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1．绪论 1

目录 1

A 过程和过程计算机 5

2．数字计算机控制（过程计算机、微处理机） 5

3．离散时间系统 9

3.1　离散时间信号 9

3.1.1　离散时间函数 差分方程 9

3.1.2　脉冲序列 12

3.2　离散时间函数的拉氏变换 13

3.2.1　拉氏变换 13

3.2.2　采样定理 13

3.2.3　保持元件 15

3.3.1 z变换概述 16

3.3 z变换 16

3.3.2 z变换定理 17

3.3.3 z反变换 17

3.4 卷积和与z传递函数 17

3.4.1 卷积和 17

3.4.2 脉冲传递函数和z传递函数 18

3.4.3 z传递函数的性质 20

3.5 极点和稳定性 22

3.5.1 z平面中极点的位置 22

3.5.2 稳定条件 24

3.5.3 经过双线性变换的稳定准则 24

3.6 状态变量表达法 25

3.7.1 工艺过程的基本类型 34

3.7 过程的数学模型 34

3.7.2 从连续时间模型确定离散时间模型 36

3.7.3 离散时间信号过程模型的简化 40

3.7.4 过程模型化和过程识别 43

B 确定性扰动的控制系统 45

4．确定性控制系统 45

5．参数最优化调节器 50

5.1 连续PID调节器微分方程的离散化 50

5.2 低阶参数最优化离散控制算法 51

5.2.1　一阶和二阶控制算法 53

5.2.2　规定初始操作变量的控制算法 56

5.3　离散PID控制算法的修正 57

5.4　仿真结果 58

5.4.1　试验过程 59

5.4.2　二阶控制算法的仿真结果 60

5.5　参数最优化控制算法采样周期的选择 71

5.6　参数最优化控制算法的整定规则 73

6．相消调节器 79

7.有限回复时间调节器（临界阻尼） 82

7.1　普通阶次的临界阻尼调节器 82

7.2　增加阶次的临界阻尼调节器 85

7.3　临界阻尼调节器采样周期的选择 88

8．状态调节器 90

8.1　对初始值最优的状态调节器 90

8.2　对外扰动最优的状态调节器 97

8.3　给定特征方程的状态调节器 100

8.4　模式状态控制 101

8.5　有限回复时间状态调节器（临界阻尼） 105

8.6　状态观测器 106

8.7　有观测器的状态调节器 108

8.7.1　初始值观测器 109

8.7.2　外扰动观测器 110

8.8　降维状态观测器 116

8.9　加权矩阵和采样周期的选择 119

8.9.1　状态调节器和观测器的加权矩阵 119

8.9.2　采样周期的选择 120

9．用于大死时过程的调节器 121

9.1　有死时过程的模型 121

9.2　用于有死时过程的确定性调节器 122

9.2.1　有大死时和附加动特性的过程 122

9.2.2　纯死时过程 123

9.3　不同调节器用于有死时过程的控制性能和灵敏度的比较 126

10．恒定调节器控制参数可变过程 133

10.1　闭环系统的灵敏度 133

10.2　参数大范围变化过程的控制 137

11．克服确定性扰动的各种调节器的比较 139

11.1　调节器结构比较：极点和零点 139

11.1.1　规定极点的一般线性调节器 140

11.1.2　低阶参数最优调节器 141

11.1.3　一般相消调节器 142

11.1.4　临界阻尼调节器 142

11.1.5　预估调节器 143

11.1.6　状态调节器 144

11.2　比较性能用的特征值 146

11.3　控制算法性能比较 147

11.4　动态控制因子的比较 154

11.5　控制算法使用小结 158

C　随机扰动的控制系统 160

12．随机控制系统 160

12.1　初步介绍 160

12.2　随机信号过程的数学模型 160

12.2.1　基本定理 160

12.2.2　马尔柯夫信号过程 162

12.2.3　标量随机差分方程 163

13．随机扰动参数最优调节器 165

14．随机扰动最小方差调节器 167

14.1　无死时过程的广义最小方差调节器 167

14.2　有死时过程的广义最小方差调节器 172

14.3　无余差最小方差调节器 175

14.3.1　附加积分作用项 175

14.3.2　控制偏差的最小化 176

14.4　纯死时过程的最小方差调节器 176

14.5　最小方差调节器的仿真结果 177

15．随机扰动状态调节器 181

15.1　对自噪声最优状态调节器 181

15.2　有状态估计对白噪声最优的状态调节器 183

15.3　有状态估计对外扰动最优的状态调节器 184

15.4　状态估计（卡尔曼滤波器） 187

15.4.1　两个向量测量值的加权平均 189

15.4.2　向量状态的递推估计 190

16．串级控制系统 194

D　多回路控制系统 194

17．前馈控制 199

17.1　相消前馈控制 200

17.2　参数最优前馈控制 202

17.2.1　不规定操作变量初始值的参数最优前馈控制 202

17.2.2　规定操作变量初始值的参数最优前馈控制 202

17.3　状态变量前馈控制 205

17.4　最小方差前馈控制 205

E　多变量控制系统 208

18．多变量过程的结构 208

18.1　传递函数表达法的结构特性 208

18.1.1　正则结构 208

18.1.2　特征方程与耦合因子 211

18.1.4　主调节器的相互作用 214

18.1.3　外部信号的影响 214

18.1.5　矩阵多项式表达法 216

18.2　状态表达法的结构特性 216

19．参数最优化多变量控制系统 220

19.1　不带耦合调节器的主调节器参数最优化 221

19.1.1　稳定域 222

19.1.2　调节器参数最优化和双变量调节器整定规则 225

19.2　用（无互作用的）耦合调节器解耦 227

19.3　主调节器和耦合调节器的参数最优化 230

20．多变量矩阵多项式控制系统 231

20.1　一般矩阵多项式调节器 231

20.2　矩阵多项式临界阻尼调节器 231

20.3　矩阵多项式最小方差调节器 232

21．多变量状态控制系统 234

21.1　多变量极点配置状态调节器 234

21.2　多变量矩阵黎卡提状态调节器 234

21.3　多变量解耦状态调节器 234

21.4　多变量最小方差状态调节器 235

F　基于过程识别的自适应控制系统 236

22．自适应控制系统——简短的回顾 236

23．动态过程和随机信号的在线识别 238

23.1　过程和信号模型 238

23.2　递推最小二乘法（RLS） 239

23.2.1　动态过程 239

23.2.2　随机信号 243

23.3　递推扩充最小二乘法（RELS） 244

23.4　递推辅助变量法（RIV） 245

23.5　递推最大似然法（RML） 245

23.6　随机近似法（STA） 248

23.7　一种统一的递推参数估计法 248

23.8　递推参数估计法的数值修正 250

24．闭环识别 252

24.1　无扰动时的参数估计 252

24.1.1　间接过程识别（情况a＋c＋e） 253

24.1.2　直接过程识别（情况b＋d＋e） 256

24.2　有扰动时的参数估计 258

24.3　闭环参数估计法 259

24.3.2　无扰动直接过程识别 260

24.3.3　有扰动直接过程识别 260

24.3.1　无扰动间接过程识别 260

25．参数自适应调节器 261

25.1　概述 261

25.2　适合的控制算法 264

25.2.1　临界阻尼控制算法 264

25.2.2　最小方差调节器 264

25.2.3　参数最优调节器 266

25.2.4　极点配置的一般线性调节器 268

25.2.5　状态调节器 268

25.3　参数估计和控制算法（单输入、单输出）的适当组合 269

25.3.1　确定等价参数自适应调节器 269

25.3.2　随机参数自适应调节器 273

25.4　不同的参数自适应调节器通过仿真的比较 276

25.3.3　确定性参数自适应调节器 276

25.5　一些先验因子的选择 284

25.6　应用举例 285

25.6.1　空气加热器的自适应控制 285

25.6.2　pH过程的自适应控制 285

25.7　参数自适应前馈控制 289

25.8　参数自适应多变量调节器 291

G　应用过程计算机和微型机的数字控制 297

26．幅值整量化对数字控制的影响 297

26.1　产生整量化效应的原因 297

26.1.1　模拟输入 297

26.1.2　中央处理单元（CPU） 298

26.1.3　模拟输出 299

26.2.1　变量的整量化效应 300

26.2　各种整量化效应 300

26.2.2　系数的整量化效应 303

26.2.3　中间结果的整量化效应 303

27．扰动的滤波 306

27.1　控制系统中的噪声源和噪声频谱 306

27.2　模拟滤波 308

27.3　数字滤波 309

27.3.1　低通滤波器 310

27.3.2　高通滤波器 312

27.3.3　特殊滤波器 313

28．控制算法和执行机构的组合 316

29．计算机辅助设计控制算法 323

30.1　热交换器的数字控制 326

30．识别和数字控制的实例 326

30.2　回转干燥器的数字控制 328

30.3　蒸汽锅炉的数字控制 336

30.3.1　两输入／两输出过程识别和参数最优调节器的计算机辅助设计 336

（程序包OLID-MIMO，CADCA-MIMO，CAFCA-SISO） 336

30.3.2　可代替的单输入／单输出自整定控制 337

（程序包ADREG） 337

30.3.3　两输入／两输出自适应控制 337

（程序包MACS） 337

30.4　结论 341

附录 343

缩写和符号一览表 348

参考文献 351

术语索引 360