過(guò)程辨識(shí)技術(shù)

第1章 引論

1.1 基本概念和方法

1.1.1 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和靜態(tài)系統(tǒng)

1.1.2 動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性

1.1.3 模型化

1.1.4 建立數(shù)學(xué)模型的方法

1.1.5 數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用

1.2 過(guò)程辨識(shí)概論

1.2.1 系統(tǒng)辨識(shí)的定義

1.2.2 辨識(shí)方法

第2章 過(guò)程的數(shù)學(xué)模型描述

2.1 數(shù)學(xué)模型的分類

2.2 確定性連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2.2.1 時(shí)間域描述

2.2.2 頻率域描述

2.2.3 多輸入、多輸出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2.3 確定性離散時(shí)間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2.3.1 時(shí)間域描述

2.3.2 頻率域描述

2.4 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的隨機(jī)性模型

第3章 瞬態(tài)響應(yīng)法

3.1 概述

3.2 非周期試驗(yàn)信號(hào)的特性

3.2.1 基本非周期試驗(yàn)信號(hào)

3.2.2 常用非周期試驗(yàn)信號(hào)的處理

3.2.3 任意非周期連續(xù)信號(hào)的分解

3.3 由瞬態(tài)響應(yīng)曲線確定參數(shù)模型

3.3.1 由階躍響應(yīng)曲線求傳遞函數(shù)

3.3.2 由其他非周期信號(hào)的響應(yīng)求傳遞函數(shù)

第4章 頻率響應(yīng)法

4.1 頻率響應(yīng)特性

4.1.1 直接法

4.1.2 相關(guān)濾波法

4.2 由頻率響應(yīng)曲線求傳遞函數(shù)

4.2.1 插值法

4.2.2 最小二乘法

4.3 由瞬態(tài)響應(yīng)求頻率特性

4.3.1 離散Fourier變換（DFT）簡(jiǎn)介

4.3.2 DFT的應(yīng)用

第5章 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法預(yù)備知識(shí)

5.1 概率統(tǒng)計(jì)基本知識(shí)

5.1.1 隨機(jī)變量及其分布律

5.1.2 二維隨機(jī)變量

5.1.3 均值與方差

5.1.4 隨機(jī)過(guò)程

5.1.5 相關(guān)函數(shù)

5.2 最小二乘法的一般原理

5.2.1 基本關(guān)系式

5.2.2 統(tǒng)計(jì)特性

5.2.3 常參數(shù)的遞推估計(jì)

5.3 慢時(shí)變參數(shù)的遞推估計(jì)

第6章 脈沖響應(yīng)函數(shù)的辨識(shí)

6.1 辨識(shí)問(wèn)題的提法

6.2 用相關(guān)分析法辨識(shí)脈沖響應(yīng)函數(shù)

6.3 用最小二乘法辨識(shí)脈>中響應(yīng)函數(shù)

6.4 最小二乘法辨識(shí)與相關(guān)分析法辨識(shí)的關(guān)系

6.5 激勵(lì)信號(hào)的選擇

6.5.1 隨機(jī)白噪聲作激勵(lì)信號(hào)

6.5.2 偽隨機(jī)信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)

6.5.3 偽隨機(jī)二位式序列（PRBS）作激勵(lì)信號(hào)

6.6 用偽隨機(jī)二位式序列（PRBS）辨識(shí)脈>中響應(yīng)函數(shù)

第7章 線性差分方程模型的辨識(shí)

7.1 線性差分方程模型的最小二乘估計(jì)

7.1.1 辨識(shí)問(wèn)題的提法

7.1.2 最小二乘法求解

7.1.3 參數(shù)估計(jì)的統(tǒng)計(jì)特性

7.1.4 系統(tǒng)階的確定

7.1.5 遞推估計(jì)和實(shí)時(shí)估計(jì)

7.2 線性差分方程模型的廣義最小二乘估計(jì)和多級(jí)最小二乘估計(jì)

7.2.1 相關(guān)殘差造成有偏估計(jì)

7.2.2 廣義最小二乘估計(jì)

7.2.3 多級(jí)最小二乘估計(jì)

參考文獻(xiàn) 2100433B

本書(shū)主要介紹在過(guò)程控制工程領(lǐng)域中比較成熟和有效的辨識(shí)技術(shù)，主要包含兩大部分內(nèi)容，除第一章引論、第二章過(guò)程的數(shù)學(xué)描述外，第一大部分為經(jīng)典辨識(shí)技術(shù)：第三章介紹了瞬態(tài)響應(yīng)法，第四章介紹了頻率響應(yīng)法；第二大部分為現(xiàn)代辨識(shí)技術(shù)：在第五章介紹統(tǒng)計(jì)學(xué)方法預(yù)備知識(shí)的基礎(chǔ)上，第六章介紹了脈沖響應(yīng)函數(shù)的辨識(shí)，第七章介紹了線性方程模型的辨識(shí)。本書(shū)的主要特色在于試圖將作為現(xiàn)代控制理論重要分支的系統(tǒng)辨識(shí)理論進(jìn)行工程化處理，使之成為一門實(shí)用技術(shù)。

本書(shū)可作為高等院校工業(yè)自動(dòng)化類專業(yè)的教學(xué)用書(shū)，也可作為生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化工程技術(shù)領(lǐng)域的科技人員、工程師在實(shí)際工程應(yīng)用中的參考資料。

本書(shū)系統(tǒng)地介紹了一套面向工業(yè)過(guò)程控制工程的辨識(shí)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(guò)程辨識(shí)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(shí),以便讀者從零開(kāi)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(shū)分兩部分:第一部分針對(duì)過(guò)程控制工程領(lǐng)域中,按照階躍響應(yīng)特性劃分的對(duì)象類型,詳細(xì)闡述了開(kāi)環(huán)穩(wěn)定、積分和不穩(wěn)定過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性辨識(shí)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_(kāi)始,逐步深入介紹了先進(jìn)的兩自由度控制、采樣控制、主動(dòng)抗擾控制、反飽和控制、串級(jí)控制、多回路控制、多變量解耦控制以及批次過(guò)程控制與運(yùn)行優(yōu)化理論和應(yīng)用方法等。

本書(shū)的特點(diǎn)是由淺入深地介紹過(guò)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(cè)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。

第1章 緒論1

1.1 過(guò)程動(dòng)態(tài)特性辨識(shí)建模1

1.1.1 過(guò)程辨識(shí)建模的對(duì)象范圍1

1.1.2 典型的過(guò)程動(dòng)態(tài)特性描述模型3

1.2 模型擬合準(zhǔn)則與評(píng)價(jià)指標(biāo)6

1.3 過(guò)程控制系統(tǒng)組成與技術(shù)發(fā)展8

1.3.1 過(guò)程控制系統(tǒng)組成與主要任務(wù)8

1.3.2 過(guò)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(guò)程辨識(shí)建?！?20

第2章 基于階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)辨識(shí)開(kāi)環(huán)穩(wěn)定過(guò)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)模型參數(shù)42

2.4.1 對(duì)象頻率響應(yīng)估計(jì)42

2.4.2 模型參數(shù)辨識(shí)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(shí)算法程序50

第3章 基于階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)辨識(shí)積分和不穩(wěn)定過(guò)程54

3.1 基于階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)辨識(shí)積分過(guò)程54

3.1.1 頻率響應(yīng)估計(jì)54

3.1.2 模型參數(shù)辨識(shí)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(shí)積分和不穩(wěn)定過(guò)程59

3.2.1 積分型過(guò)程模型辨識(shí)60

3.2.2 不穩(wěn)定型過(guò)程模型辨識(shí)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(shí)算法程序69

第4章 基于持續(xù)激勵(lì)實(shí)驗(yàn)抗擾辨識(shí)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(shí)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(shí)算法程序90

第5章 基于持續(xù)激勵(lì)實(shí)驗(yàn)辨識(shí)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(shí)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(xí)題100

參考文獻(xiàn)100

附 辨識(shí)仿真程序101

第6章 基于持續(xù)激勵(lì)實(shí)驗(yàn)辨識(shí)非線性系統(tǒng)參數(shù)103

6.1 自適應(yīng)參數(shù)辨識(shí)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(shí)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(guò)程116

7.2.2 SOPDT穩(wěn)定過(guò)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(kāi)環(huán)穩(wěn)定和積分過(guò)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(kāi)環(huán)不穩(wěn)定過(guò)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(kāi)環(huán)穩(wěn)定過(guò)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(píng)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(guò)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(wú)時(shí)滯輸出預(yù)估器的兩自由度控制184

9.3.1 通用的無(wú)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(dòng)抗擾控制(ADRC)203

10.1 含有不確定性和干擾的對(duì)象描述203

10.2 基于無(wú)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(cè)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(guò)程描述217

11.2 基于ADRC的反對(duì)稱輸入飽和控制218

11.2.1 反飽和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器219

11.2.2 無(wú)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(duì)稱輸入飽和控制229

11.3.1 對(duì)稱飽和約束變換230

11.3.2 反飽和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器230

11.3.3 廣義預(yù)測(cè)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(jí)控制系統(tǒng)244

12.1 開(kāi)環(huán)穩(wěn)定過(guò)程的串級(jí)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(kāi)環(huán)不穩(wěn)定過(guò)程的串級(jí)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(duì)選擇259

13.1.1 相對(duì)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(duì)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(guò)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(hào)表343

縮寫(xiě)術(shù)語(yǔ)表344

2100433B

工業(yè)過(guò)程辨識(shí)與控制是自動(dòng)化專業(yè)本科生和控制科學(xué)與工程學(xué)科研究生重要的專業(yè)課，本書(shū)針對(duì)工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)在辨識(shí)與控制方面對(duì)現(xiàn)有控制理論和方法提出的要求，重點(diǎn)介紹國(guó)內(nèi)外的進(jìn)展。

第一部分為第1~4章，主要介紹過(guò)程控制系統(tǒng)的動(dòng)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(guò)程控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性以及串聯(lián)、前饋等基本的過(guò)程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第二部分為第5~9章，主要從過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)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(guò)能夠被工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)操作容許的繼電反饋和階躍測(cè)試進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)的方法。第三部分為第10~12章，主要分析了對(duì)于多變量控制系統(tǒng)進(jìn)行輸入/輸出配對(duì)分析、耦合性分析及分散控制器設(shè)計(jì)的方法與系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析。

本書(shū)適合高等院校控制科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)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(jí)本科生，亦可供有關(guān)科技人員參考。本書(shū)將控制理論中辨識(shí)、控制、優(yōu)化的方法與過(guò)程系統(tǒng)的特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，著重講述如何利用控制理論的方法分析設(shè)計(jì)實(shí)際工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)的問(wèn)題，共有12章，大體分為三部分。