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第1章 过程控制系统及仿真概述1

1.1 过程控制的任务与目标1

1.2 过程控制系统的组成与特点2

1.3 过程控制系统的分类4

1.3.1 一般分类4

1.3.2 按设定值形式分类5

1.3.3 按系统的结构特点分类5

1.4 过程控制系统的性能指标6

1.4.1 时域控制性能指标6

1.4.2 综合控制性能指标7

1.5 过程控制系统的MATLAB计算与仿真8

1.5.1 控制系统计算机仿真8

1.5.2 控制系统的MATLAB计算与仿真8

第2章 MATLAB与Simulink基础10

2.1 MATLAB系统概述10

2.1.1 MATLAB简介10

2.1.2 MATLAB使用简介11

2.1.3 MATLAB编程基础14

2.2 MATLAB数值计算功能15

2.2.1 MATLAB数据类型15

2.2.2 矩阵及其运算17

2.3 MATLAB图形功能20

2.3.1 二维图形的绘制20

2.3.2 三维图形的绘制23

2.4 程序设计25

2.4.1 M文件25

2.4.2 流程控制语句26

2.5 Simulink仿真基础28

2.5.1 Simulink的基本操作28

2.5.2 系统仿真及参数设置31

2.5.3 Simulink的基本模块34

2.6 Simulink仿真举例36

第3章 PID控制器40

3.1 概述40

3.2 比例调节器41

3.2.1 比例调节和比例带41

3.2.2 比例调节的特点42

3.3 积分调节器47

3.3.1 积分调节器概述47

3.3.2 积分调节器的特点47

3.3.3 积分速度对控制系统的影响47

3.4 比例积分调节器49

3.4.1 比例积分调节49

3.4.2 比例积分调节器的特点50

3.4.3 比例积分调节器对系统过渡过程的影响50

3.4.4 积分饱和及防止54

3.5 比例微分调节器56

3.5.1 比例微分控制算法56

3.5.2 比例微分调节器的特点57

3.6 比例积分微分调节器59

3.6.1 比例积分微分调节器的表达式59

3.6.2 PID调节器的频率响应特性60

3.6.3 PID调节器的阶跃响应60

3.7 数字式PID调节器62

3.7.1 数字式PID控制算法的形式63

3.7.2 数字式PID控制算法的特点64

3.8 改进的PID控制算法65

3.8.1 积分分离PID控制算法65

3.8.2 抗积分饱和PID控制算法68

3.8.3 梯形积分PID控制算法71

3.8.4 变速积分PID控制算法71

3.8.5 微分先行PID控制算法74

3.8.6 比例先行I-PD控制算法77

3.8.7 带有死区的PID调节器78

3.9 PID调节器参数的工程整定78

3.9.1 PID调节器参数整定的原则79

3.9.2 PID调节器工程整定法的特点80

3.9.3 PID调节器参数的工程整定80

3.1 0 PID控制器参数的优化整定92

第4章 简单过程控制系统及Simulink仿真96

4.1 简单过程控制系统的组成96

4.2 简单过程控制系统的设计97

4.2.1 被控对象的动态特性97

4.2.2 被控变量的选择107

4.2.3 操纵变量的选择108

4.2.4 检测变送环节109

4.2.5 执行器（调节阀）的选择110

4.3 简单过程控制系统的Simulink仿真120

第5章 串级控制系统及Simulink仿真127

5.1 串级控制系统的基本原理和结构127

5.1.1 串级控制系统的基本概念127

5.1.2 串级控制系统的组成131

5.1.3 串级控制系统的工作过程132

5.2 串级控制系统的分析与设计135

5.2.1 串级控制系统的分析135

5.2.2 串级控制系统的设计143

5.3 串级控制系统控制器参数的整定153

5.3.1 逐步逼近法153

5.3.2 两步整定法153

5.3.3 一步整定法154

5.4 串级控制系统应用及Simulink仿真155

5.4.1 串级控制系统用于克服变化剧烈和幅值大的干扰155

5.4.2 串级控制系统用于克服对象的纯滞后159

5.4.3 串级控制系统用于克服对象的容量滞后160

5.4.4 串级控制系统用于克服对象特性的非线性164

第6章 特殊控制系统及Simulink仿真169

6.1 比值控制系统169

6.1.1 比值控制原理169

6.1.2 比值控制系统的结构类型169

6.2 比值控制系统设计172

6.2.1 主动量、从动量的选择172

6.2.2 控制方案的选择173

6.2.3 调节器控制规律的选择173

6.2.4 比值系数的计算173

6.2.5 实施方案的选择175

6.2.6 调节器参数的整定175

6.3 比值控制系统及Simulink仿真176

6.4 均匀控制系统185

6.4.1 均匀控制的概念185

6.4.2 均匀控制系统的特点186

6.5 均匀控制系统的结构形式187

6.5.1 简单均匀控制187

6.5.2 串级均匀控制187

6.5.3 双冲量均匀控制188

6.5.4 控制规律的选择189

6.5.5 均匀控制系统参数整定189

6.6 均匀控制系统及Simulink仿真189

6.7 分程控制系统193

6.7.1 分程控制的概念193

6.7.2 分程控制系统的应用194

6.7.3 分程控制应用中的几个问题196

6.7.4 分程控制的应用197

6.8 选择性控制系统198

6.8.1 选择性控制的概念198

6.8.2 选择性控制系统的类型198

6.8.3 选择性控制系统设计205

6.8.4 选择性控制系统的应用205

6.9 双重控制系统206

6.9.1 基本原理和结构206

6.9.2 双重控制系统设计207

6.9.3 双重控制系统的Simulink仿真207

6.1 0应用实例212

6.1 0.1 间歇式生产化学反应的分程控制213

6.1 0.2 精馏过程中冷凝器的选择性控制系统213

6.1 0.3 甲烷转化反应中的比值控制及比值报警系统214

6.1 0.4 隧道窑炉的串级及比值控制系统214

6.1 0.5 加热炉的安全联锁保护系统215

第7章 补偿控制系统及Simulink仿真216

7.1 前馈控制系统216

7.1.1 前馈控制系统的原理和特点216

7.1.2 前馈控制系统的基本结构218

7.2 前馈控制系统的设计221

7.2.1 前馈控制系统可实现的条件221

7.2.2 前馈控制器的实施221

7.2.3 前馈控制系统的参数整定222

7.3 前馈控制系统的Simulink仿真230

7.3.1 前馈控制系统230

7.3.2 前馈-反馈控制系统231

7.4 大时滞过程控制系统及Simulink仿真235

7.4.1 改进的常规控制方案236

7.4.2 预估补偿控制239

7.4.3 采样控制方案245

第8章 解耦控制系统246

8.1 多变量控制系统的耦合246

8.1.1 第一增益247

8.1.2 第二增益247

8.1.3 相对增益248

8.1.4 相对增益的性质249

8.1.5 多输入多输出系统的相对增益矩阵249

8.2 消除和减弱耦合的方法252

8.2.1 被控变量（输出变量）与操纵变量（输入变量）间的正确匹配252

8.2.2 控制器的参数整定253

8.2.3 减少控制回路253

8.2.4 串接解耦控制253

8.3 解耦控制系统设计253

8.3.1 对角阵解耦控制253

8.3.2 单位矩阵解耦控制257

8.3.3 前馈补偿解耦控制259

8.3.4 反馈解耦控制260

8.3.5 简化解耦控制系统262

8.4 解耦控制系统的Simulink仿真263

第9章 典型过程控制系统270

9.1 传热设备的控制系统270

9.1.1 传热设备的类型270

9.1.2 传热设备的控制目的270

9.1.3 换热器的控制271

9.1.4 蒸汽加热器的控制280

9.1.5 冷凝冷却器的控制281

9.2 锅炉设备的控制283

9.2.1 锅炉设备概述283

9.2.2 锅炉锅筒水位控制285

9.2.3 锅炉燃烧控制系统296

参考文献311