1 0 23.1 集散控制系统的发展及其组成1 0 23.1.1 集散控制系统的发展1 0 23.1.2 C E N TUM C S 3 0 0 0基本组成1 0 73.1.3 C E N TUM C S 3 0 0 0的现场总线网络1 1 03.1.4 C E N TUM C S 3 0 0 0子系统的一体化功能1 1 33.2 D C S现场控制站的功能1 1 43.2.1 反馈控制功能1 1 53.2.2 顺序控制功能1 2 43.3 D C S操作站的功能1 3 33.4 现场总线通信技术1 3 93.4.1 现场总线技术的发展1 4 03.4.2 开放系统互连参考模型1 4 13.4.3 HA R T通信技术1 4 23.4.4 基金会现场总线通信技术1 4 33.5 基金会现场总线的用户应用1 5 23.5.1 用户应用模块1 5 23.5.2 系统管理1 6 33.5.3 设备信息文件1 6 43.5.4 现场总线控制系统的设计1 6 63.6 典型现场总线控制系统举例1 6 83.6.1 现场总线控制系统S y s t e m3 0 2的组成1 6 83.6.2 系统S y s t e m3 0 2中现场设备与网络的组态1 7 23.6.3 系统S y s t e m3 0 2中人机界面的组态1 7 43.7 过程控制系统的其他结构1 7 4小结1 7 5复习思考题1 7 5第4章 执行器和防爆栅1 7 74.1 执行器1 7 74.1.1 气动执行器1 7 74.1.2 电气转换器1 8 24.1.3 阀门定位器1 8 34.1.4 电动执行器1 8 54.2 防爆栅1 8 74.2.1 安全火花防爆系统的概念1 8 74.2.2 安全火花防爆的等级1 8 84.2.3 防爆栅的基本工作原理1 8 94.2.4 隔离式防爆栅1 9 0复习思考题1 9 4下篇 过程控制1 9 5第5章 过程控制对象动态特性及其数学模型1 9 75.1 单容对象动态特性及其数学描述1 9 85.1.1 水槽水位的动态特性1 9 85.1.2 对象的自衡特性2 0 05.2 多容对象的特性、容量滞后、纯滞后2 0 15.2.1 双容对象的特性2 0 15.2.2 纯滞后2 0 25.3 对象特性的实验测定、时域法2 0 35.3.1 实验测定方法描述2 0 35.3.2 测定动态特性的时域方法2 0 45.4 测定动态特性的频域方法2 0 75.4.1 正弦波方法2 0 75.4.2 频率特性的相关测试法2 0 85.4.3 闭路测定法2 1 05.5 测定动态特性的统计方法2 1 15.5.1 相关分析法识别对象动态特性的原理2 1 15.5.2 基于M序列信号测定对象的动态特性2 1 3复习思考题2 2 5第6章 单回路调节系统的设计及调节器参数整定方法2 2 66.1 概述2 2 66.2 对象动态特性对调节质量的影响及调节方案的确定2 2 86.2.1 干扰通道动态特性对调节质量的影响2 2 86.2.2 调节通道动态特性对调节质量的影响2 2 96.2.3 调节方案的确定2 3 16.3 调节规律对系统动态特性的影响、调节规律的选择2 3 36.3.1 在干扰作用下双容对象的比例调节2 3 36.3.2 系统调节性能指标、P I、P D调节作用分析2 3 76.3.3 调节规律的选择2 4 26.4 调节器参数的实验整定方法2 4 36.4.1 稳定边界法2 4 36.4.2 反应曲线法2 4 46.4.3 衰减曲线法2 4 66.4.4 三种整定方法的比较2 4 7复习思考题2 4 8第7章 常用过程控制系统2 4 97.1 串级调节系统2 4 97.1.1 串级调节系统的组成2 4 97.1.2 串级调节系统的特点和效果分析2 5 17.1.3 调节器的选型和整定方法2 5 37.2 比值调节系统2 5 47.2.1 比值调节系统的组成原理2 5 57.2.2 比值调节系统的整定2 5 67.3 均匀调节系统2 5 87.3.1 均匀调节系统的组成2 5 87.3.2 调节器的选型和参数整定2 5