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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RGA 172

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