工业过程辨识与控制

　　“过程控制”是自动化专业本科生和控制科学与工程学科研究生重要的专业课，本书针对工业过程系统在辨识与控制方面对现有控制理论和方法提出的要求，重点介绍国内外近年来的进展和作者在这方面的研究工作，书中包括了作者及其研究生们在过程控制领域中的部分科研成果。 本书着重将控制理论中辨识、控制、优化的方法与过程系统的特点有机结合，大部分大型复杂工业过程事实上都是多输入多输出（MIMO）系统，在现有的多变量控制技术当中，许多先进的控制算法如预测控制等？需要已知过程的传递函数矩阵或者整个工作频率范围内频率响应矩阵的完整模型。在许多情况下，这一模型是未知的，并且物理建模所需的代价非常高昂。因此，实用有效的过程完整模型估计方法引起控制界的广泛兴趣，并且近几十年来一直是控制工程中一个积极的研究领域。本书介绍了无论从过程控制理论方面还是过程系统工业应用方面都十分需要的研究内容和方法，书中有几章内容是作者最近得到的结果，如多变量系统在闭环条件下的辨识、多变量系统的配对与结构设计以及过程控制系统的性能评估等，引起同行们的广泛关注与引用。本书适合高等院校自动化、计算机控制等专业的本科生和控制科学与工程学科的研究生教学使用，亦可供有关科技人员参考。读者对象：本书适合高等院校自动化、计算机控制等专业的本科生和控制科学与工程学科的研究生教学使用，亦可供有关科技人员参考。一级分类：教材二级分类：本科教材三级分类：电气电子

　　作者２０１０年金秋

1 过程控制的基本概念
1.1 工业过程控制系统
1.2 pid控制
1.2.1 比例作用
1.2.2 积分作用
1.2.3 微分作用
1.2.4 闭环系统的稳定性
1.3 控制器设计的时域方法
1.4 控制器设计的频域方法
1.4.1 基于频域响应稳态增益的控制器设计
1.4.2 采用频域响应判据设计控制器
习题与思考题
2 高级过程控制
2.1 高级过程控制系统结构
2.1.1 直接合成
2.1.2 内模控制近似模型调整规律
2.2 过程控制系统的积分饱和现象和抗饱和方案
2.2.1 输入受限
2.2.2 反馈补偿
2.2.3 可实现参考值
2.2.4 条件积分
2.3 先进pid控制器参数调整
2.3.1 图表法
2.3.2 两点法
2.3.3 面积法
2.4 继电器反馈
习题与思考题
3 复杂动态系统的控制器设计
3.1 复杂过程动态特性
3.2 时间延迟系统的控制
3.2.1 常规反馈控制器设计
3.2.2 smith预估器
3.2.3 改进的smith预估器
3.3 负响应系统
3.3.1 负响应系统的控制
3.3.2 负响应补偿
3.4 开环不稳定系统
3.4.1 控制系统设计的难点
3.4.2 两步法设计
习题与思考题
4 复杂控制系统
4.1 基本概念
4.2 串级控制系统
4.2.1 串级控制的基本原理
4.2.2 串级控制器参数调整
4.2.3 串级控制系统的防积分饱和
4.3 前馈控制
4.3.1 前馈控制器的设计
4.3.2 实际中需要注意的事项
4.3.3 反馈/前馈控制
4.4 比值控制
4.5 单个输入控制多个输出
4.6 多个输入控制单个输出
4.7 推断控制
4.7.1 反馈控制方法
4.7.2 串级控制
4.7.3 基于估计器的控制
4.7.4 推断控制
习题与思考题
5 工业过程系统的经验建模与辨识
5.1 基础概念
5.1.1 过程辨识的基本定义
5.1.2 经验建模的原则
5.2 最小二乘法
5.2.1 线性方法
5.2.2 线性化模型
5.2.3 加权最小二乘法
5.2.4 递推最小二乘法
5.2.5 指数型遗忘最小二乘法
5.3 傅里叶理论
5.3.1 傅里叶变换
5.3.2 傅里叶变换的性质
5.3.3 离散傅里叶变换（dft）
5.3.4 快速傅里叶变换（fft）
5.4 描述函数
5.4.1 基本概念
5.4.2 描述函数估计
5.4.3 典型的非线性环节
5.4.4 极限环
习题与思考题
6 基于阶跃响应的参数辨识
6.1 阶跃响应辨识的基本概念
6.2 开环阶跃测试的典型方法
6.2.1 log方法
6.2.2 两点法
6.2.3 面积法
6.3 用于开环回路测试的最小二乘法
6.4 经典的闭环回路阶跃测试
6.5 系统在pid控制下的最小二乘法
6.5.1 问题描述
6.5.2 递归求解
6.5.3 传递函数模型辨识
6.5.4 应用和仿真实例
习题与思考题
7 基于继电测试的参数辨识
7.1 继电反馈的基本原理
7.1.1 产生稳定的振荡
7.1.2 估计传递函数
7.1.3 傅里叶变换法
7.2 改进的继电反馈测试
7.2.1 不对称的开关反馈
7.2.2 带磁滞的开关
7.2.3 带滞后的磁滞的实现
7.2.4 不对称磁滞开关
7.3 非传统的继电反馈方法
7.3.1 带积分的开关反馈
7.3.2 双开关测试
7.3.3 开关加阶跃
习题与思考题
8 基于脉冲响应的参数辨识
8.1 脉冲响应辨识
8.1.1 基本原理
8.1.2 一般理论
8.1.3 简单模型形式的辨识
8.1.4 从实验数据中获得矩
8.1.5 从其他响应中得到脉冲响应数据
8.2 基于脉冲响应的频率辨识
8.2.1 频率响应
8.2.2 频谱
8.3 用于自调节过程的辨识
8.4 仿真实例
习题与思考题
9 多变量过程系统的参数辨识
9.1 多变量系统辨识的基础概念
9.2 tito过程闭环阶跃测试
9.2.1 分散辨识
9.2.2 时域辨识
9.2.3 频域辨识
9.3 一般mimo过程的辨识
9.3.1 测试过程和一般公式
9.3.2 解耦辨识系统
9.4 不对称双边脉冲辨识
9.5 仿真举例
习题与思考题
10 多变量系统控制基础知识
10.1 基本概念
10.1.1 输入/输出配对
10.1.2 相互关联
10.1.3 操作窗口
10.1.4 能控性与能观测性
10.2 多变量过程模型
10.2.1 状态空间模型形式
10.2.2 传递函数模型形式
10.2.3 两种模型之间的关系
10.3 开环分析
10.3.1 解析解
10.3.2 稳定性
10.3.3 开环传递函数分析
10.3.4 奇异性奇异值
10.3.5 动态分析
10.4 闭环动态分析
10.4.1 多变量方框图
10.4.2 闭环传递函数
10.4.3 闭环暂态响应
10.4.4 闭环稳定性
习题与思考题
11 多变量系统的耦合性分析
11.1 预备知识
11.1.1 控制回路耦合性的测度
11.1.2 基于耦合分析的回路配对
11.2 相对增益序列（rga）
11.2.1 rga的性质
11.2.2 由第一原理计算rga
11.2.3 计算rga的矩阵方法
11.3 利用rga进行回路配对
11.3.1 rga元素的说明
11.3.2 基本配对规则
11.4 附加规则
11.4.1 niederlinski定理
11.4.2 niederlinski 配对规则
11.4.3 jacobi特征值判据
11.4.4 回路配对规则的应用
11.5 其他系统的配对
11.5.1 非线性系统的回路配对
11.5.2 带积分环节的系统回路配对
11.5.3 非方系统的回路配对
11.5.4 时间解耦
11.5.5 无过程模型的回路配对
11.6 相对干扰增益
习题与思考题
12 mimo过程分散控制
12.1 预备知识
12.1.1 一般概念
12.1.2 两入两出系统
12.2 经典的多回路控制器设计
12.2.1 采用试凑误差法设计多回路控制器
12.2.2 采用最优化方法设计多回路控制器
12.2.3 采用rga失调因子法设计多回路控制器
12.3 基于回路分解的控制器设计
12.3.1 结构分解
12.3.2 增益裕度和相角裕度设计
12.3.3 仿真实例
12.4 基于nyquist稳定性判据设计
12.4.1 分散控制系统稳定性分析
12.4.2 分散系统的稳定域
12.4.3 仿真实例
习题与思考题
13 控制系统的性能评估与监控
13.1 概述
13.2 数学基础知识
13.2.1 统计学
13.2.2 变量的标度化
13.2.3 多元线性回归（mlr）
13.2.4 正态分布
13.3 性能监测
13.3.1 极限测试
13.3.2 性能参数的计算
13.3.3 ｘ－（斯华特）控制图
13.3.4 s控制图
13.4 统计过程控制
13.4.1 质量过程控制的理论基础
13.4.2 点图测验和西部电气规则
13.4.3 cusum控制图
13.4.4 ewma控制图
习题与思考题
14 控制系统的构成
14.1 概述
14.2 传感器
14.2.1 选择标准
14.2.2 温度传感器
14.2.3 流量传感器
14.2.4 压力传感器
14.2.5 液位传感器
14.2.6 在线分析仪
14.3 执行器
14.3.1 选择标准
14.3.2 阀门的主要特性
14.3.3 阀门的选择和安装
14.4 控制信号的传输
14.4.1 概述
14.4.2 模拟信号传输
14.4.3 数字通信
习题与思考题
参考文献