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1 过程控制的基本概念1

1.1 工业过程控制系统1

1.2 PID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

3.2.2 Smith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69

5 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

6.2.1 LOG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

9.2 TITO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

11.2.1 RGA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

11.3.1 RGA元素的说明175

11.3.2 基本配对规则175

11.4 附加规则176

11.4.1 Niederlinski定理176

11.4.2 Niederlinski配对规则177

11.4.3 Jacobi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

12 MIMO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

13.3.3 ？（斯华特）控制图215

13.3.4 s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

13.4.3 CUSUM控制图220

13.4.4 EWMA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