工业过程辨识与控制

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"para" label-module="para">

1.4.2 采用频域响应判据设计控制器

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

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

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

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

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1LOG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

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

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

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2TITO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

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

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1RGA的性质

1122由第一原理计算RGA

12 MIMO过程分散控制

参考文献2100433B

工业过程辨识与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，重点介绍国内外的进展。

第一部分为第1~4章，主要介绍过程控制系统的动态特性和系统结构，包括PID控制器的结构形式、控制系统分析的主要方法、过程控制系统动态特性以及串联、前馈等基本的过程系统结构。第二部分为第5~9章，主要从过程控制系统实际应用的角度，分别讲述单变量系统和多变量系统通过能够被工业现场操作容许的继电反馈和阶跃测试进行系统辨识的方法。第三部分为第10~12章，主要分析了对于多变量控制系统进行输入/输出配对分析、耦合性分析及分散控制器设计的方法与系统稳定性的分析。

本书适合高等院校控制科学与工程、计算机控制、系统工程和信息工程等专业的教师、研究生和高年级本科生，亦可供有关科技人员参考。本书将控制理论中辨识、控制、优化的方法与过程系统的特点有机结合，着重讲述如何利用控制理论的方法分析设计实际工业过程系统的问题，共有12章，大体分为三部分。

本书系统地介绍了一套面向工业过程控制工程的辨识建模和控制系统设计方法及应用技术,主要基于第一作者和合作者们关于工业过程辨识建模和控制方面的成果整理而形成,并且汇编了一些必要的基础知识,以便读者从零开始学习并最终掌握这套工程技术理论与应用方法。

本书分两部分:第一部分针对过程控制工程领域中,按照阶跃响应特性划分的对象类型,详细阐述了开环稳定、积分和不稳定过程的动态特性辨识建模方法以及采样系统和非线性系统的参数估计方法;第二部分从基本的单回路控制结构和内模控制原理开始,逐步深入介绍了先进的两自由度控制、采样控制、主动抗扰控制、反饱和控制、串级控制、多回路控制、多变量解耦控制以及批次过程控制与运行优化理论和应用方法等。

本书的特点是由浅入深地介绍过程控制工程基本理论与研究成果,注重理论分析与实际应用相结合,每章介绍的主要方法都配有仿真或工程应用案例,并且在各章后附有主要方法的仿真程序,以便读者参考和应用测试。同时,各章后配有练习题和仿真作业,以便教师教学使用。

第1章 绪论1

1.1 过程动态特性辨识建模1

1.1.1 过程辨识建模的对象范围1

1.1.2 典型的过程动态特性描述模型3

1.2 模型拟合准则与评价指标6

1.3 过程控制系统组成与技术发展8

1.3.1 过程控制系统组成与主要任务8

1.3.2 过程控制技术的发展10

1.4 控制系统稳定性与性能指标11

1.4.1 稳定性判据11

1.4.2 控制性能指标13

1.5 本章小结16

习题17

参考文献17

第一部分　过程辨识建模　/20

第2章 基于阶跃响应实验辨识开环稳定过程20

2.1 阶跃实验与频率响应估计21

2.2 常用模型结构的参数辨识方法22

2.2.1 带时滞参数的一阶模型和重复极点高阶模型22

2.2.2 带时滞参数和不同极点的二阶模型24

2.2.3 带时滞参数和不同极点的高阶模型25

2.2.4 一致性参数估计分析和模型结构选择27

2.2.5 应用案例30

2.3 抗扰辨识模型参数的方法34

2.3.1 阶跃响应实验设计34

2.3.2 模型参数辨识35

2.3.3 应用案例40

2.4 基于闭环系统阶跃响应实验辨识模型参数42

2.4.1 对象频率响应估计42

2.4.2 模型参数辨识44

2.4.3 应用案例45

2.5 本章小结47

习题48

参考文献49

附 辨识算法程序50

第3章 基于阶跃响应实验辨识积分和不稳定过程54

3.1 基于阶跃响应实验辨识积分过程54

3.1.1 频率响应估计54

3.1.2 模型参数辨识56

3.1.3 应用案例58

3.2 基于闭环系统阶跃响应实验辨识积分和不稳定过程59

3.2.1 积分型过程模型辨识60

3.2.2 不稳定型过程模型辨识60

3.2.3 应用案例64

3.3 本章小结68

习题68

参考文献68

附 辨识算法程序69

第4章 基于持续激励实验抗扰辨识采样系统74

4.1 线性模型参数估计74

4.2 迭代辨识算法77

4.3 收敛性分析79

4.4 应用案例84

4.5 本章小结89

习题89

参考文献89

附 辨识算法程序90

第5章 基于持续激励实验辨识积分型采样系统92

5.1 输入激励设计93

5.2 模型参数辨识算法"para" label-module="para">

5.3 收敛性分析97

5.4 应用案例98

5.5 本章小结100

习题100

参考文献100

附 辨识仿真程序101

第6章 基于持续激励实验辨识非线性系统参数103

6.1 自适应参数辨识算法103

6.2 收敛性分析108

6.3 应用案例109

6.4 本章小结111

习题111

参考文献111

附 辨识算法程序112

第二部分　控制系统设计　/113

第7章 单回路控制113

7.1 内模控制(IMC)原理113

7.2 改进的IMC滤波器设计115

7.2.1 FOPDT稳定过程116

7.2.2 SOPDT稳定过程118

7.3 PID整定123

7.3.1 基于IMC设计的PID整定123

7.3.2 离散域PID整定124

7.4 应用案例128

7.5 本章小结132

习题132

参考文献133

附 控制仿真程序134

第8章 两自由度控制136

8.1 开环稳定和积分过程137

8.1.1 抗扰控制器138

8.1.2 设定点跟踪控制器140

8.1.3 鲁棒稳定性分析141

8.1.4 应用案例142

8.2 开环不稳定过程148

8.2.1 设定点跟踪控制器148

8.2.2 抗扰控制器149

8.2.3 鲁棒稳定性分析153

8.2.4 应用案例154

8.3 本章小结158

习题159

参考文献160

附 控制仿真程序161

第9章 采样控制系统163

9.1 含时滞的开环稳定过程163

9.1.1 抗扰控制器164

9.1.2 设定点跟踪控制器166

9.1.3 控制性能评估166

9.1.4 鲁棒稳定性分析168

9.1.5 应用案例169

9.2 含时滞的积分和不稳定过程172

9.2.1 抗扰控制器172

9.2.2 设定点跟踪控制器175

9.2.3 鲁棒稳定性分析177

9.2.4 应用案例179

9.3 基于通用无时滞输出预估器的两自由度控制184

9.3.1 通用的无时滞输出预估器185

9.3.2 两自由度控制方案187

9.3.3 闭环抗扰控制器187

9.3.4 设定点跟踪控制器191

9.3.5 系统稳定性分析191

9.3.6 应用案例192

9.4 本章小结197

习题198

参考文献199

附 控制仿真程序200

第10章 主动抗扰控制(ADRC)203

10.1 含有不确定性和干扰的对象描述203

10.2 基于无时滞输出预估的ADRC设计204

10.2.1 扩张状态观测器(ESO)205

10.2.2 两自由度控制器206

10.3 系统稳定性分析207

10.4 应用案例210

10.5 本章小结214

习题214

参考文献215

附 控制仿真程序215

第11章 反饱和控制217

11.1 含有输入饱和约束的过程描述217

11.2 基于ADRC的反对称输入饱和控制218

11.2.1 反饱和扩张状态观测器219

11.2.2 无时滞输出预估器219

11.2.3 两自由度控制器220

11.2.4 系统稳定性分析221

11.2.5 应用案例226

11.3 基于ADRC的反非对称输入饱和控制229

11.3.1 对称饱和约束变换230

11.3.2 反饱和扩张状态观测器230

11.3.3 广义预测器与控制器231

11.3.4 系统稳定性分析232

11.3.5 应用案例235

11.4 本章小结238

习题239

参考文献239

附 控制仿真程序240

第12章 串级控制系统244

12.1 开环稳定过程的串级控制244

12.1.1 控制器设计245

12.1.2 鲁棒稳定性分析247

12.2 开环不稳定过程的串级控制248

12.2.1 控制器设计248

12.2.2 鲁棒稳定性分析249

12.3 应用案例250

12.4 本章小结255

习题256

参考文献256

附 控制仿真程序257

第13章 多回路控制系统259

13.1 系统输入-输出变量配对选择259

13.1.1 相对增益阵列(RGA)259

13.1.2 奇异值分解(SVD)260

13.2 多回路系统的可控性261

13.3 多回路控制设计262

13.3.1 期望的对角传递函数矩阵262

13.3.2 多回路PI/PID整定264

13.4 稳定性分析264

13.5 应用案例266

13.6 本章小结269

习题269

参考文献270

附 控制仿真程序271

第14章 多变量解耦控制系统273

14.1 双输入双输出系统的解耦控制273

14.1.1 解耦控制前提274

14.1.2 期望系统传递函数矩阵274

14.1.3 解耦控制器矩阵设计276

14.1.4 稳定性分析279

14.1.5 应用案例280

14.2 多输入多输出系统的解耦控制284

14.2.1 解耦控制前提284

14.2.2 期望系统传递函数矩阵285

14.2.3 解耦控制器矩阵设计287

14.2.4 稳定性分析288

14.2.5 应用案例290

14.3 多变量系统的两自由度解耦控制295

14.3.1 期望设定点跟踪和闭环抗扰传递函数矩阵295

14.3.2 解耦控制器矩阵设计297

14.3.3 稳定性分析298

14.3.4 应用案例300

14.4 本章小结304

习题305

参考文献305

附 控制仿真程序307

第15章 批次过程控制310

15.1 基于IMC结构的迭代学习控制(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 稳定性分析313

15.1.5 应用案例316

15.2 基于PI回路的间接型ILC方法318

15.2.1 间接型ILC方案和二维系统描述319

15.2.2 鲁棒PI控制器整定321

15.2.3 ILC控制律设计323

15.2.4 应用案例328

15.3 基于广义ESO 的间接型ILC方法330

15.3.1 闭环反馈控制器331

15.3.2 间接型ILC设计332

15.3.3 应用案例335

15.4 本章小结337

习题338

参考文献338

附 控制仿真程序340

符号表343

缩写术语表344

2100433B

ISBN：9787122386717

版次：1

商品编码：13295132

品牌：化学工业出版社

包装：平装

开本：16开

出版时间：2021-04-01

用纸：胶版纸

页数：344

正文语种：中文