本书是依据普通高等学校“过程控制与自动化仪表”教学大纲的要求，在第1版（2000年）和第2版（2007年）的基础上修订而成。
本书从当前生产过程自动化的实际需要和过程控制的新发展出发，在介绍了生产过程控制系统与自动化仪表的基本概念、工作原理及使用要求、简单控制系统设计方案的基础上，重点介绍了智能仪表、过程系统建模、特殊工艺及复杂过程控制系统的分析与设计、基于网络的计算机控制系统及工程应用等问题。
本书取材适当、深度与广度适中，能适应不同高校本科电气信息类专业的教学需求；内容叙述简明扼要、通俗易懂、循序渐进、方便自学；每章开始扼要提出了本章教学内容和应达到的基本要求；每章末编写了基本练习题、综合练习题和设计题，以适应学生不同的学习需求，也便于教师因材施教。
本书可作为高等学校电气信息类专业的教材，也可供相关专业师生和专业工程技术人员参考。
【推荐简言】
本书的主要特点有：①在保留第1版和第2版主要特色的基础上更新了内容，引进了新的成果与应用实例，并严格按照本科专业的培养目标和教学大纲的要求编写，取材适当、深度与广度适中；②在保持系统性与完整性的基础上按模块化结构编写，以适应不同高校的教学要求；③从生产实际需要出发，从工程实用性入手，尽可能采用各种先进而又成熟的控制策略与自动化仪表，力求做到技术的先进性与工程实用性相统一；④采用简明扼要、通俗易懂、由浅入深、先易后难、先简单再复杂的叙述方法，循序渐进，便于自学；⑤为便于学习，每章均提出了本章的主要内容和应达到的学习要求；⑥每章习题按基本练习题、综合练习题和设计题三个层次分类编写，以适应学生不同的学习需求，也便于教师因材施教。
主要修改内容如下：①考虑到新型传感器技术的发展和应用推广情况，增加了主流传感器及仪表内容，如磁力机械式氧量分析仪、配备气源调节器的电-气转换器等；②考虑到多数高校都开设智能控制相关课程内容，由于版面限制，本教材难以详细讲述所有内容，因此将第2版中的模糊控制相关内容删除；③随着预测控制方法在工业过程系统的应用越来越广泛，而第2版中内容过于简短，不便于学生理解和实现，因此对这部分内容进行了重新编排，并增加了仿真实例；④随着DCS技术的更新、发展及广泛应用，将第九章中DCS部分进行了修改，增加了第四代DCS系统内容，并基于典型DCS系统并以加热炉温度系统为例，讲述了DCS系统设计方案和典型控制方法串级控制方法的实现过程。
全书共分10章，1～5章为基础部分，6～9章为提高部分，第10章为应用部分。本书参考教学时数为56～64学时（其中包括8～10学时实验）。
本书是依据普通高等学校“过程控制与自动化仪表”教学大纲的要求，在《过程控制与自动化仪表》（2000年机械工业出版社出版，西安理工大学侯志林主编）和《过程控制与自动化仪表》第2版（2007年机械工业出版社出版，西安理工大学潘永湘主编）两书的基础上修订而成。本书从当前生产过程自动化的实际需要和过程控制的最新发展出发，在介绍了生产过程控制系统与自动化仪表的基本概念、工作原理及使用要求、简单控制系统设计方案的基础上，重点介绍了智能仪表、过程系统建模、特殊工艺及复杂过程控制系统的分析与设计、基于网络的计算机控制系统及工程应用等问题。
本书的主要特点有：①在保留第1版和第2版主要特色的基础上更新了内容，引进了新的成果与应用实例，并严格按照本科专业的培养目标和教学大纲的要求编写，取材适当、深度与广度适中；②在保持系统性与完整性的基础上按模块化结构编写，以适应不同高校的教学要求；③从生产实际需要出发，从工程实用性入手，尽可能采用各种先进而又成熟的控制策略与自动化仪表，力求做到技术的先进性与工程实用性相统一；④采用简明扼要、通俗易懂、由浅入深、先易后难、先简单再复杂的叙述方法，循序渐进，便于自学；⑤为便于学习，每章均提出了本章的主要内容和应达到的学习要求；⑥每章习题按基本练习题、综合练习题和设计题三个层次分类编写，以适应学生不同的学习需求，也便于教师因材施教。主要修改内容如下：①考虑到新型传感器技术的发展和应用推广情况，增加了主流传感器及仪表内容，如磁力机械式氧量分析仪、配备气源调节器的电-气转换器等；②考虑到多数高校都开设智能控制相关课程内容，由于版面限制，本教材难以详细讲述所有内容，因此将第2版中的模糊控制相关内容删除；③随着预测控制方法在工业过程系统的应用越来越广泛，而第2版中内容过于简短，不便于学生理解和实现，因此对这部分内容进行了重新编排，并增加了仿真实例；④随着DCS技术的更新、发展及广泛应用，将第九章中DCS部分进行了修改，增加了第四代DCS系统内容，并基于典型DCS系统并以加热炉温度系统为例，讲述了DCS系统设计方案和典型控制方法串级控制方法的实现过程。
全书共分10章，1～5章为基础部分，6～9章为提高部分，第10章为应用部分。各章具体内容为：第1章阐述过程控制与自动化仪表的共性问题，确立过程控制的概念体系；第2章叙述过程参数的检测与变送及选用方法；第3章叙述过程控制仪表的工作原理、功能特点、使用方法；第4章叙述被控过程的数学模型建立方法；第5章叙述简单控制系统的设计原理与调节器的参数整定方法；第6章叙述常用高性能过程控制系统的设计原理与方法；第7章叙述特殊工艺要求的过程控制系统的设计原理与方法；第8章叙述复杂过程控制系统的设计原理与方法；第9章介绍基于网络的计算机过程控制系统，主要介绍集散控制系统与现场总线控制系统；第10章介绍典型生产过程的控制与工程化设计问题。
本书第1、4、6、7、8章由杨延西教授编写；第3、5章由潘永湘教授编写；第2、9、10章由赵跃副教授编写。全书由杨延西教授负责统稿、定稿。
西安交通大学施仁教授、西安理工大学侯志林教授、潘永湘教授仔细审阅了书稿。他们对本书提出了许多宝贵的修改意见和建议，在此表示衷心的感谢。
作者在编写过程中得到了教育部高等学校自动化专业教学指导委员会委员刘丁教授的热情鼓励和支持，还参考了大量文献资料，在此对刘丁教授和相关文献作者一并表示衷心的感谢。
本书可作为高等学校电气信息类专业的教材，参考教学时数为56～64学时（其中包括8～10学时实验），也可供相关专业的师生和工程技术人员阅读参考。
另外，为方便读者学习，本书在每章的思考题与习题部分配有一个二维码，扫描二维码即可获得本章思考题与习题的详解。全书10章的思考题与习题列表和勘误可通过扫描下面的二维码来获取，可供读者查看实时更新。
由于编者水平有限，书中的缺点和不足之处在所难免，恳请广大读者指正与建议，以便再版时做进一步修订与完善。
编著者
序随着科学技术的不断进步，电气工程与自动化技术正以令人瞩目的发展速度，改变着我国工业的整体面貌。同时，对社会的生产方式、人们的生活方式和思想观念也产生了重大的影响，并在现代化建设中发挥着越来越重要的作用。随着与信息科学、计算机科学和能源科学等相关学科的交叉融合，它正在向智能化、网络化和集成化的方向发展。
教育是培养人才和增强民族创新能力的基础，高等学校作为国家培养人才的主要基地，肩负着教书育人的神圣使命。在实际教学中，根据社会需求，构建具有时代特征、反映最新科技成果的知识体系是每个教育工作者义不容辞的光荣任务。
教书育人，教材先行。机械工业出版社几十年来出版了大量的电气工程与自动化类教材，有些教材十几年、几十年长盛不衰，有着很好的基础。为了适应我国目前高等学校电气工程与自动化类专业人才培养的需要，配合各高等学校的教学改革进程，满足不同类型、不同层次的学校在课程设置上的需求，由中国机械工业教育协会电气工程及自动化学科教学委员会、中国电工技术学会高校工业自动化教育专业委员会、机械工业出版社共同发起成立了“全国高等学校电气工程与自动化系列教材编审委员会”，组织出版新的电气工程与自动化类系列教材。这套教材基于“加强基础，削枝强干，循序渐进，力求创新”的原则，通过对传统课程内容的整合、交融和改革，以不同的模块组合来满足各类学校特色办学的需要。并力求做到：
1适用性：结合电气工程与自动化类专业的培养目标、专业定位，按技术基础课、专业基础课、专业课和教学实践等环节，进行选材组稿。对有的具有特色的教材采取一纲多本的方法。注重课程之间的交叉与衔接，在满足系统性的前提下，尽量减少内容上的重复。
2示范性：力求教材中展现的教学理念、知识体系、知识点和实施方案在本领域中具有广泛的辐射性和示范性，代表并引导教学发展的趋势和方向。
3创新性：在教材编写中强调与时俱进，对原有的知识体系进行实质性的改革和发展，鼓励教材涵盖新体系、新内容、新技术，注重教学理论创新和实践创新，以适应新形势下的教学规律。
4权威性：本系列教材的编委由长期工作在教学第一线的知名教授和学者组成。他们知识渊博，经验丰富。组稿过程严谨细致，对书目确定、主编征集、资料申报和专家评审等都有明确的规范和要求，为确保教材的高质量提供了有力保障。
此套教材的顺利出版，先后得到全国数十所高校相关领导的大力支持和广大骨干教师的积极参与，在此谨表示衷心的感谢，并欢迎广大师生提出宝贵的意见和建议。
此套教材的出版如能在转变教学思想、推动教学改革、更新专业知识体系、创造适应学生个性和多样化发展的学习环境、培养学生的创新能力等方面收到成效，我们将会感到莫大的欣慰。
全国高等学校电气工程与自动化系列教材编审委员会
序
前言
第1章 绪论1
1.1过程控制概述1
1.1.1过程控制的特点、任务及要求1
1.1.2过程控制的发展概况6
1.1.3过程控制系统的组成、分类及性能指标7
1.2自动化仪表概述10
1.2.1自动化仪表的分类与发展10
1.2.2自动化仪表的信号制与能源供给12
1.2.3安全防爆仪表与安全防爆系统13
思考题与习题15
第2章 过程参数的检测与变送17
2.1参数检测与变送概述17
2.1.1检测仪表17
2.1.2检测误差18
2.1.3检测仪表的基本特性20
2.1.4变送器的构成原理23
2.1.5变送器的信号传输方式25
2.2温度的检测与变送26
2.2.1温度检测方法26
2.2.2典型模拟式温度变送器34
2.2.3智能式温度变送器40
2.3压力的检测与变送42
2.3.1压力的概念及其检测42
2.3.2DDZ-Ⅲ型力矩平衡式差压变送器44
2.3.3电容式差压变送器48
2.3.4智能式差压变送器50
2.4流量的检测与变送53
2.4.1流量的概念与检测方法53
2.4.2典型流量检测仪表54
2.5物位的检测与变送58
2.5.1物位检测的主要方法58
2.5.2典型物位检测仪表59
2.6成分的检测与变送62
2.6.1概述62
2.6.2红外式气体成分的检测及仪表63
2.6.3氧气成分的检测及仪表64
2.6.4多种组分的检测及仪表70
思考题与习题71
第3章 过程控制仪表74
3.1过程控制仪表概述74
3.2DDZ-Ⅲ型模拟式调节器75
3.2.1比例积分微分调节规律75
3.2.2DDZ-Ⅲ型PID基型调节器78
3.3数字式控制器87
3.3.1数字式控制器的基本构成88
3.3.2数字式控制器实例89
3.4执行器94
3.4.1执行器的构成原理94
3.4.2气动执行器的应用97
3.4.3电/气转换器与阀门定位器103
3.4.4智能式电动执行器105
3.5安全栅107
3.5.1齐纳式安全栅107
3.5.2隔离式安全栅108
思考题与习题110
第4章 被控过程的数学模型113
4.1过程建模的基本概念113
4.1.1被控过程的数学模型及其作用113
4.1.2被控过程的特性114
4.1.3过程建模方法117
4.2解析法建立过程的数学模型119
4.2.1解析法建模的一般步骤119
4.2.2单容过程的解析法建模119
4.2.3多容过程的解析法建模122
4.3试验法建立过程的数学模型125
4.3.1响应曲线法126
4.3.2最小二乘法133
思考题与习题142
第5章 简单控制系统的设计146
5.1简单控制系统设计概述146
5.1.1控制系统设计任务及开发步骤147
5.1.2设计中需要注意的有关问题148
5.2控制方案的确定149
5.2.1被控参数的选取149
5.2.2控制参数的选择150
5.2.3被控参数的测量与变送153
5.2.4调节规律对控制质量的影响及其选择154
5.2.5执行器的选择 160
5.2.6调节器正/反作用方式的选择160
5.3调节器的参数整定161
5.3.1调节器参数整定的理论基础161
5.3.2调节器参数的整定163
5.3.3PID调节器参数的自整定168
5.4单回路控制系统设计实例173
5.4.1干燥过程的控制系统设计173
5.4.2储槽液位过程控制系统的设计175
思考题与习题176
第6章 常用高性能过程控制系统180
6.1串级控制系统180
6.1.1串级控制的基本概念180
6.1.2串级控制系统的控制效果181
6.1.3串级控制系统的适用范围186
6.1.4串级控制系统的设计188
6.1.5串级控制系统的参数整定191
6.2前馈控制系统193
6.2.1前馈控制的基本概念193
6.2.2前馈控制的特点及局限性194
6.2.3静态补偿与动态补偿195
6.2.4前馈-反馈复合控制195
6.2.5引入前馈控制的原则及应用实例196
6.3大滞后过程控制系统198
6.3.1大滞后过程概述198
6.3.2史密斯预估控制198
6.3.3改进型史密斯预估控制200
6.3.4内模控制202
思考题与习题205
第7章 实现特殊工艺要求的过程控制系统208
7.1比值控制系统208
7.1.1比值控制概述208
7.1.2比值控制系统的设计211
7.1.3比值控制系统的参数整定215
7.2均匀控制系统215
7.2.1均匀控制的提出及其特点215
7.2.2均匀控制系统的设计217
7.3分程控制系统219
7.3.1分程控制概述219
7.3.2分程控制系统的设计220
7.3.3分程控制系统的应用222
7.4自动选择性控制系统223
7.4.1自动选择性控制概述223
7.4.2系统的类型及工作过程224
7.4.3自动选择性控制系统的设计225
思考题与习题227
第8章 复杂过程控制系统231
8.1序言231
8.2多变量解耦控制系统231
8.2.1耦合过程及其要解决的问题231
8.2.2相对增益与相对增益矩阵232
8.2.3解耦控制系统的设计237
8.3适应过程参数变化的控制系统242
8.3.1适应静态增益变化的控制系统242
8.3.2适应纯滞后时间变化的控制系统244
8.3.3适应时间常数变化的控制系统246
8.4推理控制系统248
8.4.1推理控制系统的组成248
8.4.2推理-反馈控制系统250
8.4.3输出可测条件下的推理控制系统252
8.5预测控制系统255
8.5.1预测控制的基本思想255
8.5.2预测模型256
8.5.3典型预测控制算法259
思考题与习题267
第9章 基于网络的过程计算机控制系统269
9.1集散控制系统269
9.1.1集散控制系统概述269
9.1.2集散控制系统的通信网络系统277
9.1.3集散控制系统的控制器280
9.1.4集散控制系统操作员站283
9.1.5集散控制系统工程师站与组态软件285
9.1.6集散控制系统的设计实例296
9.2基于现场总线的过程控制系统299
9.2.1现场总线的基本概念299
9.2.2现场总线的通信模型300
9.2.3基于现场总线的控制系统的设计306
思考题与习题309
第10章 典型生产过程控制与工程设计311
10.1典型生产过程控制311
10.1.1电厂锅炉的过程控制311
10.1.2精馏塔的过程控制317
10.2过程控制系统的工程设计322
10.2.1工程设计的目的和主要内容322
10.2.2工程设计的具体步骤323
10.2.3控制系统的抗干扰和接地设计326
思考题与习题330
附录333
参考文献336
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