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第1章 工业过程先进控制技术概述 1

1.1 工业过控制技术发展历程 1

1.1.1 引言 1

1.1.2 自动控制理论与过程控制的发展过程 2

1.1.3 工业自动化技术工具的发展过程 3

1.2 工业过程控制理论及应用 5

1.2.1 工业过程控制理论 5

1.2.2 工业生产过程的特殊性 7

1.2.3 过程控制理论在工业生产过程中的应用 9

1.3 工业生产过程的先进控制 10

1.3.1 何为先进控制？ 10

1.3.2 先进控制的发展现状 11

1.3.3 先进控制的核心内容 13

1.3.4 先进控制工程化方法 14

1.3.5 先进控制经济效益 15

1.3.6 先进控制面临的挑战 16

参考文献 16

第2章 过程模型的建立 17

2.1 模型重要性 17

2.2 过程建模一般原理 18

2.3 典型工业过程建模 21

2.3.1 液体贮存系统 22

2.3.2 一类热焓过程的模型化 23

2.3.3 连续带搅拌反应器建模(CSTR) 25

2.3.4 三级吸收塔系统(级联过程) 26

2.4.1 线性迭代建模 27

2.4 阶跃响应经验建模 27

2.4.2 非线性迭代建模 30

参考文献 32

第3章 软测量技术及其应用 33

3.1 引言 33

3.2 软测量建模方法 33

3.2.1 软测量模型的数学描述 33

3.2.2 软测量建模的主要数学基础 34

3.2.3 软测量建模的主要方法 37

3.3 软测量器工程化设计及实施 38

3.3.1 辅助变量的初选 38

3.3.2 现场数据采集与处理 39

3.3.3 辅助变量精选--输入数据集降维 39

3.3.4 软测量模型的结构选择 40

3.3.5 模型参数的估计 41

3.3.6 软测量模型实施 41

3.4 软测量模型的自校正及维护 42

3.4.1 在线自校正 42

3.4.2 模型更新 42

3.5 软测量技术工业应用示例 42

3.5.1 催化裂化装置反应-再生部分软测量 42

3.5.2 催化裂化装置分馏塔部分软测量 44

3.5.3 航空煤油密度软测量 44

参考文献 47

第4章 内模控制 48

4.1 引言 48

4.2.1 内模控制结构及其等价形式 49

4.2.2 内模控制的主要性质 49

4.2 内模控制基本原理 49

4.2.3 内模控制的实现问题 51

4.3 内模控制器设计--连续过程 51

4.3.1 Gp(s)的分解 52

4.3.2 滤波器设计 53

4.3.3 鲁棒性问题 53

4.3.4 设计示例 54

4.4 内模控制器设计--离散过程 58

4.4.1 开环稳定过程 58

4.4.2 开环不稳定过程 62

4.5 多输入多输出(MIMO)过程内模控制 64

4.5.1 基本概念 64

4.5.2 MIMO过程IMC设计 65

4.6.1 SMPC方法 67

4.6 简化模型预测控制(SMPC) 67

4.6.2 SMPC的内模控制结构 68

4.6.3 改进的SMPC算法 71

4.6.4 多变量SMPC算法 72

4.7 内模控制的工业应用 74

4.7.1 基于内模控制的PID控制器参数整定 74

4.7.2 热交换器温度控制 78

参考文献 79

第5章 模型预测控制 81

5.1 引言 81

5.2 模型预测控制基本原理 82

5.3 预测控制基本算法 84

5.3.1 模型算法控制 84

5.3.2 动态矩阵控制 88

5.3.3 广义预测控制 91

5.4 大时滞过程的预测控制及其应用 95

5.4.1 时滞过程的控制问题 95

5.4.2 大时滞过程的预测控制 96

5.4.3 时滞过程预测控制的工业应用 97

5.5 多变量协调预测控制及应用 99

5.5.1 约束多变量预测控制问题 99

5.5.2 基于关联分析的多变量协调预测控制策略 101

5.5.3 仿真研究 102

5.5.4 工业应用 103

参考文献 108

第6章 预测函数控制 109

6.1 引言 109

6.2.2 预测模型 110

6.2 预测函数控制基本原理 110

6.2.1 基函数的概念 110

6.2.3 误差预测及补偿 111

6.2.4 优化计算 111

6.3 典型工业过程的预测函数控制 112

6.3.1 一阶过程 112

6.3.2 一阶加纯滞后过程 115

6.4 预测函数控制的稳定性与鲁棒性 117

6.4.1 双值预测函数控制的内模结构 118

6.4.2 模型匹配时的闭环稳定性 118

6.4.3 模型失配时的鲁棒性 119

6.5 化学反应过程的预测函数控制 120

6.5.1 工艺流程 120

6.5.3 仿真研究 122

6.5.2 透明控制结构及其实现 122

6.5.4 工业应用 123

6.6 工业精馏塔重沸炉的预测函数控制 126

6.6.1 工艺简介 126

6.6.2 重沸炉的预测函数控制 127

6.6.3 工业应用 128

参考文献 129

第7章 模糊控制 130

7.1 引言 130

7.2 模糊控制的数学基础 132

7.2.1 模糊集合及其运算 132

7.2.2 模糊关系 136

7.2.3 模糊逻辑与模糊推理 138

7.2.4 解模糊化 144

7.3 模糊控制的基本原理与设计 145

7.3.1 模糊控制器的基本结构 145

7.3.2 模糊控制器的设计 147

7.3.3 模糊控制器设计示例 153

7.4 模糊PID控制器 155

7.4.1 模糊PID控制器基础 155

7.4.2 模糊PID控制器的参数整定 157

7.5 模糊控制的新进展 159

7.5.1 自适应模糊控制 159

7.5.2 基于模糊模型的控制 161

7.6.1 工业背景 162

7.6.2 模糊控制器的DOS实现 162

7.6 模糊控制的工业应用 162

7.6.3 工业应用效果 164

参考文献 164

第8章 神经控制 166

8.1 引言 166

8.2 基于模型的神经控制 166

8.2.1 直接逆控制 166

8.2.2 前馈加反馈复合控制 167

8.2.3 神经内模控制 167

8.2.4 基于神经网络的预测控制 168

8.2.5 神经自适应控制 168

8.3.2 模糊神经网络控制 169

8.3.3 神经鲁棒控制 169

8.3.1 基于神经网络的PID控制 169

8.3 其他神经网络控制系统 169

8.3.4 用于控制系统的神经网络模型 170

8.4 一个例子--汽油调和过程的神经内模优化控制 170

8.4.1 汽油调和神经网络模型的建立 170

8.4.2 汽油管道调和过程的动态模型 171

8.4.3 调和过程的内模优化控制器 171

8.4.4 仿真结果 173

8.5 神经非模型控制 174

8.5.1 面向控制的神经元模型及学习策略 174

8.5.2 神经非模型控制的结构 175

8.5.3 一个例子--水轮发电机组的神经元控制 176

8.6.3 神经网络用于求解控制领域中的相关问题 180

8.6.2 工业过程控制 180

8.6.4 神经控制存在的问题 180

8.6.1 神经机器人控制系统 180

8.6 神经控制技术的应用及存在的问题 180

8.6.5 研究展望 181

参考文献 182

第9章 专家控制 186

9.1 引言 186

9.2 专家控制系统的概念和特征 186

9.3 专家控制系统的分类 188

9.3.1 基于规则的专家整定和自适应控制器 188

9.3.2 专家监督控制系统 188

9.3.3 混合型专家控制系统 189

9.3.4 实时专家智能控制系统 189

9.3.5 仿人智能控制系统 190

9.4 专家控制系统的基本思想和结构 191

9.4.1 专家控制的基本思想 191

9.4.2 专家控制系统的组织结构 193

9.5 专家控制系统在过程控制领域中的应用 194

9.5.1 专家控制在工业控制中应用概况 194

9.5.2 专家控制的应用示例 195

9.6 专家控制实用化问题 198

9.6.1 实时知识库的构建和更新 198

9.6.2 实时推理技术的应用 198

9.6.3 智能化接口 199

参考文献 199

第10章 过程数据校正技术 201

10.1 引言 201

10.2.1 线性稳态数据协调原理 202

10.2 过程数据校正技术原理 202

10.2.2 显著误差检测原理 203

10.2.3 系统冗余性分析原理 206

10.3 过程数据校正技术的工程应用 208

10.3.1 数据校正工程化软件的功能与实施 209

10.3.2一个炼化公司的物流数据校正工业应用实例 212

参考文献 217

第11章 计算机集成控制技术 219

11.1 计算机集成控制目的和意义 219

11.1.1 流程工业生产过程运作特点 219

11.1.2 计算机综合集成控制 220

11.2 信息源与信息集成系统 221

11.2.1 企业信息和数据来源 221

11.2.2 信息分类与编码 222

11.2.3 企业信息系统综合集成技术 224

11.2.4 企业信息系统综合集成例子 225

11.3 流程工业的运作与信息结构 226

11.3.1 企业运行概述 226

11.3.2 企业决策功能 227

11.3.3 期望目标(运行)实施 228

11.3.4 监督控制 228

11.4 综合集成优化控制 231

11.4.1 综合集成在线优化控制概述 231

11.4.2 最优操作工况 234

11.5 计划与调度优化 238

11.5.1 流程工业生产计划与调度的特点 238

11.5.2 基于Petrofine的计划与调度优化 239

11.5.3 PIMS在炼油企业中应用 242

参考文献 244