工业过程辨识与控制

1过程控制的基本概念1

1?1工业过程控制系统1

1?2PID控制3

1?2?1比例作用3

1?2?2积分作用4

1?2?3微分作用5

1?2?4闭环系统的稳定性6

1?3控制器设计的时域方法11

1?4控制器设计的频域方法13

1?4?1基于频域响应?稳态增益的控制器设计13

1?4?2采用频域响应判据设计控制器14

习题与思考题17

2高级过程控制18

2?1高级过程控制系统结构18

2?1?1直接合成18

2?1?2内模控制近似模型调整规律19

2?2过程控制系统的积分饱和现象和抗饱和方案20

2?2?1输入受限21

2?2?2反馈补偿21

2?2?3可实现参考值24

2?2?4条件积分25

2?3先进PID控制器参数调整26

2?3?1图表法26

2?3?2两点法27

2?3?3面积法27

2?4继电器反馈28

习题与思考题31

3复杂动态系统的控制器设计32

3?1复杂过程动态特性32

3?2时间延迟系统的控制34

3?2?1常规反馈控制器设计35

3?2?2Smith预估器37

3?2?3改进的Smith预估器39

3?3负响应系统39

3?3?1负响应系统的控制41

3?3?2负响应补偿43

3?4开环不稳定系统46

3?4?1控制系统设计的难点46

3?4?2两步法设计47

习题与思考题49

4复杂控制系统50

4?1基本概念50

4?2串级控制系统51

4?2?1串级控制的基本原理53

4?2?2串级控制器参数调整54

4?2?3串级控制系统的防积分饱和56

4?3前馈控制56

4?3?1前馈控制器的设计57

4?3?2实际中需要注意的事项59

4?3?3反馈/前馈控制59

4?4比值控制60

4?5单个输入控制多个输出62

4?6多个输入控制单个输出63

4?7推断控制64

4?7?1反馈控制方法65

4?7?2串级控制66

4?7?3基于估计器的控制66

4?7?4推断控制67

习题与思考题695

工业过程系统的经验建模与辨识70

5?1基础概念70

5?1?1过程辨识的基本定义70

5?1?2经验建模的原则71

5?2最小二乘法74

5?2?1线性方法74

5?2?2线性化模型77

5?2?3加权最小二乘法78

5?2?4递推最小二乘法78

5?2?5指数型遗忘最小二乘法79

5?3傅里叶理论80

5?3?1傅里叶变换80

5?3?2傅里叶变换的性质81

5?3?3离散傅里叶变换(DFT)84

5?3?4快速傅里叶变换(FFT)84

5?4描述函数84

5?4?1基本概念84

5?4?2描述函数估计85

5?4?3典型的非线性环节85

5?4?4极限环89

习题与思考题89

6基于阶跃响应的参数辨识90

6?1阶跃响应辨识的基本概念90

6?2开环阶跃测试的典型方法90

6?2?1LOG方法91

6?2?2两点法91

6?2?3面积法92

6?3用于开环回路测试的最小二乘法94

6?4经典的闭环回路阶跃测试96

6?5系统在PID控制下的最小二乘法97

6?5?1问题描述97

6?5?2递归求解99

6?5?3传递函数模型辨识100

6?5?4应用和仿真实例101

习题与思考题103

7基于继电测试的参数辨识104

7?1继电反馈的基本原理104

7?1?1产生稳定的振荡104

7?1?2估计传递函数106

7?1?3傅里叶变换法108

7?2改进的继电反馈测试108

7?2?1不对称的开关反馈108

7?2?2带磁滞的开关111

7?2?3带滞后的磁滞的实现 112

7?2?4不对称磁滞开关113

7?3非传统的继电反馈方法114

7?3?1带积分的开关反馈114

7?3?2双开关测试116

7?3?3开关加阶跃 118

习题与思考题118

8基于脉冲响应的参数辨识120

8?1脉冲响应辨识120

8?1?1基本原理120

8?1?2一般理论121

8?1?3简单模型形式的辨识122

8?1?4从实验数据中获得矩124

8?1?5从其他响应中得到脉冲响应数据126

8?2基于脉冲响应的频率辨识127

8?2?1频率响应 127

8?2?2频谱129

8?3用于自调节过程的辨识130

8?4仿真实例132

习题与思考题134

9多变量过程系统的参数辨识135

9?1多变量系统辨识的基础概念135

9?2TITO过程闭环阶跃测试136

9?2?1分散辨识136

9?2?2时域辨识139

9?2?3频域辨识140

9?3一般MIMO过程的辨识142

9?3?1测试过程和一般公式142

9?3?2解耦辨识系统145

9?4不对称双边脉冲辨识147

9?5仿真举例149

习题与思考题154

10多变量系统控制基础知识155

10?1基本概念155

10?1?1输入/输出配对155

10?1?2相互关联156

10?1?3操作窗口156

10?1?4能控性与能观测性157

10?2多变量过程模型158

10?2?1状态空间模型形式158

10?2?2传递函数模型形式159

10?2?3两种模型之间的关系159

10?3开环分析160

10?3?1解析解160

10?3?2稳定性161

10?3?3开环传递函数分析163

10?3?4奇异性?奇异值164

10?3?5动态分析165

10?4闭环动态分析167

10?4?1多变量方框图167

10?4?2闭环传递函数168

10?4?3闭环暂态响应168

10?4?4闭环稳定性168

习题与思考题169

11多变量系统的耦合性分析170

11?1预备知识170

11?1?1控制回路耦合性的测度170

11?1?2基于耦合分析的回路配对171

11?2相对增益序列(RGA)172

11?2?1RGA的性质172

11?2?2由第一原理计算RGA172

11?2?3计算RGA的矩阵方法173

11?3利用RGA进行回路配对175

11?3?1RGA元素的说明175

11?3?2基本配对规则175

11?4附加规则176

11?4?1Niederlinski定理176

11?4?2Niederlinski 配对规则177

11?4?3Jacobi特征值判据177

11?4?4回路配对规则的应用178

11?5其他系统的配对179

11?5?1非线性系统的回路配对179

11?5?2带积分环节的系统回路配对182

11?5?3非方系统的回路配对182

11?5?4时间解耦184

11?5?5无过程模型的回路配对185

11?6相对干扰增益186

习题与思考题188

12MIMO过程分散控制189

12?1预备知识189

12?1?1一般概念189

12?1?2两入两出系统190

12?2经典的多回路控制器设计192

12?2?1采用试凑?误差法设计多回路控制器193

12?2?2采用最优化方法设计多回路控制器193

12?2?3采用RGA失调因子法设计多回路控制器193

12?3基于回路分解的控制器设计197

12?3?1结构分解197

12?3?2增益裕度和相角裕度设计198

12?3?3仿真实例199

12?4基于Nyquist稳定性判据设计201

12?4?1分散控制系统稳定性分析201

12?4?2分散系统的稳定域203

12?4?3仿真实例204

习题与思考题206

13控制系统的性能评估与监控207

13?1概述207

13?2数学基础知识208

13?2?1统计学208

13?2?2变量的标度化210

13?2?3多元线性回归(MLR)211

13?2?4正态分布211

13?3性能监测212

13?3?1极限测试212

13?3?2性能参数的计算214

13?3?3ｘ－(斯华特)控制图215

13?3?4s控制图216

13?4统计过程控制218

13?4?1质量过程控制的理论基础218

13?4?2点图测验和西部电气规则219

13?4?3CUSUM控制图220

13?4?4EWMA控制图221

习题与思考题224

14控制系统的构成225

14?1概述225

14?2传感器226

14?2?1选择标准226

14?2?2温度传感器227

14?2?3流量传感器228

14?2?4压力传感器231

14?2?5液位传感器233

14?2?6在线分析仪234

14?3执行器235

14?3?1选择标准235

14?3?2阀门的主要特性237

14?3?3阀门的选择和安装239

14?4控制信号的传输241

14?4?1概述241

14?4?2模拟信号传输243

14?4?3数字通信246

习题与思考题248

参考文献249

《工业过程辨识与控制》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。《工业过程辨识与控制》简介：“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，《工业过程辨识与控制》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。《工业过程辨识与控制》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都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。《工业过程辨识与控制》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，《工业过程辨识与控制》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。