本书是为了适应高等院校培养高水平应用型专业人才目标的需要而编写的。本书主要内容包括自动化及仪表、典型控制系统及应用、先进控制技术与理论三大部分。其中，自动化及仪表部分主要介绍了过程自动化基本知识，检测技术基础知识，检测仪表、执行仪表、控制仪表等的基本工作原理；典型控制系统及应用部分全面介绍了单回路控制、串级控制、比值控制、分程控制、前馈控制等系统和工程；先进控制技术与理论部分主要介绍了时滞过程控制系统、智能控制系统、集散控制系统等。同时，本书融入课程思政教学设计，提供可参考的德育、智育课程体系，以实现专业课程思政育人目标。本书免费提供电子课件等教学资源，读者可登录华信教育资源网(www.hxedu.com.cn)下载使用。本书理论联系实际、内容丰富、化工案例特色鲜明、实用性强，可作为自动化、智能制造工程、工业智能、测控技术与仪器、化学工艺与工程等专业相关课程的教材，也可供相关专业的研究生及专业工程技术人员学习和参考。
肖中俊，1979年生，湖北大悟人，工学博士，齐鲁工业大学（山东省科学院）教授，硕士生导师，自动化专业负责人，山东省课程思政研究中心工作人员。主讲山东省一流本科课程《过程控制》、山东省数字化优质课程《仪表及自动化》，主持省级以上教研课题5项，发表高水平教科研究论文30余篇，出版专著1部、编著2部、教材2部。获得山东省教学成果一等奖2项、校级教学成果奖一等奖3项。指导学生创新竞赛获得国家级奖16项、省级奖励30余项。曾获学校第一届”说课能手”、第三届教学方法改革标兵、第六届“师德标兵”荣誉称号，是德融好教案、好课堂、好教师获得者，连续多年年度考核优秀，被评为校先进个人、优秀共产党员，获教学质量优秀奖、教学质量卓越奖。
目 录
第1章 过程控制系统基本概念 1
1.1 概述 1
1.2 过程控制技术发展简况 1
1.3 过程自动化技术的知识内容 3
1.4 过程控制系统的特点与分类 4
1.4.1 过程控制系统的特点 4
1.4.2 过程控制系统的分类 5
1.5 过程控制系统的基本组成及表示形式 5
1.5.1 基本组成原理 5
1.5.2 控制系统框图表示方法 7
1.5.3 管道及仪表流程图 8
1.6 过程控制系统的基本要义 10
1.7 过程控制系统的过渡过程与质量
指标 12
1.7.1 稳定性描述 12
1.7.2 阶跃响应型单项性能指标 13
1.7.3 误差性能指标 14
第2章 过程特性与建模 16
2.1 过程的特点及描述方法 16
2.2 过程的数学模型及其建立 16
2.2.1 过程的数学模型 16
2.2.2 过程建模的目的与基本原则 18
2.2.3 过程建模的方法 19
2.3 机理法建模 20
2.3.1 机理法建模思路 20
2.3.2 数学模型具体表达式 20
2.3.3 一阶过程的数学模型 22
2.3.4 二阶过程的数学模型 24
2.3.5 具有纯滞后特性过程的数学
模型 26
2.3.6 高阶过程的数学模型 27
2.4 测试法建模 27
2.4.1 测试法建模思路 27
2.4.2 时域法 28
2.5 基于最小二乘法的过程辨识 33
2.5.1 离散时间系统模型 33
2.5.2 最小二乘问题的提法与求解 33
2.5.3 递推最小二乘法 34
2.6 过程特性的参数分析 35
第3章 检测技术及仪表 38
3.1 概述 38
3.1.1 检测的概念 38
3.1.2 测量的单位 39
3.2 检测仪表的分类与组成 39
3.3 检测仪表的品质指标 40
3.4 测量误差 43
3.4.1 测量误差的意义 43
3.4.2 测量误差的定义 43
3.4.3 测量误差的分类 43
3.4.4 测量误差的表示 44
3.4.5 准确度、精密度和精确度 45
3.5 测量的数据处理 46
3.5.1 测量结果的表示方法 46
3.5.2 有效数字的处理原则 46
3.5.3 异常测量值的判别与舍弃 47
3.6 压力检测及其仪表 47
3.6.1 压力的有关概念 48
3.6.2 电气式压力计 49
3.6.3 智能型差压/压力变送器 56
3.6.4 压力计的选用、安装与校验 58
3.7 流量检测及流量仪表 62
3.7.1 流量的定义与单位 62
3.7.2 差压式流量计 63
3.7.3 浮子流量计 69
3.7.4 椭圆齿轮流量计 74
3.7.5 涡轮流量计 75
3.7.6 电磁流量计 76
3.7.7 涡街流量计 78
3.7.8 质量流量计 80
3.8 物位检测及仪表 82
3.8.1 概述 82
3.8.2 差压液位变送器 83
3.8.3 电容式物位传感器 85
3.8.4 核辐射物位计 87
3.8.5 称重式液罐计量仪 88
3.9 温度检测及仪表 89
3.9.1 温度检测方法及仪表 89
3.9.2 热电偶温度计 91
3.9.3 热电阻温度计 99
3.10 成分的检测及仪表 104
3.10.1 红外吸收式分析仪表 104
3.10.2 气相色谱仪 105
3.10.3 液体浓度的检测及仪表 106
3.10.4 pH值的测量及仪表 109
第4章 控制算法与仪表 112
4.1 基本控制规律及其对系统过渡过程
的影响 112
4.1.1 位式控制 113
4.1.2 比例控制 114
4.1.3 积分控制 115
4.1.4 微分控制 116
4.2 传统PID控制器 117
4.3 PID控制选择及应用 120
4.3.1 基本控制算法选择 120
4.3.2 PID控制器的正/反作用
方式 120
4.3.3 PID控制器的积分饱和及其
抵抗方法 121
4.4 模拟控制仪表 122
4.4.1 模拟控制仪表概况 122
4.4.2 输入电路 124
4.4.3 PD电路 125
4.4.4 输出电路 127
4.4.5 手动操作电路及无扰切换 127
4.4.6 指示电路 129
4.5 数字控制仪表 129
第5章 执行器与安全栅 132
5.1 概述 132
5.2 气动执行器 133
5.2.1 气动执行器基本结构 133
5.2.2 调节阀的类型 134
5.2.3 调节阀的流量特性 135
5.2.4 调节阀的选择 140
5.3 电动调节阀 141
5.4 变频器 143
5.4.1 变频器工作原理 143
5.4.2 变频器分类 144
5.4.3 变频调速驱动原理 145
5.4.4 变频器在过程控制中的
应用 147
5.5 安全栅 147
5.5.1 安全火花防爆概念 147
5.5.2 安全栅的基本类型与原理 148
第6章 简单过程控制系统 150
6.1 单回路控制系统组成与结构 150
6.1.1 单回路控制系统结构框图 150
6.1.2 单回路控制系统传递函数
描述 151
6.2 单回路控制系统的设计 151
6.2.1 被控量及其选择 151
6.2.2 操纵量及控制通道的选择 152
6.2.3 执行器及其选择 156
6.2.4 控制规律及其作用方式的
选择 157
6.2.5 检测器及其选择配置 158
6.3 单回路控制系统投运与参数整定 158
6.3.1 系统投运 158
6.3.2 控制器参数整定及其方法 159
6.3.3 工程整定法 159
6.4 单回路控制系统设计举例 163
6.4.1 生产过程描述 163
6.4.2 控制方案的选择 164
6.5 工业过程单回路控制系统分析实践 166
6.5.1 压力单回路调节系统 166
6.5.2 液位单回路调节系统 168
6.5.3 流量单回路调节系统 172
6.5.4 温度单回路调节系统 173
第7章 复杂过程控制系统 175
7.1 串级控制系统 175
7.1.1 串级控制系统案例分析 175
7.1.2 串级控制系统工作原理 177
7.1.3 串级控制系统的设计 178
7.1.4 串级控制系统参数整定 180
7.2 均匀控制系统 181
7.2.1 均匀控制 181
7.2.2 均匀控制方案 183
7.2.3 均匀控制器参数整定 184
7.3 比值控制系统 185
7.3.1 比值控制 185
7.3.2 比值控制方案 186
7.3.3 比值控制系统的设计 189
7.3.4 比值器参数整定 190
7.4 分程控制系统 191
7.4.1 分程控制 191
7.4.2 分程控制应用场合 192
7.4.3 分程控制中的几个问题 193
7.5 选择性控制系统 195
7.5.1 选择性控制 195
7.5.2 选择性控制系统类型 195
7.5.3 选择性控制系统的设计 197
7.6 前馈控制系统 198
7.6.1 前馈控制 198
7.6.2 前馈控制系统的几种主要
结构形式 200
7.6.3 前馈控制器的设计 202
第8章 时滞过程控制系统 204
8.1 Smith预估器 204
8.1.1 传统Smith预估器 204
8.1.2 双自由度Smith预估器 206
8.1.3 Smith预估器的特点 210
8.2 Dahlin算法 211
8.2.1 传统Dahlin算法 211
8.2.2 具有分数时滞的Dahlin
算法 212
8.3 内模控制方法 213
8.3.1 传统内模控制 213
8.3.2 双自由度内模控制 216
8.4 预测控制的产生和发展 217
8.4.1 预测控制基本原理 218
8.4.2 预测控制统一数学描述 218
8.4.3 DMC模型 219
8.4.4 DMC算法原理 220
8.4.5 约束的处理 223
8.4.6 DMC算法控制参数的调整与
设计 224
8.5 时滞过程的GPC 225
8.5.1 时滞过程的描述 225
8.5.2 时滞过程输出信号的最
优线性预估 225
8.5.3 时滞过程的广义预测控制器
设计 227
第9章 新型控制系统基础 230
9.1 智能控制的研究对象与复杂系统 230
9.2 智能控制系统的特点 231
9.3 现代智能控制理论 231
9.4 智能控制发展概况 235
9.5 模糊控制 236
9.5.1 模糊逻辑基础 236
9.5.2 模糊控制系统的组成 242
9.5.3 模糊控制器的设计 244
9.6 神经网络控制 247
9.6.1 神经网络基本概念 247
9.6.2 神经网络模型和学习方法
分类 248
9.6.3 典型神经网络模型 249
9.6.4 神经网络控制 251
9.7 专家控制系统 253
9.7.1 专家系统构成及特点 253
9.7.2 专家控制系统构成及原理 254
9.7.3 专家控制器设计 257
9.8 解耦控制系统 259
9.8.1 解耦控制 259
9.8.2 解耦控制系统的设计 260
9.8.3 两个相关的问题 262
9.9 遗传算法 263
9.9.1 遗传算法概述 263
9.9.2 遗传算法的工作原理 264
9.9.3 遗传算法的实现和改进 270
第10章 集散控制系统 274
10.1 集散控制系统概述 274
10.1.1 集散控制系统的组成 274
10.1.2 集散控制系统发展概况 277
10.1.3 集散控制系统的技术要点 278
10.1.4 集散控制系统结构 281
10.2 MACS介绍 281
10.2.1 MACS的技术特点 282
10.2.2 MACS硬件体系 283
10.2.3 MACS软件体系 287
10.3 PCS7介绍 289
10.3.1 PCS7的技术特点 289
10.3.2 PCS7的硬件体系 290
10.3.3 PCS7的软件体系 293
附录A 课程思政教学设计 296
参考文献 302
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