本书系统地论述了过程控制系统的发展、组成、分类、性能指标，被控过程的数学模型及其获取方法，单回路控制系统的基本概念，串级控制系统的结构组成、工作原理，串级控制系统的方案设计，补偿控制原理和前馈控制的几种结构形式，大纯滞后生产过程的概念，常规控制方案的实现，预估补偿控制方案的设计与实现，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，多变量解耦控制系统，计算机过程控制系统的组成与类型，直接数字控制系统的基本概念及组成、数字式PID控制算法及数字式PID的参数整定、先进控制策略的介绍，以及顺序控制系统、典型单元及生产过程的控制等多方面的内容。
前言
本书自2009年5月初版和2013年1月再版以来，得到了广大读者的关心和支持，被国内多所大学选为教材。这次修订在保持前两版系统、实用、易读的特点和基本框架的基础上，修改了个别章节的内容，还增加了火力发电厂锅炉设备的控制。同时新的版本也符合自动化专业培养目标、反映自动化专业教育改革方向、满足自动化专业教学需要和多学科交叉背景学生的教学需求。
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，在本书中仅进行了简单介绍。因为，随着生产过程控制技术的迅速发展，它们已各成体系，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。
本书系统地论述了如下内容：（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，控制器参数整定的常用方法与控制系统投运。（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控制器和副控制器的选择，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，包括静态前馈控制、动态前馈控制、复合前馈控制等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；以及大迟延生产过程的概念，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（相对增益的概念与计算、耦合系统中的变量匹配）、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的组成与类型和常用先进控制策略的简单介绍。（11）火力发电厂锅炉设备的控制。
本书取材先进实用，讲解深入浅出，各章均有用MATLAB/Simulink编写的仿真及应用实例，强调了理论与实际相结合。
本书由李国勇、何小刚和杨丽娟任主编，卫明社和王芳任副主编。全书共包含11章，其中第1章由任密蜂编写；第2章和第11章由何小刚编写；第3～5章由李国勇编写；第6章由卫明社编写；第7章由陈明文编写；第8章由杨丽娟编写；第9章由王芳编写；第10章由魏峰编写。阎高伟教授主审了全书，并提出了许多宝贵的意见和建议，在此深表谢意。此外，还要感谢电子工业出版社编辑牛平月女士为本书的出版所付出的辛勤工作。
本教材适用学时数为40～56（2.5～3.5学分），章节编排具有相对独立性，使教师与学生便于取舍，也便于不同层次院校的不同专业选用，以适应不同教学学时的需要。
本书提供配套的电子课件，可登录华信教育资源网：www.hxedu.com.cn，注册后免费下载。
由于编者水平有限，错误和不妥之处在所难免，敬请读者指正。
编 者
李国勇，太原理工大学教授，山西省电机工程协会会员、山西省自动化协会会员，主要授课课程：自动控制原理、现代控制理论基础、过程控制系统、系统仿真及机辅分析、可编程控制器编程与应用、最优控制理论、人工智能及其应用、基于MATLAB的智能控制系统的分析与设计。
目 录
第1章 概述 （1）
1．1 过程控制的要求与任务 （1）
1．2 过程控制系统的组成与特点 （3）
1．2．1 过程控制系统的组成 （3）
1．2．2 过程控制系统特点 （5）
1．3 过程控制系统的性能指标 （6）
1．3．1 单项性能指标 （7）
1．3．2 综合性能指标 （7）
1．4 过程控制系统的设计 （8）
1．4．1 确定系统变量 （9）
1．4．2 确定控制方案 （10）
1．4．3 过程控制系统硬件选择 （10）
1．4．4 设计安全保护系统 （11）
1．4．5 系统调试和投运 （11）
1．5 过程控制的发展与趋势 （12）
1．5．1 过程控制装置的进展 （12）
1．5．2 过程控制策略的进展 （15）
本章小结 （15）
习题 （16）
第2章 被控过程的数学模型 （17）
2．1 过程模型概述 （17）
2．1．1 被控过程的动态特性 （17）
2．1．2 数学模型的表达形式与要求 （20）
2．1．3 建立过程数学模型的基本方法 （23）
2．2 机理法建模 （24）
2．2．1 单容对象的传递函数 （24）
2．2．2 多容对象的传递函数 （29）
2．3 测试法建模 （32）
2．3．1 对象特性的实验测定方法 （32）
2．3．2 测定动态特性的时域法 （33）
2．3．3 测定动态特性的频域法 （40）
2．4 利用MATLAB建立过程模型 （42）
本章小结 （48）
习题 （48）
第3章 执行器 （50）
3．1 气动调节阀的结构 （50）
3．1．1 气动执行机构 （50）
3．1．2 阀 （51）
3．1．3 阀门定位器 （52）
3．2 调节阀的流量系数 （53）
3．2．1 调节阀的流量方程 （53）
3．2．2 流量系数的定义 （54）
3．2．3 流量系数计算 （55）
3．3 调节阀结构特性和流量特性 （59）
3．3．1 调节阀的结构特性 （60）
3．3．2 调节阀的流量特性 （62）
3．3．3 调节阀的可调比 （66）
3．4 气动调节阀的选型 （68）
3．4．1 调节阀结构形式的选择 （69）
3．4．2 调节阀气开与气关形式的选择 （69）
3．4．3 调节阀流量特性的选择 （70）
3．4．4 调节阀口径的确定 （71）
3．5 利用MATLAB确定调节阀的口径 （78）
本章小结 （84）
习题 （84）
第4章 PID控制原理 （86）
4．1 PID控制的特点 （86）
4．2 比例控制（P控制） （87）
4．2．1 比例控制的调节规律和比例带 （87）
4．2．2 比例控制的特点 （88）
4．2．3 比例带对控制过程的影响 （90）
4．3 比例积分控制（PI控制） （92）
4．3．1 积分控制的调节规律 （92）
4．3．2 比例积分控制的调节规律 （94）
4．3．3 积分饱和现象与抗积分饱和的措施 （95）
4．4 比例积分微分控制（PID控制） （97）
4．4．1 微分控制的调节规律 （97）
4．4．2 比例微分控制的调节规律 （97）
4．4．3 比例微分控制的特点 （98）
4．4．4 比例积分微分控制的调节规律 （99）
4．5 数字PID控制 （100）
4．5．1 基本的数字PID控制算法 （101）
4．5．2 改进的数字PID控制算法 （102）
4．6 利用MATLAB实现PID控制规律 （104）
本章小结 （108）
习题 （109）
第5章 简单控制系统 （110）
5．1 简单控制系统的分析 （110）
5．1．1 控制系统的工作过程 （110）
5．1．2 简单控制系统的组成 （111）
5．1．3 简单离散控制系统的组成 （113）
5．2 简单控制系统的设计 （114）
5．2．1 被控变量和操作变量的选择 （114）
5．2．2 检测变送仪表的选择 （117）
5．2．3 控制器的选型 （119）
5．3 简单控制系统的整定 （123）
5．3．1 控制器参数整定的基本要求 （124）
5．3．2 PID控制器参数的工程整定 （125）
5．3．3 PID控制器参数的自整定 （133）
5．4 简单控制系统的投运 （135）
5．5 简单控制系统的故障与处理 （137）
5．6 利用MATLAB对简单控制系统进行仿真 （139）
5．6．1 利用MATLAB对PID控制器参数进行整定 （139）
5．6．2 利用Simulink对PID控制器参数进行自整定 （142）
本章小结 （146）
习题 （146）
第6章 串级控制系统 （148）
6．1 串级控制系统的基本概念 （148）
6．1．1 串级控制的提出 （148）
6．1．2 串级控制系统的组成 （151）
6．1．3 串级控制系统的工作过程 （151）
6．2 串级控制系统的分析 （153）
6．2．1 增强系统的抗干扰能力 （153）
6．2．2 改善对象的动态特性 （155）
6．2．3 对负荷变化有一定的自适应能力 （157）
6．3 串级控制系统的设计 （157）
6．3．1 副回路的选择 （158）
6．3．2 主、副回路工作频率的选择 （159）
6．3．3 主、副控制器的选型 （162）
6．4 串级控制系统的整定 （164）
6．4．1 逐步逼近法 （165）
6．4．2 两步整定法 （165）
6．4．3 一步整定法 （166）
6．5 串级控制系统的投运 （167）
6．6 利用MATLAB对串级控制系统进行仿真 （167）
本章小结 （173）
习题 （173）
第7章 补偿控制系统 （174）
7．1 补偿控制的原理 （174）
7．2 前馈控制系统 （175）
7．2．1 前馈控制的概念 （175）
7．2．2 前馈控制系统的结构 （176）
7．2．3 前馈控制系统的设计 （182）
7．2．4 前馈控制系统的整定 （186）
7．3 大迟延控制系统 （189）
7．3．1 大迟延系统的概述 （189）
7．3．2 大迟延控制系统的设计 （189）
7．4 利用MATLAB对补偿控制系统进行仿真 （194）
本章小结 （197）
习题 （198）
第8章 特殊控制系统 （199）
8．1 比值控制系统 （199）
8．1．1 比值控制的概念 （199）
8．1．2 比值控制系统的类型 （200）
8．1．3 比值控制系统的设计 （204）
8．1．4 控制器的选型和整定 （211）
8．2 均匀控制系统 （213）
8．2．1 均匀控制的概念 （213）
8．2．2 均匀控制系统的设计 （214）
8．2．3 均匀控制系统的整定 （217）
8．3 分程控制系统 （218）
8．3．1 分程控制的概念 （218）
8．3．2 分程控制系统的应用 （219）
8．3．3 分程控制系统的实施 （222）
8．4 自动选择性控制系统 （225）
8．4．1 自动选择性控制的概念 （225）
8．4．2 自动选择性控制系统的类型 （225）
8．4．3 控制器的选型和整定 （228）
8．5 顺序控制系统 （230）
8．5．1 顺序控制的概念 （230）
8．5．2 顺序控制组成 （230）
8．3．3 顺序控制的表示及设计方法 （231）
8．6 利用MATLAB对特殊控制系统进行仿真 （234）
本章小结 （238）
习题 （238）
第9章 解耦控制系统 （240）
9．1 解耦控制的基本概念 （240）
9．1．1 控制回路间的耦合 （240）
9．1．2 被控对象的典型耦合结构 （241）
9．2 解耦控制系统的分析 （242）
9．2．1 耦合程度的分析 （242）
9．2．2 相对增益分析法 （243）
9．2．3 减少及消除耦合的方法 （249）
9．3 解耦控制系统的设计 （251）
9．3．1 前馈补偿解耦法 （251）
9．3．2 反馈解耦法 （254）
9．3．3 对角阵解耦法 （255）
9．3．4 单位阵解耦法 （256）
9．4 解耦控制系统的实施 （257）
9．4．1 解耦控制系统的稳定性 （257）
9．4．2 多变量控制系统的部分解耦 （258）
9．4．3 解耦控制系统的简化 （258）
9．5 利用MATLAB对解耦控制系统进行仿真 （259）
本章小结 （263）
习题 （264）
第10章 计算机过程控制系统 （266）
10．1 计算机过程控制系统简介 （266）
10．2 计算机过程控制系统的组成 （267）
10．3 计算机过程控制系统的类型 （268）
10．4 先进过程控制方法 （273）
本章小结 （277）
习题 （277）
第11章 电厂锅炉设备的控制 （278）
11．1 火力发电厂工艺流程 （278）
11．2 锅炉给水控制系统 （279）
11．2．1 概述 （279）
11．2．2 给水系统的主被调参数、调节参数及控制方式 （280）
11．2．3 给水系统的对象特性 （281）
11．2．4 给水系统的控制方案 （283）
11．3 锅炉主蒸汽温度控制 （285）
11．3．1 概述 （285）
11．3．2 气温控制的被调参数和调节参数及对象特性 （285）
11．3．3 过热汽温控制基本方案 （287）
11．4 锅炉燃烧控制系统 （290）
11．4．1 燃烧控制的任务 （290）
11．4．2 燃烧系统的被调参数及控制参数 （291）
11．4．3 燃烧系统对象的动态特性 （291）
11．4．4 燃烧系统的控制方案 （293）
附录A 仪表位号 （297）
参考文献 （299）
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