過程辨識建模與控制

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習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行優(yōu)化理論和應(yīng)用方法等。

本書的特點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,各章后配有練習題和仿真作業(yè),以便教師教學使用。

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 模型擬合準則與評價指標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11

1.4.1 穩(wěn)定性判據(jù)11

1.4.2 控制性能指標13

1.5 本章小結(jié)16

習題17

參考文獻17

第一部分　過程辨識建?！?20

第2章 基于階躍響應(yīng)實驗辨識開環(huán)穩(wěn)定過程20

2.1 階躍實驗與頻率響應(yīng)估計21

2.2 常用模型結(jié)構(gòu)的參數(shù)辨識方法22

2.2.1 帶時滯參數(shù)的一階模型和重復極點高階模型22

2.2.2 帶時滯參數(shù)和不同極點的二階模型24

2.2.3 帶時滯參數(shù)和不同極點的高階模型25

2.2.4 一致性參數(shù)估計分析和模型結(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)實驗設(shè)計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)實驗辨識模型參數(shù)42

2.4.1 對象頻率響應(yīng)估計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

習題48

參考文獻49

附 辨識算法程序50

第3章 基于階躍響應(yīng)實驗辨識積分和不穩(wěn)定過程54

3.1 基于階躍響應(yīng)實驗辨識積分過程54

3.1.1 頻率響應(yīng)估計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)實驗辨識積分和不穩(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

習題68

參考文獻68

附 辨識算法程序69

第4章 基于持續(xù)激勵實驗抗擾辨識采樣系統(tǒng)74

4.1 線性模型參數(shù)估計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

習題89

參考文獻89

附 辨識算法程序90

第5章 基于持續(xù)激勵實驗辨識積分型采樣系統(tǒng)92

5.1 輸入激勵設(shè)計93

5.2 模型參數(shù)辨識算法"para" label-module="para">

5.3 收斂性分析97

5.4 應(yīng)用案例98

5.5 本章小結(jié)100

習題100

參考文獻100

附 辨識仿真程序101

第6章 基于持續(xù)激勵實驗辨識非線性系統(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

習題111

參考文獻111

附 辨識算法程序112

第二部分　控制系統(tǒng)設(shè)計　/113

第7章 單回路控制113

7.1 內(nèi)?？刂?IMC)原理113

7.2 改進的IMC濾波器設(shè)計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

習題132

參考文獻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

習題159

參考文獻160

附 控制仿真程序161

第9章 采樣控制系統(tǒng)163

9.1 含時滯的開環(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 基于通用無時滯輸出預估器的兩自由度控制184

9.3.1 通用的無時滯輸出預估器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

習題198

參考文獻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 基于無時滯輸出預估的ADRC設(shè)計204

10.2.1 擴張狀態(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

習題214

參考文獻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 反飽和擴張狀態(tài)觀測器219

11.2.2 無時滯輸出預估器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 反飽和擴張狀態(tài)觀測器230

11.3.3 廣義預測器與控制器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

習題239

參考文獻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

習題256

參考文獻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

習題269

參考文獻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

習題305

參考文獻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)的迭代學習控制(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332

15.3.3 應(yīng)用案例335

15.4 本章小結(jié)337

習題338

參考文獻338

附 控制仿真程序340

符號表343

縮寫術(shù)語表344

2100433B

ISBN：9787122386717

版次：1

商品編碼：13295132

品牌：化學工業(yè)出版社

包裝：平裝

開本：16開

出版時間：2021-04-01

用紙：膠版紙

頁數(shù)：344

正文語種：中文

工業(yè)過程辨識與控制是自動化專業(yè)本科生和控制科學與工程學科研究生重要的專業(yè)課，本書針對工業(yè)過程系統(tǒng)在辨識與控制方面對現(xiàn)有控制理論和方法提出的要求，重點介紹國內(nèi)外的進展。

第一部分為第1~4章，主要介紹過程控制系統(tǒng)的動態(tài)特性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括PID控制器的結(jié)構(gòu)形式、控制系統(tǒng)分析的主要方法、過程控制系統(tǒng)動態(tài)特性以及串聯(lián)、前饋等基本的過程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第二部分為第5~9章，主要從過程控制系統(tǒng)實際應(yīng)用的角度，分別講述單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)通過能夠被工業(yè)現(xiàn)場操作容許的繼電反饋和階躍測試進行系統(tǒng)辨識的方法。第三部分為第10~12章，主要分析了對于多變量控制系統(tǒng)進行輸入/輸出配對分析、耦合性分析及分散控制器設(shè)計的方法與系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析。

本書適合高等院?？刂瓶茖W與工程、計算機控制、系統(tǒng)工程和信息工程等專業(yè)的教師、研究生和高年級本科生，亦可供有關(guān)科技人員參考。本書將控制理論中辨識、控制、優(yōu)化的方法與過程系統(tǒng)的特點有機結(jié)合，著重講述如何利用控制理論的方法分析設(shè)計實際工業(yè)過程系統(tǒng)的問題，共有12章，大體分為三部分。

1 過程控制的基本概念

1.1 工業(yè)過程控制系統(tǒng)

1.2 PID 控制

1.2.1 比例作用

1.2.2 積分作用

1.2.3 微分作用

1.2.4 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

1.3 控制器設(shè)計的時域方法

1.4 控制器設(shè)計的頻域方法

1.4.1 基于頻域響應(yīng)"para" label-module="para">

1.4.2 采用頻域響應(yīng)判據(jù)設(shè)計控制器

2 高級過程控制

2.1 高級過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1 直接合成

2.1.2 內(nèi)?？刂平颇Ｐ驼{(diào)整規(guī)律

2.2 過程控制系統(tǒng)的積分飽和現(xiàn)象和抗飽和方案

2.2.1 輸入受限

2.2.2 反饋補償

2.2.3 可實現(xiàn)參考值

2.2.4 條件積分

2.3 先進PID控制器參數(shù)調(diào)整

2.3.1 圖表法

2.3.2 兩點法

2.3.3 面積法

2.4 繼電器反饋

3 復雜動態(tài)系統(tǒng)的控制器設(shè)計

3.1 復雜過程動態(tài)特性

3.2 時間延遲系統(tǒng)的控制

3.2.1 常規(guī)反饋控制器設(shè)計

3.2.2 Smith預估器

3.2.3 改進的Smith預估器

3.3 負響應(yīng)系統(tǒng)

3.3.1 負響應(yīng)系統(tǒng)的控制

3.3.2 負響應(yīng)補償

3.4 開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)

3.4.1 控制系統(tǒng)設(shè)計的難點

3.4.2 兩步法設(shè)計

4 復雜控制系統(tǒng)

4.1 基本概念

4.2 串級控制系統(tǒng)

4.2.1 串級控制的基本原理

4.2.2 串級控制器參數(shù)調(diào)整

4.2.3 串級控制系統(tǒng)的防積分飽和

4.3 前饋控制

4.3.1 前饋控制器的設(shè)計

4.3.2 實際中需要注意的事項

4.3.3 反饋/前饋控制

4.4 比值控制

4.5 單個輸入控制多個輸出

4.6 多個輸入控制單個輸出

4.7 推斷控制

4.7.1 反饋控制方法

4.7.2 串級控制

4.7.3 基于估計器的控制

4.7.4 推斷控制

5 工業(yè)過程系統(tǒng)的經(jīng)驗建模與辨識

5.1 基礎(chǔ)概念

5.1.1 過程辨識的基本定義

5.1.2 經(jīng)驗建模的原則

5.2 最小二乘法

5.2.1 線性方法

5.2.2 線性化模型

5.2.3 加權(quán)最小二乘法

5.2.4 遞推最小二乘法

5.2.5 指數(shù)型遺忘最小二乘法

5.3 傅里葉理論

5.3.1 傅里葉變換

5.3.2 傅里葉變換的性質(zhì)

5.3.3 離散傅里葉變換(DFT)

5.3.4 快速傅里葉變換(FFT)

5.4 描述函數(shù)

5.4.1 基本概念

5.4.2 描述函數(shù)估計

5.4.3 典型的非線性環(huán)節(jié)

5.4.4 極限環(huán)

6基于階躍響應(yīng)的參數(shù)辨識

61階躍響應(yīng)辨識的基本概念

62開環(huán)階躍測試的典型方法

621LOG方法

622兩點法

623面積法

63用于開環(huán)回路測試的最小二乘法

64經(jīng)典的閉環(huán)回路階躍測試

65系統(tǒng)在PID控制下的最小二乘法

651問題描述

652遞歸求解

653傳遞函數(shù)模型辨識

654應(yīng)用和仿真實例

7基于繼電測試的參數(shù)辨識

71繼電反饋的基本原理

711產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩

712估計傳遞函數(shù)

713傅里葉變換法

72改進的繼電反饋測試

721不對稱的開關(guān)反饋

722帶磁滯的開關(guān)

723帶滯后的磁滯的實現(xiàn)

724不對稱磁滯開關(guān)

73非傳統(tǒng)的繼電反饋方法

731帶積分的開關(guān)反饋

732雙開關(guān)測試

733開關(guān)加階躍

8基于脈沖響應(yīng)的參數(shù)辨識

81脈沖響應(yīng)辨識

811基本原理

812一般理論

813簡單模型形式的辨識

814從實驗數(shù)據(jù)中獲得矩

815從其他響應(yīng)中得到脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)

82基于脈沖響應(yīng)的頻率辨識

821頻率響應(yīng)

822頻譜

83用于自調(diào)節(jié)過程的辨識

84仿真實例

9多變量過程系統(tǒng)的參數(shù)辨識

91多變量系統(tǒng)辨識的基礎(chǔ)概念

92TITO過程閉環(huán)階躍測試

921分散辨識

922時域辨識

923頻域辨識

93一般MIMO過程的辨識

931測試過程和一般公式

932解耦辨識系統(tǒng)

94不對稱雙邊脈沖辨識

95仿真舉例

10多變量系統(tǒng)控制基礎(chǔ)知識

101基本概念

1011輸入/輸出配對

1012相互關(guān)聯(lián)

1013操作窗口

1014能控性與能觀測性

102多變量過程模型

1021狀態(tài)空間模型形式

1022傳遞函數(shù)模型形式

1023兩種模型之間的關(guān)系

103開環(huán)分析

1031解析解

1032穩(wěn)定性

1033開環(huán)傳遞函數(shù)分析

1034奇異性奇異值

1035動態(tài)分析

104閉環(huán)動態(tài)分析

1041多變量方框圖

1042閉環(huán)傳遞函數(shù)

1043閉環(huán)暫態(tài)響應(yīng)

1044閉環(huán)穩(wěn)定性

11多變量系統(tǒng)的耦合性分析

111預備知識

1111控制回路耦合性的測度

1112基于耦合分析的回路配對

112相對增益序列(RGA)

1121RGA的性質(zhì)

1122由第一原理計算RGA

12 MIMO過程分散控制

參考文獻2100433B