本書以能源動力系統(tǒng)為背景，介紹自動控制的基本原理，詳細(xì)討論了在能源動力系統(tǒng)控制中占有統(tǒng)治地位的PID控制的分析、整定方法。介紹了高度自動化的大型火電機(jī)組的主要控制系統(tǒng)，簡要敘述了現(xiàn)代控制理論和離散控制系統(tǒng)的基本內(nèi)容，并對目前正在研究發(fā)展的主要先進(jìn)控制策略進(jìn)行了分析和說明。
本書可作為能源動力類專業(yè)大學(xué)本科生學(xué)習(xí)自動控制原理和過程控制的教材，也可供研究生和從事熱工過程控制的科研人員和工程技術(shù)人員參考。
“熱工過程自動控制”是清華大學(xué)熱能工程系為能源動力及其自動化專業(yè)本科生高年級開設(shè)的一門課程，它包括自動控制原理和能源動力工業(yè)過程控制兩部分內(nèi)容。本書是在2000年第1版的基礎(chǔ)上，經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐，并考慮課程體系的布局和自動化技術(shù)的發(fā)展修訂而成的。
全書共分8章，第1章作為全書的緒論，介紹了自動控制的基本概念，使學(xué)生在學(xué)習(xí)本門課程的開始，對自動控制及其在能源動力工業(yè)應(yīng)用中的基本問題能有一個總體認(rèn)識。第2章和第3章介紹了經(jīng)典控制理論的基本內(nèi)容，是進(jìn)一步學(xué)習(xí)以后各章的基礎(chǔ)。這兩章的內(nèi)容主要是針對能源動力領(lǐng)域的應(yīng)用特點選取和安排的，遠(yuǎn)不是經(jīng)典控制理論的全部。在熱工控制中，PID（比例、積分、微分）控制策略由于其原理清晰、整定簡單、應(yīng)用經(jīng)驗豐富，目前仍占有統(tǒng)治地位。第4章詳細(xì)分析了PID單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)、前饋反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)、解耦控制、純滯后補(bǔ)償?shù)葟?fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理、性能和整定方法。在能源動力部門，大型火電機(jī)組的熱力系統(tǒng)復(fù)雜，自動化水平高，具有典型性和代表性，第5章針對亞臨界煤粉爐機(jī)組、超臨界機(jī)組和循環(huán)流化床機(jī)組，比較全面地介紹了其主要控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和分析整定方法。第6章介紹控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法和最優(yōu)控制的基本概念，屬于現(xiàn)代控制理論的范疇。雖然由于對模型的高精度要求限制了現(xiàn)代控制理論在熱工過程控制中的應(yīng)用，但是了解和掌握現(xiàn)代控制理論提出的狀態(tài)空間分析方法和最優(yōu)控制的基本思想仍然是十分必要的�？刂萍夹g(shù)的發(fā)展使計算機(jī)成為控制系統(tǒng)中的核心設(shè)備，作為離散設(shè)備的計算機(jī)不但代替了連續(xù)的控制器，實現(xiàn)控制策略，而且可以完成更復(fù)雜、更靈活的控制功能，因此掌握離散控制系統(tǒng)的分析工具和方法對于分析實際系統(tǒng)以及進(jìn)一步學(xué)習(xí)后續(xù)有關(guān)課程是必不可少的。第7章結(jié)合能源動力工業(yè)的應(yīng)用，介紹了離散控制的基本內(nèi)容。為了發(fā)展對模型精度要求不高而控制性能又優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制的控制策略，20多年來，人們進(jìn)行了大量的研究和探索，提出了許多新的控制思想、策略和算法，它們統(tǒng)稱為先進(jìn)過程控制技術(shù)，雖然其理論和技術(shù)還在發(fā)展和完善中，但它們在包括能源動力工業(yè)在內(nèi)的許多領(lǐng)域已得到了成功的應(yīng)用。第8章簡要介紹了這方面比較成熟的研究成果。本書前7章都附有一定數(shù)量的習(xí)題，力圖反映課程的基本要求。
與第1版相比，第1章和第7章是新加入的。由于后續(xù)課程已安排包括集散控制系統(tǒng)在內(nèi)的綜合自動化方面的課程，故刪去了第1版的第5章（集散控制系統(tǒng)）。對第2，3，4，5等章的內(nèi)容和全部習(xí)題也根據(jù)教學(xué)實踐和能源動力領(lǐng)域過程控制的發(fā)展進(jìn)行了修改和補(bǔ)充。
本書在內(nèi)容上力求密切結(jié)合熱工對象及其控制的實際，文字上力求簡明扼要，體系結(jié)構(gòu)上主要考慮能源動力類專業(yè)本科生學(xué)習(xí)的方便，使他們在修完高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)及部分專業(yè)課后即可進(jìn)入本課程的學(xué)習(xí)。
由于作者水平有限，書中難免有不當(dāng)之處，懇請讀者批評指正。
第1章熱工過程自動控制概述
1.1自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
1.2自動控制系統(tǒng)中的基本參數(shù)
1.3控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性
1.4控制系統(tǒng)的分類
1.5控制系統(tǒng)的質(zhì)量評定
習(xí)題
第2章自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述
2.1拉普拉斯變換
2.1.1拉氏變換的定義
2.1.2拉氏變換的主要性質(zhì)
2.1.3常用函數(shù)的拉氏變換
2.1.4拉氏反變換
2.1.5利用拉氏變換解微分方程
2.2系統(tǒng)的動態(tài)特性
2.2.1微分方程
2.2.2傳遞函數(shù)
2.2.3輸入響應(yīng)法
2.2.4頻率響應(yīng)法
2.2.5狀態(tài)變量表示法
2.3環(huán)節(jié)的連接方式和典型環(huán)節(jié)的動態(tài)特性
2.3.1環(huán)節(jié)的基本連接方式
2.3.2典型環(huán)節(jié)的動態(tài)特性
2.4物理系統(tǒng)傳遞函數(shù)的推導(dǎo)
2.4.1系統(tǒng)的方框圖表示
2.4.2方框圖的等效變換
2.4.3求RLC電路傳遞函數(shù)的等效阻抗法
2.5信號流圖
2.5.1信號流圖的結(jié)構(gòu)和術(shù)語
2.5.2信號流圖的畫法
2.5.3信號流圖的化簡
2.5.4梅遜公式
習(xí)題
第3章系統(tǒng)分析
3.1系統(tǒng)分析的基本概念
3.1.1系統(tǒng)分析的一般方法
3.1.2系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性
3.1.3傳遞函數(shù)的分子對瞬態(tài)響應(yīng)的影響
3.1.4反饋控制系統(tǒng)對不同擾動的響應(yīng)特性
3.2勞斯穩(wěn)定判據(jù)
3.2.1系統(tǒng)穩(wěn)定的必要而不充分條件
3.2.2勞斯判據(jù)
3.2.3勞斯判據(jù)用于低階系統(tǒng)
3.2.4勞斯判據(jù)的推廣
3.3奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)
3.3.1幅角定理
3.3.2奈氏準(zhǔn)則
3.3.3廣義頻率特性
3.3.4對數(shù)坐標(biāo)圖――伯德圖
3.3.5最小相位系統(tǒng)及其穩(wěn)定性裕度
3.4一階系統(tǒng)分析
3.4.1一階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)
3.4.2一階系統(tǒng)的過渡時間
3.5二階系統(tǒng)分析
3.5.1二階系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
3.5.20<ξ<1時典型二階系統(tǒng)分析
3.5.3二階系統(tǒng)的頻率特性
3.5.4一般二階系統(tǒng)分析
3.6高階系統(tǒng)分析
3.6.1閉環(huán)主導(dǎo)極點
3.6.2高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析
3.7系統(tǒng)分析的根軌跡法
3.7.1根軌跡的基本概念
3.7.2根軌跡的作圖規(guī)則
3.7.3含有純遲延環(huán)節(jié)系統(tǒng)的根軌跡
習(xí)題
第4章熱工過程自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析和整定
4.1熱工對象的動態(tài)特性
4.1.1熱工對象動態(tài)特性的特點
4.1.2用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性
4.1.3熱工對象的傳遞函數(shù)
4.1.4由飛升曲線求取傳遞函數(shù)中的參數(shù)
4.1.5熱工對象的頻率特性
4.2調(diào)節(jié)規(guī)律和調(diào)節(jié)器
4.2.1三種基本調(diào)節(jié)規(guī)律
4.2.2工業(yè)調(diào)節(jié)器的動態(tài)特性
4.3單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析
4.3.1穩(wěn)定性分析
4.3.2調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)偏差
4.3.3調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)偏差
4.3.4調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間
4.4單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定
4.4.1保證穩(wěn)定性指標(biāo)的計算整定方法
4.4.2圖表整定法
4.4.3實驗整定法
4.5利用根軌跡法整定調(diào)節(jié)系統(tǒng)
4.5.1采用P調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)的根軌跡法整定
4.5.2采用PD調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)的根軌跡法整定
4.5.3采用PI調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)的根軌跡法整定
4.5.4采用PID調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)的根軌跡法整定
4.6復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)
4.6.1串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)
4.6.2前饋反饋控制系統(tǒng)
4.6.3解耦控制
4.6.4純遲延補(bǔ)償
習(xí)題
第5章火力發(fā)電廠大型單元機(jī)組自動控制系統(tǒng)
5.1火力發(fā)電廠大型單元機(jī)組的生產(chǎn)過程及其自動控制
5.1.1單元機(jī)組的生產(chǎn)過程
5.1.2單元機(jī)組自動控制系統(tǒng)的組成
5.1.3單元機(jī)組自動控制系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)控制級
5.1.4單元機(jī)組自動控制系統(tǒng)中的基礎(chǔ)控制級
5.2單元機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)
5.2.1單元機(jī)組動態(tài)特性
5.2.2鍋爐跟隨汽輪機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)
5.2.3汽輪機(jī)跟隨鍋爐的負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)
5.2.4協(xié)調(diào)控制方式
5.2.5實際負(fù)荷控制系統(tǒng)舉例
5.3單元機(jī)組汽包鍋爐燃燒控制系統(tǒng)
5.3.1汽壓被控對象的生產(chǎn)過程
5.3.2汽壓被控對象的動態(tài)特性
5.3.3燃料量控制子系統(tǒng)
5.3.4送風(fēng)量控制子系統(tǒng)
5.3.5引風(fēng)量控制子系統(tǒng)
5.3.6燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定
5.4給水控制系統(tǒng)
5.4.1汽包水位被控對象的動態(tài)特性
5.4.2前饋反饋給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)
5.4.3串級給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)
5.4.4全程給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)
5.5汽溫控制系統(tǒng)
5.5.1過熱汽溫被控對象的動態(tài)特性
5.5.2串級過熱汽溫控制系統(tǒng)
5.5.3過熱汽溫控制系統(tǒng)的工程設(shè)計實例
5.5.4改善過熱汽溫調(diào)節(jié)性能的措施
5.6超臨界壓力機(jī)組控制系統(tǒng)
5.6.1超臨界鍋爐的特點
5.6.2超臨界機(jī)組的動態(tài)特性
5.6.3超臨界機(jī)組的控制策略
5.7循環(huán)流化床控制系統(tǒng)
5.7.1CFB原理和特點
5.7.2CFB的動態(tài)特性
5.7.3CFB控制的原則方案
習(xí)題
第6章控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法
6.1用狀態(tài)空間方法描述系統(tǒng)的動態(tài)特性
6.1.1基本概念
6.1.2系統(tǒng)特性的狀態(tài)變量描述方法
6.1.3物理系統(tǒng)狀態(tài)變量的選取
6.1.4傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間描述
6.1.5狀態(tài)空間表達(dá)式的變換
6.2線性定常系統(tǒng)的運動分析
6.2.1矩陣指數(shù)
6.2.2狀態(tài)方程的求解
6.2.3線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移陣
6.2.4線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性
6.3系統(tǒng)的可控性和可觀性
6.3.1線性定常系統(tǒng)的可控性
6.3.2線性定常系統(tǒng)的可觀性
6.3.3線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解
6.3.4可控性可觀性和傳遞函數(shù)的關(guān)系
6.4線性系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制
6.4.1狀態(tài)反饋的基本概念
6.4.2狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的極點配置
6.4.3穩(wěn)態(tài)性能的改進(jìn)
6.5最優(yōu)控制概述
6.5.1最優(yōu)控制的提法
6.5.2最優(yōu)控制的基本關(guān)系式
6.5.3線性系統(tǒng)的二次型最優(yōu)控制
6.5.4線性定常系統(tǒng)的無限時間最優(yōu)控制
6.5.5輸出最優(yōu)調(diào)節(jié)器
習(xí)題
第7章離散控制系統(tǒng)
7.1離散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
7.1.1離散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
7.1.2連續(xù)信號的采樣
7.1.3連續(xù)信號的恢復(fù)
7.2z變換
7.2.1z變換的定義
7.2.2z變換的性質(zhì)
7.2.3z變換的求取方法
7.2.4z反變換
7.3離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述
7.3.1差分方程
7.3.2脈沖傳遞函數(shù)
7.3.3離散系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)
7.3.4離散系統(tǒng)的方框圖表示
7.3.5利用方框圖求脈沖傳遞函數(shù)或輸出z變換
7.4離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性
7.4.1脈沖傳遞函數(shù)極點與系統(tǒng)穩(wěn)定性
7.4.2代數(shù)準(zhǔn)則
7.4.3頻率準(zhǔn)則
7.4.4采樣時間T對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響
7.5廣義z變換及其應(yīng)用
7.5.1廣義z變換
7.5.2含有純遲延的控制系統(tǒng)的分析
7.5.3連續(xù)時間環(huán)節(jié)在非采樣時刻的輸出
7.6數(shù)字控制器的設(shè)計
7.6.1離散控制系統(tǒng)設(shè)計的一般方法
7.6.2最少拍控制系統(tǒng)
7.6.3無波紋的最少拍控制系統(tǒng)
7.6.4以最少拍系統(tǒng)為基礎(chǔ)的最小方差控制
7.7模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字模擬
7.7.1理想PID調(diào)節(jié)規(guī)律的實現(xiàn)
7.7.2離散PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的試驗整定
7.7.3PID控制算法的發(fā)展
7.7.4PID調(diào)節(jié)規(guī)律的脈沖傳遞函數(shù)
7.8含有純滯后對象的控制系統(tǒng)
7.8.1Dahlin算法
7.8.2振鈴現(xiàn)象及其消除
7.9D（z）在數(shù)字計算機(jī)上的實現(xiàn)
7.9.1直接程序計算法
7.9.2串聯(lián)程序計算法
7.9.3并聯(lián)程序計算法
習(xí)題
第8章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)簡介
8.1預(yù)測控制
8.1.1預(yù)測控制的基本原理
8.1.2模型算法預(yù)測控制
8.1.3動態(tài)矩陣控制
8.1.4廣義預(yù)測控制
8.2自適應(yīng)控制
8.2.1模型參考自適應(yīng)控制
8.2.2自校正控制
8.2.3PID參數(shù)的自整定
8.3智能控制概述
8.3.1專家控制系統(tǒng)與專家控制器
8.3.2模糊控制
8.3.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
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