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工业自动化控制原理的书
以下是一些关于工业自动化控制原理的书籍推荐：
1. 《工业自动化控制系统》（第5版）- 肖桂法
该书是一本系统介绍工业自动化控制系统的教材，内容包括自动控制基础、传感器与执行器、PLC控制系统、DCS和SCADA控制系统等。
2. 《工业自动化系统中的控制理论与应用》（第3版）- 韩炳金、黄德义
这本书主要关注现代工业自动化控制系统的理论与应用，包括自动控制基础、控制器的动态特性、PID控制算法、先进的控制策略等。
3. 《工业过程自动化施工上的电气控制与PLC编程案例详解》- 胡章龙
该书通过举例分析工业过程自动化控制系统中的电气控制和PLC编程，涵盖了工业过程控制的基本知识、电气控制的设计和原理、PLC编程与调试等方面。
4. 《工业自动化系统故障诊断与排除》- 申祥义
这本书重点介绍了工业自动化系统中常见的故障诊断和排除方法，包括传感器与执行器故障、信号处理故障、控制器故障等方面。
5. 《工业控制网络与自动化系统的安全》- 徐剑辉
该书主要讲述了工业控制网络和自动化系统的安全问题，包括网络安全与防护、控制系统漏洞与攻击、安全监测与管理等内容。
以上书籍都是在工业自动化控制原理方面的经典著作，可以为读者提供深入了解和学习该领域的基础知识和应用实践。
过程控制工程课后习题答案第一章1-1自动控制系统由被控对象、测量变送器、执行器（控制阀）和控制器组成。
被控对象是指被控制的生产设备或装置。
测量变送器用于测量被控变量，并按一定的规律将其转换为标准信号作为输出。
执行器常用的是控制阀，接受来自控制器的命令信号，用于自动改变控制阀的开度。
控制器它将被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差信号e(t)，并按一定规律给出控制信号u（t）1-21）直接数字控制它的特点：计算灵活，它不仅能实现典型的PID 控制规律，还可以分时处理多个控制回路。
2）集中型计算机控制系统它的特点：可以实现解耦控制、联锁控制等各种更复杂的控制功能；信息集中，便于实现操作管理与优化生产；灵活性大，控制回路的增减、控制方案的改变可由软件来方便实现；人机交互好，操作方便3）集散控制系统它的特点：同时适应管理与控制两方面的需要：一方面使用若干个控制器完成系统的控制任务，每个控制器实现一定的控制目标，可以独立完成数据采集、信号处理、算法实现与控制输出等功能；另一方面，强调管理的集中性。
1-3spPC51P m PT51P2uP1P：被控变量储罐：被控对象U：控制变量进气流量：操纵变量P1，P2，出气流量：扰动变量被控变量：被控对象需要维持在其理想值的工艺变量，也是测量变松的输入。
控制变量：控制器的输出电信号。
操作变量：执行器的操作对象，对被控变量有影响。
扰动变量：影响被控变量的变量（除了操作变量）。
干扰 通道P sp +E(t)_压力制器进 气 控制阀控制对 象++P （t ） P m (t )压力 1-4给定值+ 液位控制器控制阀水槽测量液位变送器假设控制阀为气闭式、控制器为反作用，定义偏差为测量值与给定值之差。
首先假设在 干扰发生之前系统处于平衡状态，即流入量等于流出量，液位等于给定值。
当有干扰发生， 平衡状态将被破坏，液位开始变化，于是控制系统开始动作。
1）假定在平衡状态下流入量 Q1 突然变大。
《典型工业生产过程的组态控制》课 程 标 准山东职业学院教务与科研处2012年9月1日专业领域： 电气自动化技术 课程代码： 03021047课程名称： 典型工业生产过程的组态控制所属系部： 电气工程系目录一、课程基本信息 (1)二、课程目标 (1)三、课程设计 (1)1. 教学设计 (1)2. 教学内容及学时分配 (1)3. 课程考核 (5)4. 教学环境及设备 (6)5. 教师队伍 (6)6. 教材选用 (6)四、实施建议 (6)《典型工业生产工程的组态控制》课程标准1《典型工业生产过程的组态控制》课程标准一、课程基本信息二、课程目标本课程的教学目标是使学生在了解和掌握工控系统组态和调试的原理、方法和过程基础上，培养学生具有较完备的工控系统安装与调试知识。
较强的设计能力、扩展能力以及较好的自动化技术系统设计和综合实践能力，为毕业后参与自动化方面的工作及三到五年内获得技师证书打下扎实基础。
培养学生具有综合应用知识与技术从事程度比较复杂的技术工作的能力。
具有独立进行系统分析、设计、实施、评价的能力，具有获得、分析、归纳、交流、使用信息和新技术的能力。
具有自学、理解能力与表达能力。
具有合理利用与支配资源的能力。
三、课程设计1. 教学设计本课程教学模式采用“行动导向，真实任务驱动”；理论、实验与实训相结合；讲授和练习相结合；课程项目与工程完成相结合；课程讲授与实训场所相结合。
2. 教学内容及学时分配《典型工业生产过程的组态控制》课程标准2表1 《典型工业生产过程的组态控制》教学内容及学时分配表3《典型工业生产过程的组态控制》课程标准4《典型工业生产过程的组态控制》课程标准5 3. 课程考核本课程为项目教学方式，各教学项目既有联系又相对独立，每项目结束都进行实战（综合训练）考核，采用自评、互评、师评相结合。
期末考试采用上机工程实做测试，最终成绩=时成绩（50%）+期末测试成绩（50%）。
考核要点如下：1）. 现场授课任务（师评） 2）. 单独完成任务（师评）；以训练过程中的态度、结果和撰写的实训报告为评分依据。
过程控制教学大纲一、课程简介过程控制是自动化领域中的重要组成部分，广泛应用于化工、石油、电力、冶金等工业生产过程中。
本课程旨在让学生掌握过程控制的基本原理和方法，学会分析和设计过程控制系统，提高解决实际问题的能力。
二、课程目标1、掌握过程控制的基本概念、原理和常用控制算法；2、了解过程控制系统的组成、特点和分类；3、掌握过程控制系统的设计和调试方法；4、学会对过程控制系统进行性能评估和优化；5、培养解决实际问题的能力，提高综合素质。
三、课程内容1、过程控制概述：过程控制的基本概念、发展历程和应用领域；2、过程控制系统组成：工艺流程、自动化仪表、控制系统和执行机构等；3、过程控制系统设计：控制方案设计、控制系统选型、控制系统集成和调试等；4、过程控制算法：PID控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法等；5、过程控制系统性能评估与优化：性能指标评估、系统优化和改进措施等；6、典型过程控制系统案例分析：化工、石油、电力、冶金等行业的典型过程控制系统案例分析。
四、课程安排本课程共分为理论教学和实践教学两个部分。
理论教学部分包括以上六个方面的内容，实践教学部分包括实验、课程设计和综合实践等环节。
具体安排如下：1、第一讲：过程控制概述（2学时）；2、第二讲：过程控制系统组成（4学时）；3、第三讲：过程控制系统设计（4学时）；4、第四讲：过程控制算法（4学时）；5、第五讲：过程控制系统性能评估与优化（2学时）；6、第六讲：典型过程控制系统案例分析（2学时）；7、第七讲：实验环节（4学时）；8、第八讲：课程设计和综合实践环节（8学时）。
五、教学方法本课程采用多媒体教学、案例分析和实验相结合的教学方法。
通过多媒体教学，使学生对过程控制的基本概念和原理有更直观的认识；通过案例分析，使学生了解实际生产过程中遇到的问题及解决方法；通过实验环节，使学生能够亲手操作和体验过程控制系统的运行与调试。
六、考核方式本课程采用平时成绩和期末考试相结合的考核方式。
过程控制系统书籍过程控制系统是现代工业生产中不可或缺的一部分，它能够对工艺过程进行实时监控、调节和控制，以确保生产过程的稳定性和效率。
为了帮助读者更好地理解和应用过程控制系统，下面将推荐几本相关的书籍。
《过程控制系统设计与应用》是一本经典的教材，它详细介绍了过程控制系统的基本原理、设计方法和应用技术。
该书系统地讲解了控制系统的基本概念、模型建立和参数调节等内容，同时还介绍了各种常见的控制策略和控制器的设计方法。
读者通过学习这本书，可以全面了解过程控制系统的设计与应用，并能够独立完成控制系统的设计和调试工作。
《过程控制系统工程设计与实施》是一本实用性很强的书籍，它通过实际的案例分析和工程应用，详细介绍了过程控制系统的工程设计和实施过程。
该书从控制系统需求分析、方案设计、硬件选型、软件编程、现场调试等方面进行了全面的阐述，同时还讲解了如何处理常见的故障和异常情况。
读者通过学习这本书，可以了解过程控制系统的实际工程应用，并能够掌握相关的设计和实施技术。
《过程控制系统故障诊断与维护》是一本针对过程控制系统故障诊断和维护的专业书籍，它介绍了常见的故障类型和故障诊断方法，并提供了一些常用的维护技术和工具。
该书通过实际案例和经验总结，详细讲解了如何快速准确地诊断和修复过程控制系统的故障，以保证生产过程的连续性和稳定性。
读者通过学习这本书，可以提高对过程控制系统故障的诊断和维护能力，从而更好地应对实际工作中的故障情况。
《过程控制系统安全与可靠性分析》是一本专注于过程控制系统安全和可靠性分析的书籍，它介绍了常见的风险评估和可靠性分析方法，并提供了一些实用的安全和可靠性评估工具。
该书通过案例分析和理论介绍，详细讲解了如何评估和改善过程控制系统的安全性和可靠性，以降低生产过程中的风险和事故发生概率。
读者通过学习这本书，可以提高对过程控制系统安全和可靠性的认识和分析能力，从而更好地保障工业生产的安全性和可靠性。
过程控制系统的设计、应用、故障诊断与维护以及安全可靠性分析是掌握过程控制系统的基本能力。
过程控制工程第三版教学设计介绍过程控制工程作为现代工业的必要部分，涉及各种自动化领域，广泛应用于制造业、供应链管理、交通运输等行业。
本教学设计旨在讲解过程控制工程的基础知识，培养学生对控制系统的建模、仿真、设计和优化的能力。
本文将对本课程的教学内容、教学方法、教学评估等方面进行详细说明。
教学内容第一章：引言•引言和绪论•过程控制系统的组成•过程控制系统的分类第二章：控制系统的数学模型•控制系统的建模•四个基本元素及其表示•闭环系统和开环系统•传递函数和状态空间模型第三章：控制系统的时域分析•阶跃响应和脉冲响应•频域分析及其应用•稳态错误•稳态响应第四章：校准与调节•校准与调节的基础概念•模型参数识别•方法的评估第五章：控制器设计•PID控制器•线性二次调节器•稳定裕度的概念第六章：反馈控制•比例控制•积分控制•微分控制第七章：高级控制技术•前馈控制•向前控制•模型预测控制第八章：实时系统模拟•模拟算法的类型•实时控制器的优化•模拟软件的性能第九章：嵌入式控制系统•嵌入式系统的概念•嵌入式控制器的设计•嵌入式系统的性能评估第十章：工业自动化控制•工业自动化控制的概念•工业自动化系统的组成•工业自动化控制的应用案例教学方法讲授课程讲师通过PPT、教材、案例展示等方式深入浅出地讲解过程控制工程的知识点和相关技术，引导学生理解课程内容。
实践任务讲师会为学生设计一系列实践任务，让学生通过具体场景的模拟实践掌握过程控制工程的技术，如控制系统的建模与仿真、控制器设计、校准与调节等。
讨论课鼓励学生在讨论课上自由发言，互相交流学习成果，共同解决过程控制工程中出现的问题。
课程设计通过小组合作，让学生分别独立完成一项过程控制工程的设计任务，将学习成果应用于实际工程中进行实践。
教学评估课堂测试每周进行一次小测试，以检验学生对课程知识的掌握程度，提高他们的学习积极性。
平时作业安排一些课后作业来强化学生对知识点的理解和掌握，如编写控制系统的模型等。
1、（本题15分）试画出IMC 的基本结构框图，详细解释在对象模型精确条件下如何保证该控制系统的 稳定性？试给出一种增强系统鲁棒性的改进IMC 方案并举例说明。
答：如果对象模型精确的话，那么00ˆ()()G z G z =，并且除去外界干扰的话，()0m D z =，所以()R z 是不变的。
如果有干扰的话，()()m D z D z =即()()R z D z -来减少输入，以使()Y z 趋于稳定。
令()()ˆ1()()c i p c G z G z G z G z =+，用()i G z 来完全补偿扰动对输出的影响，()i G z 相当于一个扰动补偿器或称前馈控制器。
且当0ˆ()G z 不能精确描述对象，即模型存在误差时，扰动估计量()m D z 将包含模型失配的某些信息，从而有利于系统的鲁棒性设计。
2、（本题15分）画出动态矩阵控制的算法结构框图，试述其工作过程以及DMC 算法离线准备的参数和这些参数的选取原则。
答：工作过程：输入()u k 通过预测模型预测未来几个输出值，我们一般取第一个值，与当前的输出值进行在线校正，且校正后的值()c y k i +，输出值和给定值通过参考模型也给出一个值()r y k i +，把()c y k i +与()r y k i +进行比较，把它们之间的误差通过优化计算来改变输入值()u k ，从来对模型的失配与干扰的影响在()u k 的变化上体现出来，从而使()y k 有很强的鲁棒性。
DMC 算法离线准备的参数和这些参数的选取原则 1、 脉冲响应系数长度N 的选择如果采样周期短，则N 会相应的增大。
且N 可适当选得大一些，但N 太大会增加预测估计控制的计算量和存储量。
通常N=20~60为宜。
2、 输出预估时域长度P 的选择通常P 越大，预测估计的鲁棒性就越强。
但相应的计算量和存储量也增大。
一般，设置P 等于过程单位阶跃响应达到其稳态值所需过渡时间的一半所需的采样次数。
3、控制时域长度M 的选择M 越大，系统的鲁棒性也就越弱。
M 不宜选得太大，一般M 取小于10为宜。
4、参考轨迹的收敛参数α的选择α越大，系统预测控制的鲁棒性越强，但导致闭环系统的响应速度变慢。
相反，α过小，过渡过程较易出现超调与振荡。
一般α取值为0~1。
5、误差权矩阵Q 的选择误差权矩阵Q 的物理意义很明显：j q 作为权系数，则反映它们在不同时刻逼近的重视程度。
j q 取值是为了使控制系统稳定，对纯滞后部分控制作用是无能为力的，在这些时刻，取0j q =；其他时刻，取1j q =。
6、控制权矩阵R 的选择控制权矩阵R 的作用是对控制作用变化加以适度的限制，引入R 的主要作用，在于防止控制量过于剧烈的变化。
因此，在整定中，当控制量变化太大时，可先置0R =，待系统稳定且满足要求后则加大R 值。
事实上，只要取一个很小的R 值，就足以使控制量的变化趋于平缓。
7、具有纯滞后τ系统由于存在纯滞后时间τ，故其α、P 和M 的值应选的大一些。
P 的取值必须大于τ，即P τ>，而M 的取值最好为M P τ≤-。
并且在()r Y k 的设计中考虑纯滞后时间。
3、试述前馈控制和推理控制的适用场合，画出推理控制的结构框图，阐述推理控制器的一般设计过程。
（15分） 答：1、前馈控制是一种利用输入或扰动信号的直接控制作用构成的开环控制。
由于按偏差确定控制作用以使输出量保持其在期望值的反馈控制系统，对于滞后较大的控制对象，其反馈控制作用不能及时影响系统的输出，以致引起输出量的过大波动，直接影响控制品质。
如果引起输出量较大波动的主要外扰动参量是可量测和可控制的，则可在反馈控制的同时，利用外扰信号直接控制输出（实施前馈控制），构成复合控制能迅速有效地补偿外扰对整个系统的影响，并利于提高控制精度。
这种按外扰信号实施前馈控制的方式称为扰动控制，按不变性原理，理论上可做到完全消除主扰动对系统输出的影响。
这类按输入或扰动的开环控制通常与包含按偏差的闭环控制共同组成反馈-前馈)s )s R )推理控制结构图控制系统，称为复合控制系统。
故可知：前馈控制适用于扰动是可以测量的场合。
2、而推断控制应用于扰动变量无法直接测量的场合。
3、同样单纯的推理控制系统也是开环控制系统。
因此，要完全对不可直接测量的扰动和不可直接测量的主输出变量的影响进行补偿以实现无余差控制，必须精确知道过程模型和扰动模型。
然而，这在实际工业过程控制中是十分困难的。
为了克服模型误差及其他扰动所导致的过程主要输出的稳态误差，在可能的条件下，推理控制常与反馈控制系统结合起来，以构成推断反馈控制。
推断反馈控制器的一般设计过程是：（1） 选择辅助测量变量()Z s ，最常用的是可测辅助变量是温度和压力。
（2） 过程传递函数的()P G s ∧，()PS G s ∧，()A s ∧，()B s ∧。
推断反馈控制系统的成败在于是否有可靠的不可测输出估计器，而这又决定于对过程的了解程度，也即过程传递函数的精确程度。
（3） 设计推断控制器估计出不可测量输出量（4） 以此推断出来的()Y s ∧反馈和设定值构成反馈，设计控制器。
4、 软测量与推理控制的联系是什么？试述软测量技术实施的一般步骤，列举每一步中可采用的主要方法。
（15分） 答：1、软测量的基本思想是根据某种最优准则，选择一组容易测量又与过程主要变量有密切关系的过程辅助变量（辅助变量），通过构造某种数学模型，并通过软件计算实现对不易测量的过程主要输出变量的在线估计。
2、推理控制是利用过程中可直接测量的变量，如温度、压力和流量等作为辅助变量，来推断不可直接测量的扰动对过程输出入产品成分等的影响，然后基于这些推断估计量来确定控制输入u ，以消除不可直接测量的扰动对过程主要输出即被控变量的影响，改善控制品质。
3、由上面对两者概念的叙述，容易知道软测量技术作为推理控制器的一部分而存在。
推理控制器由两部分组成，其中一部分就是由软测量构成的对主要输出变量估计的估计器；另一部分是根据估计器输出得到的控制器。
事实上，由于推理控制器往往是针对具体的对象设计的，所以估计器和控制器往往是一体的。
这也就是所谓的推理控制器。
4、软测量技术实施的一般步骤如下：（1）辅助变量的初选。
根据工艺的机理分析，在可测变量集合中，初步选择所有被估计变量有关的原始辅助变量，这些变量中部分可能是相关变量。
（2）现场数据的采集与处理。
采集被估计变量和原始辅助变量的历史数据，数据数量越多越好。
现场数据必须经过显著误差检测和数据协调，保证数据的准确性。
由于软测量一般为静态估计，要采集装置平稳进行时的采集，并注意纯滞后的影响。
过程数据处理可以分为两类：一对过程数据的标准化；二对过程数据校正。
原始数据采集后必须进行标准化：一是进行数据格式的标准化，统一数据格式；二是分布特性的标准化，使同一变量对应的数据满足标准正态分布，亦即使其其为均值为零，方差为1；三是数据的归一化，以防止计算过程出现病态数据。
一般有两种方法：一种是把数据通过线性变换变换到[0,1]之间；另一种是通过线性变换把数据变换到[-1,1]之间。
数据校正是显著误差和数据协调的统称。
数据校正可以是稳态数据校正，有两种校正方法：一是基于Lagrange的数据校正方法，二是基于统计的显著误差侦破方法；亦可以是基于过程模型的动态数据校正，一般的方法是Kalman滤波方法。
（3）辅助变量的精选，即输入数据降维。
通过机理分析，可以在原始辅助变量中，找出相关的变量，选择响应灵敏，测量精度高的变量为最终的辅助变量。
进行辅助变量选择的方法有奇异值分解法、主元分析法、Karhunen-Loeve方法和相关分析等。
更为有效的方法是主元分析法，即利用现场的历史数据作统计分析计算，将原始辅助变量与被测变量的关联序排序，实现变量精选。
（4）软测量模型的结构选择。
根据工艺特点选择模型的类型：线性、非线性和混和型等。
对于非线性系统，若历史数据反映出系统工作在多个典型的稳态工作点，是选用单个复杂非线性模型，还是建立多个典型的线性模型，需通过分析比较，进行选择。
（5）软测量模型的在线校正。
在软仪表的使用过程中，随着生产条件、对象特性的变化，生产过程的工作点会发生一定程度的漂移，因此需要对软仪表进行校正以适应新的工况。
通常对软仪表的在线校正仅校正模型的参数。
具体的方法有自适应（Ming et al, 1991）、增量法（罗荣富等，1992）和多时标法（Lenartson, 1988）。
综合题（2小题，共20分）1、（本题10分）如图所示的反应釜进行的是放热反应，而釜内温度过高会发生事故，因此采用夹套通冷却水来进行冷却，以带走反应过程中所产生的热量。
由于工艺对该反应过程温度控制精度要求很高，单回路控制满足不了要求，需用复杂控制方案。
（1）当冷却水压力波动是主要干扰时，若采用串级控制方案，请画出该控制系统方案图。
（2）选择调节阀的气开、气关形式，并说明原因。
（3）确定调节器的正、反作用方式，必须有详细的分析过程答：（1）该控制系统方案图（2）选择气闭。
（3）当温度升高时，水压升高，应开大阀门；当温度降低时，水压降低，应关小阀门，即应该是正作用。
2、（本题10分）已知：某双输入、双输出对象如图所示：对象的传递函数阵为：⎥⎥⎥⎥⎦⎤++⎢⎢⎢⎢⎣⎡++=----182.14615.162192.1742089.615.1622089.6)(637.35027.38507.37216.36s e s e s e s e s G s s s s问题：（1）如何进行变量配对？（2）需要进行解耦设计吗?请说明理由。
（3）请根据前馈补偿法设计动态的补偿解耦器，并对该补偿解耦器进行必要的简化。
（4）设计静态前馈补偿解耦器，并据此画出闭环控制系统的控制框图。
答：（1）令21()0G s =，12()0G s =（2）需要进行解耦设计，21()G s 与12()G s 应当使1()U s 、2()U s 与1()Y s 、2()Y s 交叉影响。
（3）10()()01G s D s ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦110()()01D s G s -⎡⎤=⎢⎥⎣⎦1()()D s G s -= （4）四 、计算题（1小题，共10分）1、（本题10分）请设计以下过程 ( yr = 0)y(k) -1.6y(k-1)+0.8y(k-2) = u(k-2)- 0.5u(k-3)+ε(k)+1.5ε(k-1)+0.9ε(k-2)的最小方差控制器（MVC ），计算输出误差方差，并分析该控制器的主要性能，其中ε(k)为白噪声序列，且方差为2σ。
解：12112()(1 1.60.8)(2)(10.5)()(1 1.50.9)y k q q u k q k q q ε------+=--+++令121 1.60.8A q q --=-+ 110.5B q -=- 121 1.50.9C q q --=++得()(2)()Ay k Bu k C k ε=-+()(2)()B Cy k u k k A Aε=-+ 令1121()()()C G q F q q A A q ----=+ 11(1)11()1...d d F q f q f q -----=+++11(1)011()...n n G q g g q g q -----=+++1111()()()()d C q A q F q q G q -----=+并111()()()()()G q u k y k B q F q ---=- 最小方差预估误差的方差为22211var(1...)d f f σ-+++ 因为2d = 即111()1F qf q --=+ 1101()G qg g q --=+ 1111()()()()d C q A q F q q G q -----=+12121211011 1.50.9(1 1.60.8)(1)()q q q q f q q g g q -------++=-++++1212323111013.10.1 1.60.8q q f q f q f q g q g q -------+=-+++12123101113.10.1( 1.6)(0.8)q q f q g f q f g q -----+=+-++得出101113.10.1 1.600.8f g f f g =⎧⎪=-⎨⎪=+⎩ 即1013.15.062.48f g g =⎧⎪=⎨⎪=-⎩从而11()1 3.1F qq --=+ 11() 5.06 2.48G q q --=- 11()10.5B q q --=-111111() 5.06 2.48()()()()()(10.5)(1 3.1)G q q u k y k y k B q F q q q -------=-=--+ 12()(1 2.6 1.55) 5.06() 2.48(1)u k q q y k y k --+-=-+-最小方差控制：()5.06() 2.48(1) 2.6(1) 1.55(2)u k y k y k u k u k =-+---+-系统输出的方差为：222221var ()(1)(1 3.1)10.61y k f σσσ=+=+=。
