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。
本书可作为自动化类及相关专业本科生及研究生的教材,也可供工业过程控制工程领域的学者和技术人员参考。
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?94
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
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