控制工程手册（上）

孙优贤 工业自动化专家，中国工程院院士。在现代控制工程领域取得重大研究成果。针对复杂工业系统的高度不确定性、高度非线性、高度关联性、特大纯滞后和信息不完全性等特点，创造性地提出了一整套系统建模技术、先进控制技术、在线优化技术、故障诊断技术、容错控制技术、系统集成技术和综合自动化技术，并在大型工业装置中得到成功应用，初步建立了现代控制工程的方法论体系。领导建立了我国**个国家工程研究中心，创造性地解决了制浆、造纸、生物化工等大型生产线计算机控制系统软件总体设计中的重大关键技术，成功地研制了Supcon 集散控制系统、现场总线控制系统、Suny TDCS9200工业控制计算机系统，以及综合自动化系统的硬件平台和软件平台，并实现了产业化，在制浆造纸、生物化工自动化工程领域，针对大型企业的各个生产过程，建立了24种动态数学模型，开发了25种高级控制算法，18种计算机控制系统，研制了6种造纸专用仪表和12个软测量软件，并在20多个省市推广应用，取得了重大的经济效益。获得国家科技进步二、三等各1项，国家教学成果奖2项，省部级科技进步一、二等奖15项。

绪论1

第1篇自动检测仪表011

第1章测量技术基础12

1.1测量方法12

1.2测量误差及测量不确定度12

第2章温度测量仪表15

2.1概述15

2.2电接点温度计18

2.3热电偶22

2.4热电阻34

2.5辐射式测温仪表38

2.6红外测温仪表45

2.7红外热像仪46

2.8光导纤维红外测温仪47

参考文献49

第3章压力测量仪表50

3.1压力的概念及单位50

3.2应变式压力（差压）变送器52

3.3电容式压力（差压）变送器56

3.4差动电感压力（差压）变送器60

3.5振弦式压力（差压）变送器63

3.6硅谐振式压力（差压）变送器65

3.7压力开关68

3.8压力（差压）变送器安装与维护70

参考文献73

第4章流量测量仪表74

4.1概论74

4.2容积式流量计76

4.3浮子流量计80

4.4涡轮流量计83

4.5旋涡流量计89

4.6电磁流量计96

4.7超声流量计101

4.8节流式流量计107

4.9质量流量计117

4.10插入式流量计121

4.11明渠流量计123

4.12多相流测量127

参考文献139

第5章物位测量仪表141

5.1物位测量仪表及分类141

5.2浮力式液位计141

5.3差压式液位计146

5.4电容式物位测量仪表149

5.5超声波物位测量仪表151

5.6射线式物位测量仪表153

5.7雷达物位计155

参考文献159

第6章在线分析仪表160

6.1概述160

6.2热导式气体分析仪161

6.3红外气体分析仪165

6.4氧化锆氧分析仪170

6.5工业色谱分析仪174

6.6质谱仪及色谱质谱联用仪178

6.7pH计186

6.8工业电导率仪190

6.9半导体激光气体分析仪194

参考文献201

第7章机械量测量仪表202

7.1位移与角度传感器202

7.2速度测量仪表219

7.3转矩检测仪表227

7.4测力称重式仪表236

7.5核辐射测厚仪表246

7.6机器视觉250

7.7陀螺经纬仪253

参考文献257

第8章显示仪表258

8.1概述258

8.2模拟式显示仪表258

8.3数字显示仪表264

8.4智能显示仪表267

参考文献269

第9章执行机构和控制阀270

9.1执行器270

9.2气动执行器结构及分类 271

9.3控制阀274

9.4执行器的选型原则280

9.5电动执行器282

9.6智能式执行机构284

参考文献285

第10章防爆安全技术286

10.1防爆基础286

10.2仪表防爆技术292

10.3防爆仪表通用要求301

10.4隔爆型仪表306

10.5本质安全仪表309

10.6本质安全仪表系统317

参考文献327

第2篇计算机控制系统329

第1章可编程控制器PLC336

1.1概述336

1.2PLC的硬件系统340

1.3PLC软件配置350

1.4PLC应用系统设计356

1.5PLC应用系统软件设计365

1.6大中型PLC工程应用实例369

1.7PLC应用小程序实例374

参考文献376

第2章集散控制系统DCS377

2.1概述377

2.2通信网络381

2.3主要站点配置385

2.4异构系统互联407

2.5IEC 61131=3标准编程语言413

2.6高级应用421

2.7DCS大规模网络设计429

2.8国内外主要DCS产品434

2.9系统选型444

2.10工程应用446

2.11DCS的抗干扰措施464

2.12DCS应用案例466

参考文献478

第3章安全仪表系统SIS479

3.1概述479

3.2功能安全概论484

3.3安全仪表系统的硬件配置498

3.4安全仪表系统的软件配置506

3.5安全仪表系统的工程应用541

参考文献556

第4章成套专用控制系统557

4.1概述557

4.2成套专用控制系统的硬件系统558

4.3成套专用控制系统的软件系统563

4.4造纸过程成套专用控制系统564

4.5制药过程成套专用控制系统597

第5章监控软件617

5.1概述617

5.2监控软件主要功能和主要组成模块622

5.3监控软件的典型应用示例655

5.4监控软件的发展趋势662

5.5国内外监控软件产品简介665

参考文献671

第6章现场总线与工业以太网672

6.1概述672

6.2现场总线技术基础674

6.3主流现场总线技术679

6.4工业以太网725

6.5基于现场总线的网络化控制系统与互联技术746

6.6现场设备管理系统750

6.7现场总线的工程应用757

参考文献759

第7章工业物联网技术761

7.1概述761

7.2工业物联网关键技术762

7.3工业物联网相关标准766

7.4工业物联网典型应用776

参考文献786

第3篇控制工程方法787

第1章单回路控制器788

1.1传统PID控制方法788

1.2PID控制器的参数整定793

1.3新型PID控制方法798

1.4自抗扰控制器805

参考文献811

第2章先进控制813

2.1复杂控制系统813

2.2模型预测控制825

2.3自适应控制系统852

2.4最优控制862

2.5解耦控制869

参考文献875

第3章智能控制877

3.1智能控制基础877

3.2模糊控制880

3.3神经网络控制905

3.4专家控制932

参考文献956

第4章伺服控制958

4.1伺服系统及控制技术简介958

4.2电动伺服控制961

4.3气动伺服控制970

4.4液压伺服控制978

参考文献990

第5章间歇控制991

5.1间歇过程991

5.2间歇过程的控制994

5.3间歇过程控制实例——注塑成型过程控制1016

参考文献1037

第4篇控制工程技术1039

第1章信号处理和数据校正技术1040

1.1概述1040

1.2计算机数字信号处理1041

1.3过程数据校正1045

参考文献1052

第2章系统建模技术1054

2.1概述1054

2.2机理建模技术1054

2.3系统辨识技术1057

2.4智能建模技术1064

2.5混合建模技术1067

参考文献1070

第3章软测量技术1072

3.1软测量的基本概念1072

3.2基于机理分析的软测量建模技术1073

3.3基于回归分析的软测量建模技术1082

3.4基于状态估计的软测量技术1087

3.5基于支持向量机的软测量建模技术1091

3.6软测量系统的工程设计1096

参考文献1105

第4章过程优化技术1106

4.1最优化问题的基本概念1106

4.2最优化方法1108

4.3典型过程优化的工业应用1126

4.4过程优化商业软件简介1138

参考文献1141

第5章性能评估技术1142

5.1性能评估技术简介1142

5.2控制器性能评估流程1144

5.3控制器性能评估方法与技术1146

5.4控制器性能评估工业应用1156

参考文献1160

第6章故障诊断技术1162

6.1控制系统故障诊断技术1162

6.2动设备故障诊断技术1172

6.3故障预测技术1191

参考文献1196

第7章安全性技术1198

7.1概述1198

7.2功能安全1198

7.3控制系统网络安全1211

参考文献1216

索引1217

2100433B

《控制工程手册》分上、下册，本书是上册，包括4篇内容，第1篇是自动检测仪表，包括测量技术基

础，温度、压力、流量、物位测量仪表，在线分析仪表，机械量测量仪表，显示仪表，执行机构和控制阀，*后还介绍了防爆安全技术。第2篇是计算机控制系统，内容包括可编程控制器PLC、集散控制系统DCS、安全仪表系统SIS、成套专用控制系统、监控软件、现场总线与工业以太网以及工业物联网。第3篇是控制工程方法，内容包括单回路控制器、*进控制、智能控制、伺服控制和间歇控制。第4篇是控制工程技术，包括信号处理和数据校正技术、系统建模技术、软测量技术、过程优化技术、性能评估技术、故障诊断技术、安全性技术。

手册着力创新，突破了自动控制在流程工业中应用的限制，首次将装备自动化、企业能源管理、公用工程自动化纳入控制工程体系中来，既有传统专业知识的介绍，更有在探索和研究中的新技术、新方法。

本手册是面向控制领域工程技术人员和高校师生的实用型手册，旨在启迪人们的创新思维。

《控制工程手册》分上、下册，本书是上册，包括4篇内容，第1篇是自动检测仪表，包括测量技术基础，温度、压力、流量、物位测量仪表，在线分析仪表，机械量测量仪表，显示仪表，执行机构和控制阀，*后还介绍了防爆安全技术。第2篇是计算机控制系统，内容包括可编程控制器PLC、集散控制系统DCS、安全仪表系统SIS、成套专用控制系统、监控软件、现场总线与工业以太网以及工业物联网。第3篇是控制工程方法，内容包括单回路控制器、*进控制、智能控制、伺服控制和间歇控制。第4篇是控制工程技术，包括信号处理和数据校正技术、系统建模技术、软测量技术、过程优化技术、性能评估技术、故障诊断技术、安全性技术。

手册着力创新，突破了自动控制在流程工业中应用的限制，首次将装备自动化、企业能源管理、公用工程自动化纳入控制工程体系中来，既有传统专业知识的介绍，更有在探索和研究中的新技术、新方法。

本手册是面向控制领域工程技术人员和高校师生的实用型手册，旨在启迪人们的创新思维。

第5篇工业过程控制001

第1章典型单元生产过程控制2

1.1流体输送过程控制3

1.2传热过程的控制15

1.3精馏过程控制27

1.4反应过程的控制38

1.5煤气化过程控制48

参考文献55

第2章炼油生产过程控制56

2.1炼油工业概述56

2.2常减压生产过程控制58

2.3催化裂化67

2.4催化重整75

2.5延迟焦化82

2.6油品调合87

参考文献92

第3章石化生产过程控制94

3.1乙烯生产全过程自动控制95

3.2芳烃联合装置自动控制118

3.3精对苯二甲酸生产自动控制138

3.4聚酯过程自动控制156

参考文献163

第4章氯碱与化肥生产过程控制165

4.1大型制碱装置的过程控制165

4.2聚氯乙烯过程控制168

4.3合成氨装置过程控制174

4.4尿素装置过程控制178

参考文献184

第5章煤化工过程自动控制185

5.1煤焦化过程自动控制186

5.2煤气化过程自动控制190

5.3合成气制甲醇生产过程自动控制198

5.4甲醇下游化工过程自动控制206

参考文献211

第6章火力发电过程控制213

6.1火力发电生产过程213

6.2常规控制系统控制器参数优化设计226

6.3发电生产过程建模方法236

6.4单元机组负荷控制系统优化设计240

6.5给水控制系统优化设计253

6.6汽温控制系统优化设计259

6.7燃烧控制系统优化设计264

6.8汽轮机控制系统优化设计267

参考文献280

第7章新能源发电自动控制281

7.1核能发电自动控制281

7.2风力发电自动控制288

7.3太阳能发电自动控制294

7.4生物质能发电自动控制311

7.5水力发电自动控制316

参考文献328

第8章钢铁生产过程控制329

8.1概述329

8.2炼铁生产过程自动化330

8.3炼钢生产过程自动化343

8.4轧钢生产过程自动控制359

参考文献376

第9章有色冶金生产过程控制378

9.1概述378

9.2选矿自动控制380

9.3轻金属冶炼自动控制387

9.4重金属冶炼自动控制394

9.5有色金属加工自动控制402

参考文献408

第10章造纸生产自动控制409

10.1概述409

10.2制浆过程自动控制412

10.3碱回收过程自动控制421

10.4造纸过程自动控制431

参考文献438

第11章食品加工过程控制439

11.1食品加工常用单元控制439

11.2微生物反应过程控制446

11.3分离过程自动化455

11.4蒸发与干燥过程控制464

11.5配方生产过程综合自动化471

参考文献481

第12章生物制药过程自动控制482

12.1生物制药对自动化的需求482

12.2生物制药过程及控制483

12.3典型生物制药过程模型化493

12.4数据驱动的生物制药过程产量预报506

12.5生物制药过程的最优控制和调度508

参考文献515

第13章水泥生产过程自动控制516

13.1水泥生产工艺与自动控制系统介绍516

13.2生料制备系统519

13.3熟料煅烧系统545

参考文献580

第14章城市供水与污水处理过程自动控制583

14.1城市供水与污水处理过程工艺概述583

14.2城市供水与污水处理过程的检测585

14.3城市供水过程自动化系统590

14.4城市污水处理过程自动化系统599

参考文献603

第6篇工业装备控制605

第1章数控系统606

1.1概述606

1.2计算机数控（CNC）装置及相关的控制方法617

1.3数控伺服系统642

1.4典型数控系统652

1.5国内外最新数控系统技术661

附录Ⅰ数控系统的常用术语668

附录Ⅱ数控系统的技术标准672

参考文献672

第2章工业机器人674

2.1工业机器人发展简述674

2.2工业机器人的结构类型674

2.3工业机器人的传感器、驱动器与控制器677

2.4工业机器人控制基础683

2.5工业机器人相关标准711

2.6工业机器人编程环境及作业工具719

2.7典型工业机器人应用工程案例724

参考文献729

第3章工程机械控制系统730

3.1工程机械概述730

3.2工程机械控制系统753

3.3工程机械的感知部件755

3.4工程机械控制部件776

3.5工程机械执行器件791

3.6工程机械常用控制方法及应用841

3.7工程机械控制类产品相关标准876

3.8大型掘进装备自动控制技术885

参考文献891

第4章轨道交通列车运行控制系统893

4.1绪论893

4.2城市轨道交通列车运行控制系统894

4.3高速铁路列车运行控制系统897

4.4列车运行控制各子系统原理和结构903

4.5列车运行控制系统关键技术930

第7篇企业能源管理973

第1章企业能源管理模式与能源管理系统974

1.1企业能源管理模式974

1.2企业能源管理系统定位 976

1.3企业能源管理系统技术的发展展望980

第2章企业能源管理主要功能981

2.1能源监控子系统981

2.2能源计划调度子系统982

2.3能源分析管理子系统985

2.4钢铁企业能源管理功能举例986

第3章企业能源管理关键技术990

3.1企业能源监控技术990

3.2企业能效评估和分析991

3.3能源动态平衡和优化调度技术997

3.4全流程能量系统全局优化1001

参考文献1017

第4章钢铁企业能源管理系统1019

4.1钢铁生产工艺流程及其能源系统1019

4.2能源管理系统的组成结构1020

4.3能源管理系统功能1024

4.4济钢能源管理系统实例1032

4.5首钢京唐钢铁公司能源优化管理系统1036

4.6煤气热值和压力的智能调控1037

4.7煤气计量的平衡认证系统1046

4.8余热余能回收利用智能控制1053

4.9钢铁企业智能电力系统1056

参考文献1061

第5章石化企业能源管理系统1062

5.1石化企业能源管理系统概述1062

5.2石化企业整厂用能优化策略及应用1064

5.3石化企业能源管理中心典型案例1065

5.4蒸汽动力系统运营优化1068

5.5瓦斯平衡与优化调度1086

5.6基于夹点技术的换热网络优化设计1091

5.7空分装置流程协调与节能优化控制1092

参考文献1097

第6章水泥企业能源管理系统1100

6.1水泥工艺及控制对象1100

6.2水泥企业能源管理系统设计1101

6.3水泥企业能源管理的关键技术1107

6.4水泥企业能源管理的应用及效果1110

参考文献1111

第7章有色企业能源管理系统1112

7.1有色冶金企业能源管理系统概况1112

7.2基于评价指标的蒸发过程节能优化1116

7.3铜冶炼企业能源管理系统1118

参考文献1124

第8章电力企业能源管理系统1125

8.1电厂能源管理体系的建立1125

8.2火电厂能源审计研究1128

8.3火力发电厂生产工艺流程分析1133

8.4节能降耗管理措施1137

8.5某热电厂耗能设备存在的主要问题及节能改造分析1141

参考文献1152

第8篇智能工程控制1153

第1章智能电网1154

1.1智能电网内涵1154

1.2厂网协调控制1156

1.3间歇性可再生能源并网控制1158

1.4基于物联网的输变电设备监测与控制1161

1.5大电网稳定控制1165

1.6智能微网与配电网控制1167

1.7电能质量控制1169

1.8储能装置和电动汽车充电装置控制1173

1.9智能变电站1177

参考文献1179

第2章智能交通1183

2.1智能交通系统综述1183

2.2智能交通系统的基本理论1194

2.3智能交通系统的关键技术1204

2.4智能交通路口信号控制系统1207

2.5智能交通的交通流状态预测1217

2.6智能交通应用与交通仿真1233

2.7智能交通新技术与智能交通系统发展1252

参考文献1267

第3章智能建筑1269

3.1智能建筑相关设计标准1269

3.2智能建筑控制技术1270

3.3智能建筑控制系统案例1287

参考文献1318

第4章智慧矿山1319

4.1概述1319

4.2智慧矿山的构架设计1323

4.3智慧矿山的建设1325

4.4智慧矿山的规划实施1350

参考文献1353

索引1354

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本书是面向控制领域工程技术人员和高校师生的实用型手册，旨在启迪相关行业从业人员的创新思维。