Ebook Động Lực Học và Kiểm Soát Quy Trình - Phiên Bản Thứ 4, Tập 1

Khám phá nội dung chi tiết của Ebook "Process Dynamics and Control" ấn bản thứ 4, phần 1, cung cấp kiến thức chuyên sâu về động lực học và điều khiển.

Chuyên ngành

Chemical Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

sách

2016

255
1
0

Phí lưu trữ

55 Point

Mục lục chi tiết

Preface

PART ONE. PART ONE

1. INTRODUCTION TO PROCESS CONTROL

1.1. Introduction to Process Control

1.2. Representative Process Control Problems

1.3. Illustrative Example—A Blending Process

1.4. Classification of Process Control Strategies

1.5. A More Complicated Example—A Distillation Column

1.6. The Hierarchy of Process Control Activities

1.7. An Overview of Control System Design

2. Theoretical Models of Chemical Processes

2.1. The Rationale for Dynamic Process Models

2.2. General Modeling Principles

2.3. Degrees of Freedom Analysis

2.4. Dynamic Models of Representative Processes

2.5. Process Dynamics and Mathematical Models

3. Laplace Transforms

3.1. Laplace Transforms of Representative Functions

3.2. Solution of Differential Equations by Laplace Transform Techniques

3.3. Partial Fraction Expansion

3.4. Other Laplace Transform Properties

3.5. A Transient Response Example

3.6. Software for Solving Symbolic Mathematical Problems

4. Properties of Transfer Functions

4.1. Introduction to Transfer Function Models

4.2. Properties of Transfer Functions

4.3. Linearization of Nonlinear Models

5. Dynamic Behavior of First-Order and Second-Order Processes

5.1. Standard Process Inputs

5.2. Response of First-Order Processes

5.3. Response of Integrating Processes

5.4. Response of Second-Order Processes

6. Dynamic Response Characteristics of More Complicated Processes

6.1. Poles and Zeros and Their Effect on Process Response

6.2. Processes with Time Delays

6.3. Approximation of Higher-Order Transfer Functions

6.4. Interacting and Noninteracting Processes

6.5. State-Space and Transfer Function Matrix Models

6.6. Multiple-Input, Multiple-Output (MIMO) Processes

7. Development of Empirical Models from Process Data

7.1. Model Development Using Linear or Nonlinear Regression

7.2. Fitting First- and Second-Order Models Using Step Tests

7.3. Neural Network Models

7.4. Development of Discrete-Time Dynamic Models

7.5. Identifying Discrete-Time Models from Experimental Data

PART TWO. DYNAMIC BEHAVIOR OF PROCESSES

PART THREE. FEEDBACK AND FEEDFORWARD CONTROL

8. Transfer Function Models

8.1. Introduction to Transfer Function Models

8.2. Basic Control Modes

8.3. Features of PID Controllers

8.4. Digital Versions of PID Controllers

8.5. Typical Responses of Feedback Control Systems

8.6. On–Off Controllers

9. Control System Instrumentation

9.1. Sensors, Transmitters, and Transducers

9.2. Final Control Elements

14. Frequency Response Characteristics

14.1. Sensors, Transmitters, and Transducers

14.2. Sinusoidal Forcing of an nth-Order Process

14.4. Frequency Response Characteristics of Feedback Controllers

14.6. Bode Stability Criterion

Tóm tắt

I. Hướng Dẫn Chi Tiết Về Động Lực Học và Kiểm Soát Quy Trình

Động lực học và kiểm soát quy trình là hai lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật hóa học. Chúng giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Việc hiểu rõ về động lực học sẽ giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống điều khiển hiệu quả hơn.

1.1. Tổng Quan Về Động Lực Học Trong Kiểm Soát Quy Trình

Động lực học là nghiên cứu về hành vi của các hệ thống trong thời gian. Nó bao gồm các khái niệm như trạng thái ổn định và không ổn định, phản hồi và điều khiển. Việc nắm vững các khái niệm này là cần thiết để phát triển các hệ thống kiểm soát hiệu quả.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Kiểm Soát Quy Trình

Kiểm soát quy trình giúp duy trì các thông số sản xuất trong giới hạn cho phép. Điều này không chỉ đảm bảo chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu lãng phí và tăng hiệu suất. Các công nghệ hiện đại như PID và điều khiển số đang được áp dụng rộng rãi.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Động Lực Học

Mặc dù động lực học và kiểm soát quy trình mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại nhiều thách thức. Các vấn đề như độ không chắc chắn trong mô hình và sự phức tạp của hệ thống có thể gây khó khăn trong việc thiết kế và triển khai hệ thống kiểm soát.

2.1. Độ Không Chắc Chắn Trong Mô Hình

Độ không chắc chắn trong mô hình có thể dẫn đến sai lệch trong dự đoán hành vi của hệ thống. Việc sử dụng các phương pháp như mô hình hóa thống kê có thể giúp giảm thiểu vấn đề này.

2.2. Sự Phức Tạp Của Hệ Thống

Hệ thống ngày càng phức tạp với nhiều biến số và tương tác. Điều này đòi hỏi các kỹ sư phải có kiến thức sâu rộng và kỹ năng phân tích để thiết kế các hệ thống kiểm soát hiệu quả.

III. Phương Pháp Giải Quyết Vấn Đề Trong Động Lực Học

Để giải quyết các vấn đề trong động lực học, nhiều phương pháp đã được phát triển. Các phương pháp này bao gồm mô hình hóa, phân tích và tối ưu hóa quy trình. Việc áp dụng các công nghệ mới cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất.

3.1. Mô Hình Hóa Quy Trình

Mô hình hóa quy trình giúp hiểu rõ hơn về hành vi của hệ thống. Các mô hình toán học có thể được sử dụng để dự đoán phản ứng của hệ thống dưới các điều kiện khác nhau.

3.2. Phân Tích Động Lực Học

Phân tích động lực học cho phép đánh giá hiệu suất của hệ thống. Các công cụ như MATLAB và Simulink thường được sử dụng để mô phỏng và phân tích các hệ thống phức tạp.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Động Lực Học

Động lực học và kiểm soát quy trình có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp. Từ sản xuất hóa chất đến chế biến thực phẩm, các hệ thống kiểm soát giúp tối ưu hóa quy trình và nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Hóa Chất

Trong ngành hóa chất, động lực học giúp tối ưu hóa quy trình phản ứng. Việc kiểm soát nhiệt độ và áp suất là rất quan trọng để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Thực Phẩm

Trong ngành thực phẩm, kiểm soát quy trình giúp duy trì chất lượng và an toàn thực phẩm. Các hệ thống kiểm soát tự động giúp theo dõi và điều chỉnh các thông số trong quá trình sản xuất.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Động Lực Học

Động lực học và kiểm soát quy trình sẽ tiếp tục phát triển trong tương lai. Sự tiến bộ của công nghệ sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu suất sản xuất.

5.1. Xu Hướng Công Nghệ Mới

Công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy đang được áp dụng trong kiểm soát quy trình. Những công nghệ này hứa hẹn sẽ cải thiện khả năng dự đoán và tối ưu hóa quy trình.

5.2. Tương Lai Của Ngành Công Nghiệp

Ngành công nghiệp sẽ ngày càng phụ thuộc vào các hệ thống kiểm soát tự động. Việc phát triển các giải pháp bền vững và hiệu quả sẽ là ưu tiên hàng đầu trong tương lai.

25/07/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Process Dynamics and Control Fourth Edition Dale E. Seborg University of California, Santa Barbara Thomas F. Edgar University of Texas at Austin Duncan A. Mellichamp University of California, Santa Barbara Francis J.

Doyle III Harvard University VICE PRESIDENT & DIRECTOR Laurie Rosatone SENIOR DIRECTOR Don Fowley EXECUTIVE EDITOR Linda Ratts SENIOR MARKET SOLUTIONS ASSISTANT Courtney Jordan PROJECT MANAGER Gladys Soto PROJECT EDITOR Nichole Urban PROJECT ASSISTANT Wauntao Matthews SENIOR MARKETING MANAGER Daniel Sayre DIRECTOR, PRODUCTION Lisa Wojcik SENIOR CONTENT SPECIALIST Nicole Repasky PRODUCTION EDITOR Loganathan Kandan COVER PHOTO CREDIT Courtesy of ABB This book was set in 10/12 TimesTenLTStd by SPi Global, Chennai, India and printed and bound by Strategic Content Imaging. The cover was printed by Strategic Content Imaging. This book is printed on acid free paper. Founded in 1807, John Wiley & Sons, Inc.

has been a valued source of knowledge and understanding for more than 200 years, helping people around the world meet their needs and fulfill their aspirations. Our company is built on a foundation of principles that include responsibility to the communities we serve and where we live and work. In 2008, we launched a Corporate Citizenship Initiative, a global effort to address the environmental, social, economic, and ethical challenges we face in our business. Among the issues we are addressing are carbon impact, paper specifications and procurement, ethical conduct within our business and among our vendors, and community and charitable support.

For more information, please visit our website: www.com/go/citizenship. Copyright © 2017, 2011, 2004, 1990 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, scanning or otherwise, except as permitted under Sections 107 or 108 of the 1976 United States Copyright Act, without either the prior written permission of the Publisher, or authorization through payment of the appropriate per-copy fee to the Copyright Clearance Center, Inc., 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923 (Web site: www.

Requests to the Publisher for permission should be addressed to the Permissions Department, John Wiley & Sons, Inc., 111 River Street, Hoboken, NJ 07030-5774, (201) 748-6011, fax (201) 748-6008, or online at: www.com/go/permissions. Evaluation copies are provided to qualified academics and professionals for review purposes only, for use in their courses during the next academic year. These copies are licensed and may not be sold or transferred to a third party. Upon completion of the review period, please return the evaluation copy to Wiley.

Return instructions and a free of charge return shipping label are available at: www.com/go/returnlabel. If you have chosen to adopt this textbook for use in your course, please accept this book as your complimentary desk copy. Outside of the United States, please contact your local sales representative. ISBN: 978-1-119-28591-5 (PBK) ISBN: 978-1-119-00052-5 (EVALC) Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Names: Seborg, Dale E.

Title: Process dynamics and control / Dale E. Seborg, University of California, Santa Barbara, Thomas F. Edgar, University of Texas at Austin, Duncan A. Mellichamp, University of California, Santa Barbara, Francis J.

Doyle III, Harvard University. Description: Fourth edition. | Hoboken, NJ : John Wiley & Sons, Inc., [2016] | Includes bibliographical references and index. Identifiers: LCCN 2016019965 (print) | LCCN 2016020936 (ebook) | ISBN 9781119285915 (pbk.: acid-free paper) | ISBN 9781119298489 (pdf) | ISBN 9781119285953 (epub) Subjects: LCSH: Chemical process control—Data processing.

Classification: LCC TP155 .2815—dc23 LC record available at https://lccn.gov/2016019965 Printing identification and country of origin will either be included on this page and/or the end of the book. In addition, if the ISBN on this page and the back cover do not match, the ISBN on the back cover should be considered the correct ISBN. Printed in the United States of America About the Authors To our families Dale E. Seborg is a Professor Emeritus and Research Duncan A.

Mellichamp is a founding faculty member Professor in the Department of Chemical Engineering of the Department of Chemical Engineering of the at the University of California, Santa Barbara. He University of California, Santa Barbara. He is edi- received his B. degree from the University of Wis- tor of an early book on data acquisition and control consin and his Ph.

degree from Princeton University. computing and has published more than 100 papers Before joining UCSB, he taught at the University of on process modeling, large scale/plantwide systems Alberta for nine years. Seborg has published over analysis, and computer control. degree 230 articles and co-edited three books on process con- from Georgia Tech and a Ph.

from Purdue University trol and related topics. He has received the American with intermediate studies at the Technische Universität Statistical Association’s Statistics in Chemistry Award, Stuttgart (Germany). He worked for four years with the American Automatic Control Council’s Education the Textile Fibers Department of the DuPont Company Award, and the ASEE Meriam-Wiley Award. He was before joining UCSB.

Mellichamp has headed sev- elected to the Process Automation Hall of Fame in eral organizations, including the CACHE Corporation 2008. Seborg has served on the Editorial Advisory (1977), the UCSB Academic Senate (1990–1992), and Boards for several journals and a book series. He has the University of California Systemwide Academic also been a co-organizer of several major national and Senate (1995–1997), where he served on the UC Board international control engineering conferences. He presently serves on the governing boards of several nonprofit organizations and as president of Thomas F.

Edgar holds the Abell Chair in chemical Opera Santa Barbara. Emeritus Professor since 2003, he engineering at the University of Texas at Austin and still guest lectures and publishes in the areas of process is Director of the UT Energy Institute. He earned a profitability and plantwide control. degree in chemical engineering from the University of Kansas and his Ph.

from Princeton University. Doyle III is the Dean of the Harvard Paulson Before receiving his doctorate, he was employed by School of Engineering and Applied Sciences. He is also Continental Oil Company. His professional honors the John A.

Armstrong Professor of Engi- include the AIChE Colburn and Lewis Awards, ASEE neering & Applied Sciences at Harvard University. He Meriam-Wiley and Chemical Engineering Division received his B. from Cam- Awards, ISA and AACC Education Awards, AACC bridge, and Ph. from Caltech, all in Chemical Engi- Bellman Control Heritage Award, and AIChE Comput- neering.

Prior to his appointment at Harvard, Dr. Doyle ing in Chemical Engineering Award. He has published held faculty appointments at Purdue University, the over 500 papers in the field of process control, optimiza- University of Delaware, and UCSB. He also held vis- tion, and mathematical modeling of processes such as iting positions at DuPont, Weyerhaeuser, and Stuttgart separations, combustion, microelectronics processing, University.

He is a Fellow of IEEE, IFAC, AAAS, and and energy systems. He is a co-author of Optimization AIMBE; he is also the recipient of multiple research of Chemical Processes, published by McGraw-Hill in awards (including the AIChE Computing in Chemical 2001. Edgar was the president of AIChE in 1997, Engineering Award) as well as teaching awards (includ- President of the American Automatic Control Council ing the ASEE Ray Fahien Award). He is the Vice in 1989–1991 and is a member of the National Academy President of the Technical Board of IFAC and is the of Engineering.

President of the IEEE Control Systems Society in 2016. iii Preface Global competition, rapidly changing economic condi- it is essential for understanding the material. Key theo- tions, faster product development, and more stringent retical concepts are illustrated with numerous examples, environmental and safety regulations have made process exercises, and simulations. control increasingly important in the process industries.

Initially, the textbook material was developed for an Process control and its allied fields of process modeling industrial short course. But over the past 40 years, it and optimization are critical in the development of has significantly evolved at the University of California, more flexible and complex processes for manufacturing Santa Barbara, and the University of Texas at Austin. high-value-added products. Furthermore, the continu- The first edition was published in 1989 and adopted ing development of improved and less-expensive digital by over 80 universities worldwide.

In the second edi- technology has enabled high-performance measure- tion (2004), we added new chapters on the important ment and control systems to become an essential part topics of process monitoring, batch process control, of industrial plants. and plantwide control. For the third edition (2011), we Overall, it is clear that the scope and importance were very pleased to add a fourth co-author, Professor of process control technology will continue to expand Frank Doyle (then at UCSB) and made major changes during the 21st century. Consequently, chemical engi- that reflect the evolving field of chemical and biolog- neers need to master this subject in order to be able ical engineering.

These previous editions have been to develop, design, and operate modern processing very successful and translated into Japanese, Chinese, plants. The concepts of dynamic behavior, feedback, Korean, and Turkish. and stability are important for understanding many General revisions for the fourth edition include complex systems of interest to chemical engineers, reducing the emphasis on lengthy theoretical deriva- such as bioengineering and advanced materials. An tions and increasing the emphasis on analysis using introductory process control course should provide an widely available software: MATLAB® , Simulink® , and appropriate balance of theory and practice.

In partic- Mathematica. We have also significantly revised mate- ular, the course should emphasize dynamic behavior, rial on major topics including control system design, physical and empirical modeling, computer simulation, instrumentation, and troubleshooting to include new measurement and control technology, fundamental con- developments. In addition, the references at the end of trol concepts, and advanced control strategies. We have each chapter have been updated and new exercises have organized this book so that the instructor can cover been added.

the basic material while having the flexibility to include Exercises in several chapters are based on MATLAB® advanced topics on an individual basis. The textbook simulations of two physical models, a distillation col- provides the basis for 10–30 weeks of instruction for umn and a furnace. Both the book and the MATLAB a single course or a sequence of courses at either the simulations are available on the book’s website (www. undergraduate or first-year graduate levels.

It is also wiley.com/college/seborg). National Instruments has suitable for self-study by engineers in industry. The provided multimedia modules for a number of examples book is divided into reasonably short chapters to make in the book based on their LabVIEW™ software. it more readable and modular.

This organization allows Revisions to the five parts of the book can be sum- some chapters to be omitted without a loss of continuity. marized as follows. Part I provides an introduction to The mathematical level of the book is oriented toward process control and an in-depth discussion of process a junior or senior student in chemical engineering who modeling. It is an important topic because control sys- has taken at least one course in differential equations.

tem design and analysis are greatly enhanced by the Additional mathematical tools required for the analysis availability of a process model. of control systems are introduced as needed. We empha- Steady-state and unsteady-state behavior of pro- size process control techniques that are used in practice cesses are considered in Part II (Chapters 3 through 7). and provide detailed mathematical analysis only when Transfer functions and state-space models are used iv Preface v to characterize the dynamic behavior of linear and Dave Camp, Jarrett Campbell, I-Lung Chien, Will nonlinear systems.

However, we have kept deriva- Cluett, Oscar Crisalle, Patrick Daugherty, Bob Desho- tions using classical analytical methods (e., Laplace tels, Rainer Dittmar, Jim Downs, Ricardo Dunia, David transforms) to a minimum and prefer the use of com- Ender, Stacy Firth, Rudiyanto Gunawan, Juergen puter simulation to determine dynamic responses.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ