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基本信息

书名:过程控制系统及工程应用

定价：25.00元

售价：17.5元,便宜7.5元,折扣70

作者:蔡大泉 ... 著

出版社：中国电力出版社

出版日期：2010-11-01

ISBN：9787512307940

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.259kg

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内容提要

本书概要介绍了过程控制系统的基本概念，深入分析了过程控制中常用检测与控制仪表的原理与工程选型、过程执行器的类型及特性，详细讨论了被控过程的特性及建模方法，具体论述了简单控制系统的设计与参数整定、复杂控制系统的控制策略，并对近年来发展迅速的计算机过程控制技术，如集散控制系统、现场总线技术、组态软件作了重点介绍。后，以工程实例为基础，对过程控制系统的设计与实际应用进行了深入分析。
　　本书侧重理论联系实际，内容深入浅出，可作为高校自动化、电气工程及自动化、测控技术与仪器、过程装备与控制工程、化学工程等专业的教材或参考书，也司供电力、石化、冶金、化工、轻工等行业的工程技术人员和研究人员参考。

目录

前言
章 绪论
　节 过程控制概述
　第二节 过程控制技术的发展
　第三节 过程控制系统的组成
　第四节 过程控制系统的分类及性能指标
第二章 检测与控制仪表
　节 检测仪表的组成及应用
　第二节 测量误差及处理
　第三节 过程参数检测
　第四节 可编程序控制器plc
第三章 过程执行器
　节 执行器的类型
　第二节 调节阀
第四章 被控过程特性及建模
　节 被控过程的数学模型
　第二节 典型被控过程的动态特性
　第三节 常用被控过程数学模型的建模方法
第五章 简单控制系统设计及参数整定
　节 简单过程控制系统概述
　第二节 位式控制
　第三节 pid控制
　第四节 单回路pid调节器参数的整定
　第五节 单回路pid调节器控制规律的选择
第六章 复杂控制系统
　节 串级控制系统
　第二节 前馈控制系统
　第三节 时间滞后控制系统
　第四节 比值控制系统
　第五节 均匀控制系统
　第六节 超弛控制系统
　第七节 分程控制系统
　第八节 阀位控制系统
　第九节 解耦控制系统
第七章 计算机过程控制系统
　节 概述
　第二节 集散控制系统
　第三节 现场总线技术
　第四节 组态软件
第八章 过程控制系统实例
　节 工业锅炉设备的控制
　第二节 多功能过程与控制仿真实验系统
参考文献

作者介绍

文摘

序言

《现代化工过程优化与控制》 简介 本书旨在为读者提供一个关于现代化工过程优化与控制的全面而深入的视角。在日新月异的工业技术浪潮中，化工行业的持续发展与进步，很大程度上依赖于其对生产过程的精细化管理和智能化调控。本书正是在这样的背景下应运而生，力求系统性地梳理化工过程控制的核心理论，并将其与前沿的优化技术相结合，为工程实践提供切实可行的指导。 本书的编写，首先强调的是理论的扎实根基。我们将从经典的控制理论出发，例如PID控制、状态空间法、模型预测控制（MPC）等，深入剖析其基本原理、数学模型以及在化工过程中的适用性。然而，本书并非止步于经典理论的复述。我们更着力于探索这些理论在现代化工生产中的演变与发展，以及如何克服实际生产中遇到的挑战，如非线性、时滞、不确定性等。 在理论部分，我们将详细阐述不同控制策略的优劣势，并结合具体的化工单元操作，如反应器、精馏塔、换热器等，演示如何根据过程特性选择和设计合适的控制器。例如，对于高阶、强耦合的反应过程，模型预测控制将是重要的论述对象。我们将深入探讨其模型构建、优化求解以及在应对动态变化方面的优势。同时，对于一些难以建立精确模型的过程，我们将介绍基于数据驱动的控制方法，如模糊逻辑控制、神经网络控制等，展示它们如何利用历史数据和经验知识实现有效的控制。 本书的另一核心内容，是优化技术在化工过程中的集成应用。优化并非仅仅是为了实现某个单一指标的最优，而是要综合考虑经济效益、能源消耗、环境保护、产品质量以及操作安全性等多个维度。我们将介绍一系列常用的优化算法，包括线性规划、非线性规划、整数规划、遗传算法、粒子群优化等，并详细说明它们在化工过程中的具体应用场景。 例如，在生产计划的制定方面，本书将探讨如何通过优化算法来确定最佳的生产调度、物料分配和设备运行策略，以最大化利润或最小化成本。在过程操作的优化方面，我们将介绍如何利用优化技术来寻找最佳的操作参数，如反应温度、压力、流量、停留时间等，以提高产率、降低能耗，并减少副产物的生成。此外，本书还将关注如何通过实时优化技术，使过程在动态变化的环境中始终保持在最优或近优状态，从而提高整体的经济效益和竞争力。 本书在内容编排上，力求理论与实践的紧密结合。每个理论章节之后，都会配有精心设计的工程案例研究。这些案例取材于真实的化工生产场景，涵盖了石油化工、精细化工、制药、食品等多个领域。通过对这些案例的深入分析，读者可以直观地理解理论知识的实际应用，掌握如何将抽象的控制策略转化为具体的工程设计和操作规程。 在案例研究部分，我们不仅会展示如何应用所学的控制和优化技术来解决具体问题，还会讨论在实际工程中可能遇到的挑战，例如传感器噪声、执行器延迟、模型失配、以及如何进行系统辨识和参数整定等。我们将引导读者思考如何在复杂多变的生产环境中，做出合理而有效的决策。 本书特别关注当前化工行业面临的紧迫课题，如绿色化工和可持续发展。我们将探讨如何利用先进的控制和优化技术，实现节能减排，降低污染物排放，提高资源利用效率。例如，通过优化反应条件，减少副产物和废弃物的产生；通过智能控制，降低能源消耗；通过过程集成，实现能量的梯级利用。 此外，本书还对化工过程控制的未来发展趋势进行了展望。我们将介绍人工智能、大数据分析、物联网（IoT）、数字孪生等新兴技术在化工过程控制与优化中的潜在应用，以及它们将如何重塑未来的化工生产模式。例如，利用大数据分析进行故障诊断和预测性维护；构建数字孪生模型，进行虚拟仿真和远程监控；应用人工智能实现自适应和自主控制。 本书的目标读者群体广泛，包括但不限于： 化工专业本科生和研究生： 为他们提供扎实的理论基础和前沿的工程视野，为未来的科研和工程实践打下坚实基础。 化工企业从事过程控制、自动化、工艺设计和生产管理的工程师： 为他们提供解决实际生产问题的工具和方法，提升生产效率和经济效益。 从事相关领域科研和教学的专家学者： 作为一本参考书，提供最新的研究动态和理论进展。 对现代化工过程控制与优化感兴趣的读者： 帮助他们系统地了解该领域的核心概念和应用。 本书的编写团队汇聚了在化工过程控制与优化领域具有丰富理论和实践经验的专家。他们致力于将复杂的概念以清晰易懂的方式呈现给读者，并确保内容的科学性和前沿性。 我们相信，《现代化工过程优化与控制》将成为一本 invaluable 的参考书，为推动化工行业的智能化、绿色化和可持续发展贡献力量。阅读本书，您将获得理解和驾驭复杂化工过程的能力，从而在不断发展的工业环境中取得成功。 第一章 绪论 本章将首先介绍化工过程控制与优化的重要性及其在现代工业中的地位。我们将阐述化工过程的复杂性，以及精确控制和智能优化对于提升生产效率、保证产品质量、降低生产成本、保障安全环保的关键作用。 1.1 化工过程控制的意义与挑战 化工生产的特点：连续性、复杂性、耦合性、非线性。 过程控制的目标：稳定性、精确性、经济性、安全性、环保性。 传统控制方法面临的挑战：模型不确定性、环境变化、多变量耦合。 1.2 过程优化在化工中的应用 优化控制与监控的协同。 经济效益驱动的优化：产量最大化、成本最小化。 资源与环境约束下的优化：节能减排、可持续发展。 1.3 本书的研究内容与结构安排 本书的核心理论与技术概述。 工程应用与案例研究的介绍。 未来发展趋势的展望。 1.4 相关术语定义与符号约定 对本书中出现的关键术语进行解释。 统一本书使用的数学符号与约定。 第二章 化工过程建模基础 扎实的模型是设计有效控制策略和优化算法的前提。本章将深入探讨化工过程建模的常用方法。 2.1 质量守恒与能量守恒方程 化工过程的基本物理原理。 建立连续和间歇过程的质量平衡方程。 建立能量平衡方程，考虑相变与反应热。 2.2 动量守恒方程与传质传热方程 流体力学在过程建模中的应用。 传质与传热过程的数学描述。 化工单元操作的典型模型：反应器、精馏塔、换热器等。 2.3 经验模型与统计模型 当第一性原理模型难以建立或过于复杂时，经验模型的作用。 基于历史数据的回归分析模型。 时间序列模型，如ARIMA模型。 2.4 非线性与时滞模型的处理 化工过程中常见的非线性现象及其建模方法，如泰勒展开、分段线性化。 过程时滞的识别与建模。 2.5 模型辨识 模型参数的估计方法。 基于输入输出数据的模型辨识技术。 模型验证与评估。 第三章 PID控制及其改进 PID控制器作为最基础也是最广泛应用的控制器，在本章将进行详细的讲解。 3.1 PID控制器原理与结构 比例（P）、积分（I）、微分（D）环节的作用。 连续与离散PID控制器的数学表达式。 3.2 PID控制器参数整定方法 经验整定法：试凑法、Ziegler-Nichols方法。 模型参数整定法：内模控制（IMC）整定。 基于性能指标的优化整定。 3.3 PID控制器的应用局限与改进 在非线性、时变、多变量系统中的不足。 抗积分饱和、抗微分穿透等改进策略。 增量式PID、位置式PID。 3.4 串级控制、前馈控制与比值控制 提升控制性能的辅助控制结构。 在化工过程中的典型应用案例。 第四章 状态空间控制理论 本章介绍更具普适性的现代控制理论——状态空间法。 4.1 状态空间模型 连续与离散状态空间方程。 状态变量的选择与意义。 4.2 可控性与可观测性 判断系统是否可以通过输入进行控制。 判断系统状态是否可以通过输出进行估计。 可控规范型与可观测规范型。 4.3 反馈控制律设计 极点配置（Placement）原理。 状态反馈增益矩阵的计算。 线性二次型调节器（LQR）。 4.4 状态观测器设计 卡尔曼滤波器（Kalman Filter）。 Luenberger观测器。 4.5 在化工过程中的应用 多变量系统的控制。 处理耦合系统。 第五章 模型预测控制（MPC） MPC是现代化工过程控制的核心技术之一，本章将进行深入剖析。 5.1 MPC的基本原理 预测模型、滚动优化、反馈校正。 性能指标函数（Cost Function）。 约束处理。 5.2 线性MPC 线性系统模型下的MPC实现。 二次型规划（QP）求解。 5.3 非线性MPC 非线性系统模型与非线性优化。 求解非线性规划（NLP）面临的挑战。 5.4 MPC在化工过程中的典型应用 精馏塔、反应器、管网系统的控制。 考虑操作约束与安全限制。 5.5 MPC的鲁棒性与自适应性 应对模型不确定性。 模型更新与自适应MPC。 第六章 数据驱动的控制方法 当精确模型难以获得时，数据驱动方法成为重要的替代方案。 6.1 模糊逻辑控制 模糊集合与模糊规则。 模糊化、模糊推理、反模糊化。 在化工过程中的应用，如温度、压力控制。 6.2 神经网络控制 神经元模型与网络结构。 反向传播算法（BP）。 基于神经网络的预测与控制。 6.3 强化学习在过程控制中的应用 智能体、环境、奖励。 Q-learning、Deep Q-Network (DQN)。 在复杂动态系统中的潜力。 6.4 混合控制策略 结合模型控制与数据驱动控制的优势。 第七章 化工过程优化技术 本章介绍将优化算法应用于化工生产各个环节。 7.1 优化问题的数学描述 目标函数、约束条件。 连续变量与离散变量。 7.2 线性规划（LP） 单纯形法。 在生产调度、资源分配中的应用。 7.3 非线性规划（NLP） 梯度下降法、牛顿法。 序列二次规划（SQP）。 在过程操作参数优化中的应用。 7.4 混合整数规划（MIP） 整数变量的优化。 在生产计划与设备选型中的应用。 7.5 启发式算法 遗传算法（GA）、粒子群优化（PSO）。 在复杂、非凸优化问题中的应用。 第八章 过程优化与控制的集成 将优化与控制相结合，实现更高级别的自动化。 8.1 优化与控制的层次结构 实时优化（Real-Time Optimization, RTO）。 先进过程控制（Advanced Process Control, APC）。 生产计划与调度。 8.2 实时优化系统设计 模型库、求解器、数据库。 在线数据采集与处理。 与APC系统的交互。 8.3 案例研究：某大型炼厂的RTO系统 目标设定、模型构建、求解与结果分析。 经济效益评估。 8.4 动态优化 考虑过程动态变化的优化。 第九章 绿色化工过程控制与优化 聚焦于可持续发展与环境保护。 9.1 节能减排的控制策略 优化能源利用效率。 减少副产物与废弃物生成。 9.2 环境监测与控制 污染物排放的在线监测与反馈控制。 废水、废气处理过程的优化。 9.3 绿色化学过程的设计与控制 采用环境友好型催化剂与溶剂。 开发原子经济性高的反应。 9.4 案例研究：某化工厂的“三废”治理优化 第十章 未来发展趋势与展望 10.1 人工智能与机器学习在过程控制中的应用 深度学习的潜力。 可解释AI。 10.2 大数据分析与预测性维护 从海量数据中挖掘价值。 设备故障的提前预警。 10.3 物联网（IoT）与工业4.0 互联互通的化工生产。 远程监控与操作。 10.4 数字孪生（Digital Twin）技术 虚拟模型的实时同步。 仿真优化与风险评估。 10.5 自主运行与自优化系统 未来化工生产的终极目标。 参考文献 索引