本書系統(tǒng)地介紹了一套面向工業(yè)過程控制工程的辨識建模和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用技術(shù),主要基于第一作者和合作者們關(guān)于工業(yè)過程辨識建模和控制方面的成果整理而形成,并且匯編了一些必要的基礎(chǔ)知識,以便讀者從零開始學(xué)習(xí)并最終掌握這套工程技術(shù)理論與應(yīng)用方法。
本書分兩部分:第一部分針對過程控制工程領(lǐng)域中,按照階躍響應(yīng)特性劃分的對象類型,詳細(xì)闡述了開環(huán)穩(wěn)定、積分和不穩(wěn)定過程的動態(tài)特性辨識建模方法以及采樣系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的參數(shù)估計(jì)方法;第二部分從基本的單回路控制結(jié)構(gòu)和內(nèi)�？刂圃黹_始,逐步深入介紹了先進(jìn)的兩自由度控制、采樣控制、主動抗擾控制、反飽和控制、串級控制、多回路控制、多變量解耦控制以及批次過程控制與運(yùn)行優(yōu)化理論和應(yīng)用方法等。
本書的特點(diǎn)是由淺入深地介紹過程控制工程基本理論與研究成果,注重理論分析與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,每章介紹的主要方法都配有仿真或工程應(yīng)用案例,并且在各章后附有主要方法的仿真程序,以便讀者參考和應(yīng)用測試。同時(shí),各章后配有練習(xí)題和仿真作業(yè),以便教師教學(xué)使用。
本書可作為自動化類及相關(guān)專業(yè)本科生及研究生的教材,也可供工業(yè)過程控制工程領(lǐng)域的學(xué)者和技術(shù)人員參考。
第1章 緒論1
1.1 過程動態(tài)特性辨識建模1
1.1.1 過程辨識建模的對象范圍1
1.1.2 典型的過程動態(tài)特性描述模型3
1.2 模型擬合準(zhǔn)則與評價(jià)指標(biāo)6
1.3 過程控制系統(tǒng)組成與技術(shù)發(fā)展8
1.3.1 過程控制系統(tǒng)組成與主要任務(wù)8
1.3.2 過程控制技術(shù)的發(fā)展10
1.4 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性與性能指標(biāo)11
1.4.1 穩(wěn)定性判據(jù)11
1.4.2 控制性能指標(biāo)13
1.5 本章小結(jié)16
習(xí)題17
參考文獻(xiàn)17
第一部分 過程辨識建�！�/20
第2章 基于階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)辨識開環(huán)穩(wěn)定過程20
2.1 階躍實(shí)驗(yàn)與頻率響應(yīng)估計(jì)21
2.2 常用模型結(jié)構(gòu)的參數(shù)辨識方法22
2.2.1 帶時(shí)滯參數(shù)的一階模型和重復(fù)極點(diǎn)高階模型22
2.2.2 帶時(shí)滯參數(shù)和不同極點(diǎn)的二階模型24
2.2.3 帶時(shí)滯參數(shù)和不同極點(diǎn)的高階模型25
2.2.4 一致性參數(shù)估計(jì)分析和模型結(jié)構(gòu)選擇27
2.2.5 應(yīng)用案例30
2.3 抗擾辨識模型參數(shù)的方法34
2.3.1 階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)34
2.3.2 模型參數(shù)辨識35
2.3.3 應(yīng)用案例40
2.4 基于閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)辨識模型參數(shù)42
2.4.1 對象頻率響應(yīng)估計(jì)42
2.4.2 模型參數(shù)辨識44
2.4.3 應(yīng)用案例45
2.5 本章小結(jié)47
習(xí)題48
參考文獻(xiàn)49
附 辨識算法程序50
第3章 基于階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)辨識積分和不穩(wěn)定過程54
3.1 基于階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)辨識積分過程54
3.1.1 頻率響應(yīng)估計(jì)54
3.1.2 模型參數(shù)辨識56
3.1.3 應(yīng)用案例58
3.2 基于閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)辨識積分和不穩(wěn)定過程59
3.2.1 積分型過程模型辨識60
3.2.2 不穩(wěn)定型過程模型辨識60
3.2.3 應(yīng)用案例64
3.3 本章小結(jié)68
習(xí)題68
參考文獻(xiàn)68
附 辨識算法程序69
第4章 基于持續(xù)激勵(lì)實(shí)驗(yàn)抗擾辨識采樣系統(tǒng)74
4.1 線性模型參數(shù)估計(jì)74
4.2 迭代辨識算法77
4.3 收斂性分析79
4.4 應(yīng)用案例84
4.5 本章小結(jié)89
習(xí)題89
參考文獻(xiàn)89
附 辨識算法程序90
第5章 基于持續(xù)激勵(lì)實(shí)驗(yàn)辨識積分型采樣系統(tǒng)92
5.1 輸入激勵(lì)設(shè)計(jì)93
5.2 模型參數(shù)辨識算法?94
5.3 收斂性分析97
5.4 應(yīng)用案例98
5.5 本章小結(jié)100
習(xí)題100
參考文獻(xiàn)100
附 辨識仿真程序101
第6章 基于持續(xù)激勵(lì)實(shí)驗(yàn)辨識非線性系統(tǒng)參數(shù)103
6.1 自適應(yīng)參數(shù)辨識算法103
6.2 收斂性分析108
6.3 應(yīng)用案例109
6.4 本章小結(jié)111
習(xí)題111
參考文獻(xiàn)111
附 辨識算法程序112
第二部分 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) /113
第7章 單回路控制113
7.1 內(nèi)�？刂�(IMC)原理113
7.2 改進(jìn)的IMC濾波器設(shè)計(jì)115
7.2.1 FOPDT穩(wěn)定過程116
7.2.2 SOPDT穩(wěn)定過程118
7.3 PID整定123
7.3.1 基于IMC設(shè)計(jì)的PID整定123
7.3.2 離散域PID整定124
7.4 應(yīng)用案例128
7.5 本章小結(jié)132
習(xí)題132
參考文獻(xiàn)133
附 控制仿真程序134
第8章 兩自由度控制136
8.1 開環(huán)穩(wěn)定和積分過程137
8.1.1 抗擾控制器138
8.1.2 設(shè)定點(diǎn)跟蹤控制器140
8.1.3 魯棒穩(wěn)定性分析141
8.1.4 應(yīng)用案例142
8.2 開環(huán)不穩(wěn)定過程148
8.2.1 設(shè)定點(diǎn)跟蹤控制器148
8.2.2 抗擾控制器149
8.2.3 魯棒穩(wěn)定性分析153
8.2.4 應(yīng)用案例154
8.3 本章小結(jié)158
習(xí)題159
參考文獻(xiàn)160
附 控制仿真程序161
第9章 采樣控制系統(tǒng)163
9.1 含時(shí)滯的開環(huán)穩(wěn)定過程163
9.1.1 抗擾控制器164
9.1.2 設(shè)定點(diǎn)跟蹤控制器166
9.1.3 控制性能評估166
9.1.4 魯棒穩(wěn)定性分析168
9.1.5 應(yīng)用案例169
9.2 含時(shí)滯的積分和不穩(wěn)定過程172
9.2.1 抗擾控制器172
9.2.2 設(shè)定點(diǎn)跟蹤控制器175
9.2.3 魯棒穩(wěn)定性分析177
9.2.4 應(yīng)用案例179
9.3 基于通用無時(shí)滯輸出預(yù)估器的兩自由度控制184
9.3.1 通用的無時(shí)滯輸出預(yù)估器185
9.3.2 兩自由度控制方案187
9.3.3 閉環(huán)抗擾控制器187
9.3.4 設(shè)定點(diǎn)跟蹤控制器191
9.3.5 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析191
9.3.6 應(yīng)用案例192
9.4 本章小結(jié)197
習(xí)題198
參考文獻(xiàn)199
附 控制仿真程序200
第10章 主動抗擾控制(ADRC)203
10.1 含有不確定性和干擾的對象描述203
10.2 基于無時(shí)滯輸出預(yù)估的ADRC設(shè)計(jì)204
10.2.1 擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ESO)205
10.2.2 兩自由度控制器206
10.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析207
10.4 應(yīng)用案例210
10.5 本章小結(jié)214
習(xí)題214
參考文獻(xiàn)215
附 控制仿真程序215
第11章 反飽和控制217
11.1 含有輸入飽和約束的過程描述217
11.2 基于ADRC的反對稱輸入飽和控制218
11.2.1 反飽和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器219
11.2.2 無時(shí)滯輸出預(yù)估器219
11.2.3 兩自由度控制器220
11.2.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析221
11.2.5 應(yīng)用案例226
11.3 基于ADRC的反非對稱輸入飽和控制229
11.3.1 對稱飽和約束變換230
11.3.2 反飽和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器230
11.3.3 廣義預(yù)測器與控制器231
11.3.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析232
11.3.5 應(yīng)用案例235
11.4 本章小結(jié)238
習(xí)題239
參考文獻(xiàn)239
附 控制仿真程序240
第12章 串級控制系統(tǒng)244
12.1 開環(huán)穩(wěn)定過程的串級控制244
12.1.1 控制器設(shè)計(jì)245
12.1.2 魯棒穩(wěn)定性分析247
12.2 開環(huán)不穩(wěn)定過程的串級控制248
12.2.1 控制器設(shè)計(jì)248
12.2.2 魯棒穩(wěn)定性分析249
12.3 應(yīng)用案例250
12.4 本章小結(jié)255
習(xí)題256
參考文獻(xiàn)256
附 控制仿真程序257
第13章 多回路控制系統(tǒng)259
13.1 系統(tǒng)輸入-輸出變量配對選擇259
13.1.1 相對增益陣列(RGA)259
13.1.2 奇異值分解(SVD)260
13.2 多回路系統(tǒng)的可控性261
13.3 多回路控制設(shè)計(jì)262
13.3.1 期望的對角傳遞函數(shù)矩陣262
13.3.2 多回路PI/PID整定264
13.4 穩(wěn)定性分析264
13.5 應(yīng)用案例266
13.6 本章小結(jié)269
習(xí)題269
參考文獻(xiàn)270
附 控制仿真程序271
第14章 多變量解耦控制系統(tǒng)273
14.1 雙輸入雙輸出系統(tǒng)的解耦控制273
14.1.1 解耦控制前提274
14.1.2 期望系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣274
14.1.3 解耦控制器矩陣設(shè)計(jì)276
14.1.4 穩(wěn)定性分析279
14.1.5 應(yīng)用案例280
14.2 多輸入多輸出系統(tǒng)的解耦控制284
14.2.1 解耦控制前提284
14.2.2 期望系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣285
14.2.3 解耦控制器矩陣設(shè)計(jì)287
14.2.4 穩(wěn)定性分析288
14.2.5 應(yīng)用案例290
14.3 多變量系統(tǒng)的兩自由度解耦控制295
14.3.1 期望設(shè)定點(diǎn)跟蹤和閉環(huán)抗擾傳遞函數(shù)矩陣295
14.3.2 解耦控制器矩陣設(shè)計(jì)297
14.3.3 穩(wěn)定性分析298
14.3.4 應(yīng)用案例300
14.4 本章小結(jié)304
習(xí)題305
參考文獻(xiàn)305
附 控制仿真程序307
第15章 批次過程控制310
15.1 基于IMC結(jié)構(gòu)的迭代學(xué)習(xí)控制(ILC)310
15.1.1 ILC方案310
15.1.2 IMC控制器311
15.1.3 ILC控制器312
15.1.4 穩(wěn)定性分析313
15.1.5 應(yīng)用案例316
15.2 基于PI回路的間接型ILC方法318
15.2.1 間接型ILC方案和二維系統(tǒng)描述319
15.2.2 魯棒PI控制器整定321
15.2.3 ILC控制律設(shè)計(jì)323
15.2.4 應(yīng)用案例328
15.3 基于廣義ESO 的間接型ILC方法330
15.3.1 閉環(huán)反饋控制器331
15.3.2 間接型ILC設(shè)計(jì)332
15.3.3 應(yīng)用案例335
15.4 本章小結(jié)337
習(xí)題338
參考文獻(xiàn)338
附 控制仿真程序340
符號表343
縮寫術(shù)語表344
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