本书为国家精品课程"过程控制与集散系统”的配套教材。本书系统地介绍了有关过程控制的理论与技术。全书共分11章，内容包括概述、过程控制系统建模方法、过程控制系统设计、PID调节原理、串级控制、特殊控制方法、补偿控制、关联分析与解耦控制、模糊控制、预测控制和先进控制。 本书从基本概念出发，深入浅出地阐述了过程控制系统的本质与特点，同时配合大量的应用实例，力图使学生掌握过程控制系统分析、设计和优化的基本原理和方法。 本书可作为高等学校自动化类专业本科及研究生的教材，也可作为有关领域工程技术人员的参考书。

刘晓玉，武汉科技大学信息科学与工程学院，系主任，副教授，主讲《过程控制》课程，副主编，过程控制及其MATLAB实现（第2版。

第1章概述 1
1．1过程控制的任务 1
1．2过程控制系统的组成与特点 2
1．2．1过程控制系统组成 2
1．2．2过程控制系统特点 3
1．3过程控制系统的性能指标 4
1．4过程控制的进展 6
1．4．1过程控制装置的进展 6
1．4．2过程控制策略与算法的进展 8
1．4．3对过程控制发展进程的总结
和思考 9
本章小结 10
习题 10
第2章过程控制系统建模方法 11
2．1过程控制系统建模概念 11
2．1．1建模的概念 11
2．1．2建模的意义 12
2．1．3建模的基本方法 13
2．2机理建模方法 14
2．2．1单容对象的传递函数 15
2．2．2其他典型工业过程对象的传递
函数 18
2．3测试建模方法 19
2．3．1对象特性的实验测定方法 19
2．3．2测定动态特性的时域法 20
2．3．3最小二乘法 24
2．4基于MATLAB的系统建模 26
2．4．1典型工业过程阶跃响应的MATLAB
仿真 26
2．4．2测试建模中MATLAB的应用 31
本章小结 36
习题 37
第3章过程控制系统设计 40
3．1过程控制系统设计的任务和步骤 40
3．2确定控制变量与控制方案 41
3．2．1确定控制目标 41
3．2．2确定控制方案 42
3．2．3确定安全保护措施 44
3．3过程控制系统的检测和变送
装置 44
3．3．1检测和变送的相关概念 44
3．3．2温度检测仪表 45
3．3．3流量检测仪表 46
3．3．4压力检测仪表 49
3．3．5物位检测仪表 50
3．3．6检测仪表的选型 50
3．4过程控制系统的执行机构 51
3．4．1调节阀的结构 51
3．4．2调节阀的作用方式 53
3．4．3调节阀的静态特性 54
3．4．4调节阀的动态特性 56
3．4．5调节阀的选型 60
3．5过程控制系统设计实例 61
本章小结 65
习题 65
第4章PID调节原理 67
4．1PID控制概述 67
4．2比例调节（P调节） 68
4．2．1比例调节的动作规律和比例带 68
4．2．2比例调节的特点―有差调节 69
4．2．3比例带对调节过程的影响 70
4．3积分调节（Ⅰ调节） 71
4．3．1积分调节规律和积分速度 71
4．3．2积分调节的特点―无差调节 71
4．3．3积分速度对于调节过程的影响 72
4．4微分调节（D调节） 72
4．5比例积分微分调节（PID调节） 73
4．5．1比例积分（PI）调节 73
4．5．2比例微分调节 76
4．5．3比例积分微分调节规律及其基本
特征 77
4．6数字PID控制 79
4．6．1数字PID控制算法 79
4．6．2改进的数字PID算法 80
4．7PID调节器参数的工程整定 82
4．7．1PID参数整定的基本原则 83
4．7．2PID参数的工程整定方法 83
4．7．3PID参数的自整定方法 88
4．7．4数字PID参数的整定 89
4．8智能PID控制方法 90
4．8．1模糊PID控制 90
4．8．2神经网络PID控制 91
4．8．3专家智能自整定PID控制 92
4．9基于MATLAB的PID控制
仿真 92
4．9．1P、I、D及其组合控制的仿真 92
4．9．2抗积分饱和控制方法的仿真 95
4．9．3改进的微分控制方法的仿真 97
4．9．4PID参数工程整定的仿真 100
本章小结 103
习题 103
第5章串级控制 106
5．1串级控制系统的基本原理 106
5．1．1串级控制系统的基本概念 106
5．1．2串级控制系统的组成 108
5．1．3串级控制系统的工作过程 108
5．2串级控制系统的特点 109
5．3串级控制系统的设计 113
5．3．1主、副回路的设计方法 113
5．3．2主、副控制器正、反作用方式的
确定 117
5．3．3防止控制器积分饱和的措施 118
5．4串级控制系统的控制器参数
整定 120
5．5串级控制系统的应用实例 122
5．6串级控制的MATLAB仿真 124
本章小结 126
习题 126
第6章特殊控制方法 128
6．1比值控制系统 128
6．1．1比值控制系统的基本概念 128
6．1．2比值控制系统的分析 128
6．1．3比值控制系统设计 131
6．1．4比值控制系统的实施 132
6．1．5比值控制系统的整定 136
6．1．6比值控制系统中的若干问题 136
6．2均匀控制系统 138
6．2．1均匀控制的概念 138
6．2．2均匀控制系统的结构形式 140
6．2．3控制器的参数整定 142
6．3分程控制系统 143
6．3．1基本概念 143
6．3．2分程控制的应用 143
6．3．3分程阀总流量特性的改善 146
6．4选择性控制系统 148
6．4．1基本概念 148
6．4．2选择性控制系统的类型及应用 148
6．4．3选择性控制系统的设计 151
6．4．4积分饱和及其防止措施 151
6．5阀位控制系统 152
6．5．1基本概念 152
6．5．2阀位控制系统的应用 153
6．5．3阀位控制系统的设计与整定 154
6．6特殊控制的MATLAB仿真 155
6．6．1比值控制的MATLAB仿真 155
6．6．2均匀控制的MATLAB仿真 158
本章小结 161
习题 161
第7章补偿控制 163
7．1补偿控制的基本原理与结构 163
7．2前馈控制系统 164
7．2．1前馈控制系统的概念 164
7．2．2前馈控制系统的基本结构 165
7．3大迟延过程系统 168
7．3．1Smith预估器 168
7．3．2大林（Dahlin）算法 171
7．4补偿控制的MATLAB仿真 176
7．4．1前馈控制仿真 176
7．4．2Smith预估补偿控制仿真 178
本章小结 180
习题 180
第8章关联分析与解耦控制 182
8．1控制回路间的关联 182
8．1．1控制回路间的耦合 182
8．1．2被控对象的典型耦合结构 183
8．1．3耦合程度分析方法 184
8．2相对增益矩阵 185
8．2．1相对增益矩阵的定义 185
8．2．2相对增益的计算 185
8．2．3第二放大系数qij的直接计算法 186
8．2．4相对增益矩阵的特性 187
8．3减少及消除耦合的方法 189
8．4解耦控制系统设计 190
8．4．1前馈补偿解耦法 190
8．4．2反馈解耦法 192
8．4．3对角阵解耦法 192
8．4．4单位阵解耦法 194
8．4关联分析与解耦控制的
MATLAB仿真 195
本章小结 199
习题 199
第9章模糊控制 201
9．1概述 201
9．2模糊集合的基本概念 202
9．2．1模糊集合 202
9．2．2模糊集的基本运算 203
9．3模糊关系 205
9．3．1普通关系 205
9．3．2模糊关系 206
9．3．3模糊变换 208
9．3．4模糊决策 208
9．4模糊推理 209
9．4．1模糊逻辑 209
9．4．2模糊语言算子 209
9．4．3模糊推理 211
9．5模糊控制器原理及设计 213
9．5．1模糊控制系统的组成 213
9．5．2模糊控制原理 213
9．5．3模糊控制系统设计 214
9．6工业电阻炉温度模糊控制系统 224
9．6．1系统简介 224
9．6．2电阻炉温度模糊控制器设计 224
9．6．3控制效果 227
9．7浮选过程模糊控制系统 227
9．7．1浮选工艺过程 227
9．7．2浮选过程模糊控制器设计 228
9．7．3控制效果 230
9．8模糊控制的MATLAB仿真 231
本章小结 233
习题 234
第10章预测控制 235
10．1模型预测控制的基本原理 235
10．2动态矩阵控制 236
10．2．1预测模型 236
10．2．2滚动优化 237
10．2．3反馈校正 238
10．2．4算法实现 240
10．2．5参数选择 241
10．2．6DMC的主要特征和优点 242
10．3模型算法控制 243
10．3．1具有简易性能指标的MAC
算法 243
10．3．2具有一般性能指标的MAC
算法 246
10．3．3算法实现 248
10．3．4MAC的主要特征和优点 249
10．4广义预测控制算法 250
10．4．1广义预测控制基本理论 250
10．4．2基于Toeplitz预测方程的广义
预测控制算法 256
10．5基于MATLAB的预测控制
仿真 259
10．5．1动态矩阵控制（DMC）仿真 259
10．5．2广义预测控制（GPC）仿真 261
本章小结 264
习题 265
第11章先进控制 266
11．1自适应控制 266
11．1．1自适应控制概述 266
11．1．2模型参考自适应控制 267
11．1．3自校正控制 269
11．2智能控制 276
11．2．1智能控制基础 276
11．2．2智能控制的理论结构 277
11．2．3递阶控制 278
11．2．4基于知识的专家控制 280
11．2．5仿人智能控制 281
11．2．6神经控制 284
11．3鲁棒控制 288
11．3．1基本概念 288
11．3．2H∞优化与鲁棒控制 289
11．3．3标准H∞控制 290
11．3．4H∞控制的求解 291
本章小结 294
习题 294
附录A工艺流程图中的仪表图例
符号 295
参考文献 296

本书为国家精品课程“过程控制与集散系统”的配套教材。

本书第1版于2009年1月出版，书名为《过程控制与集散系统》，第2版于2013年9月出版，书名变更为《过程控制及其MATLAB实现》。

第3版在保持本书原有特色的基础上，主要做了以下几方面的调整和更新：将MATLAB仿真融入每章中；第1章增加对过程控制发展进程的总结和思考；精简第2章内容，突出机理建模基本方法及测试建模的时域法、最小二乘法；重写第3章，通过实例讲解过程控制系统设计方法，从产品选型需求出发总结各类过程参量检测仪表原理，介绍执行机构原理和特点；第4章增加对PID参数经验试凑法的解释；删掉第12、13章。

本书主要有以下几个方面的特色：

（1）突出工程教育理念。以使学生树立工程思想、掌握工程概念、具备工程思维为产出结果，通过大量工程实例引发学生对各种工业生产过程中复杂工程问题的认知，使其从中发现相关控制问题，学会依据控制理论、结合实际工程需求和客观条件分析工程问题、解决工程问题。

（2）注意理论和应用相结合。将控制理论的概念和方法嵌入到过程控制工程应用背景下，通过整合、协调理论和应用的教学内容，采用澄清、总结归纳和启发等教学方法，力求使学生控制概念清晰、理论基础扎实、实践应用能力强，且能举一反三。

（3）加强过程控制MATLAB仿真。直接将MATLAB仿真与过程控制系统数学建模、PID调节、串级控制、各种复杂控制和先进控制等内容相结合。仿真实例有验证、设计、分析等类型，是对相关教学内容的有力验证和补充解释，可丰富教师的教学手段，可加深学生对过程控制相关理论的认知和理解，加强过程控制系统设计和分析能力。仿真实例也可作为学生实验及课程设计的素材。

本书参考学时为32学时，必修章节为前8章；若作为研究生教学用书，可增加第9～11章的教学内容。相关教学资源可登录国家精品课程网站http://202.114.240.202/C1/zcr_1.htm获取。

参加第3版编写工作的有：刘晓玉（第1、2、3、4章）、黄卫华（第5章）、孙灵芳（第6章）、吴怀宇（第7、8章）、方康玲（第9章）、刘斌（第10、11章）。由刘晓玉任主编，吴怀宇、刘斌、方康玲、黄卫华任副主编。

由于编者水平有限，不足之处在所难免，希望读者不吝指正（liuxiaoyu@wust.edu.cn）。