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第0章 绪论 1

第1章 自动控制的一般概念 7

1.1 自动控制系统的基本概念 7

1.1.1 名词解释 7

1.1.2 自动化与自动控制 8

1.1.3 常系数线性系统和变系数线性系统 9

1.1.4 非线性系统 10

1.2 连续生产过程与间歇生产过程系统 10

1.2.1 连续生产过程 10

1.2.2 间歇生产过程 10

1.2.3 过程变量 11

1.3 自动控制系统的组成 12

1.3.1 自动控制系统的基本组成结构及术语定义 12

1.3.2 闭环控制和开环控制系统 15

1.4 对连续过程控制系统性能的基本要求 17

1.4.1 控制系统稳定性概念 17

1.4.2 连续过程控制系统的动态性能 18

1.4.3 控制系统的质量（品质）指标 19

1.5 自动控制系统的分类 22

1.5.1 按被控对象特性分类 22

1.5.2 按系统输入输出的个数分类 23

1.5.3 按给定值信号的特点分类 25

1.5.4 按系统中传输信号对时间的关系分类 26

1.6 工业控制器 27

1.6.1 双位或开关控制器 28

1.6.2 比例控制器（P） 28

1.6.3 微分控制器（D）与比例＋微分控制器（PD） 29

1.6.4 积分控制器（I）与比例＋积分控制器（PI） 29

1.6.5 比例＋积分＋微分控制器（PID） 30

第2章 控制系统的动态数学模型描述 31

2.1 建模方法简介 31

2.2 控制系统的微分方程模型 32

2.3 控制系统的差分方程模型及其计算程序 34

2.3.1 差分方程模型 34

2.3.2 差分方程计算机程序设计 38

2.4 线性定常系统的传递函数模型 41

2.4.1 传递函数概念 41

2.4.2 典型环节的微分方程与传递函数描述 43

2.5 控制系统的方框图模型 47

2.5.1 方框图的定义 47

2.5.2 方框图运算 48

2.5.3 开环传递函数与闭环传递函数 49

2.5.4 规范化方框图 49

2.6 控制系统的状态空间模型 50

2.6.1 状态与状态变量 51

2.6.2 状态空间方程模型 52

2.6.3 状态空间模型的矩阵表示 58

2.7 控制系统的频率特性函数模型 60

2.7.1 频率特性函数概念 60

2.7.2 频率特性函数运算 62

2.7.3 频率特性函数曲线 63

2.8 脉冲传递函数模型 64

2.8.1 离散时间（采样）控制系统的构成 64

2.8.2 采样与保持过程及其数学模型 64

2.8.3 数／模（D/A）转换器及其数学模型 66

2.8.4 采样定理及采样周期的选择 66

2.8.5 Z变换以及脉冲传递函数 69

2.8.6 Z传递函数运算以及开环与闭环系统的脉冲传递函数 73

2.9 非线性系统的数学模型 75

2.10 微分方程、传递函数与状态方程之间的转换 77

2.10.1 微分方程与状态方程之间的转换 77

2.10.2 传递函数与状态方程之间的转换 80

2.10.3 系统方框图与状态方程之间的转换 83

2.11 本章小结 88

第3章 微分方程的数值解（数字仿真） 91

3.1 数字仿真概念 91

3.2 连续系统的离散化 92

3.3 离散系统差分方程的求取 95

3.3.1 离散-再现环节在系统的入口处 95

3.3.2 规范化方框图中基本环节的差分方程 107

3.3.3 离散再现环节在系统的积分器处 111

3.4 非线性系统数值积分公式 122

3.5 离散时间控制系统的数字仿真 128

3.5.1 离散时间控制系统的数学模型 128

3.5.2 离散时间控制系统的数字仿真程序设计 135

3.6 仿真计算的稳定性分析 137

3.6.1 计算步距对系统稳定性的影响 137

3.6.2 “代数环”对系统稳定性的影响 139

3.6.3 刚性（Stiff）系统数字仿真的稳定性分析 143

3.7 本章小结 147

第4章 最优化理论与方法 149

4.1 最优化问题的一般描述 149

4.1.1 单目标优化问题的数学描述 149

4.1.2 多目标优化问题的数学描述 150

4.1.3 最优化问题的求解方法 150

4.2 控制系统参数优化目标函数的选取 153

4.2.1 直接型目标函数 153

4.2.2 间接型目标函数 155

4.2.3 综合型目标函数 157

4.2.4 控制系统动态品质指标计算程序 157

4.3 优化系统的数学模型描述 159

4.3.1 工业PID控制律的数学模型描述 159

4.3.2 被控对象的数学模型描述 159

4.3.3 对象的阶次、时间常数以及纯迟延时间之间的转换 161

4.4 经验整定公式 165

4.4.1 有自平衡能力被控对象的经验整定公式 165

4.4.2 无自衡能力被控对象的经验整定公式 172

4.5 穷举法 178

4.6 黄金分割法 185

4.7 单纯形法 190

4.7.1 单纯形法的工作原理 191

4.7.2 单纯形的初始步长对优化结果的影响 198

4.7.3 压缩因子和扩张因子对优化效果的影响 199

4.7.4 优化参数初始值对优化效果的影响 200

4.8 群体智能优化算法 201

4.8.1 遗传优化算法 202

4.8.2 蚁群优化算法 220

4.8.3 粒子群优化算法 230

4.9 多变量控制系统参数优化 234

4.10 本章小结 239

第5章 生产过程系统建模理论与方法 241

5.1 建模方法综述 241

5.2 估计模型的选择 243

5.3 最小二乘法辨识算法 254

5.3.1 最小二乘批处理算法 254

5.3.2 最小二乘批处理算法程序设计 255

5.3.3 最小二乘辨识的工程问题 257

5.3.4 最小二乘递推算法 270

5.4 智能辨识方法 279

5.4.1 基于粒子群算法的智能辨识算法程序 280

5.4.2 智能辨识方法的工程问题 283

5.5 多变量线性系统辨识 304

5.5.1 MIMO系统的数学模型描述 304

5.5.2 MIMO系统的辨识算法 306

5.5.3 MIMO系统辨识的工程问题 306

5.6 实际工程系统试验建模案例 317

5.6.1 1000MW超超临界直流炉机组负荷系统模型辨识 317

5.6.2 1000MW超超临界直流炉机组燃烧系统模型辨识 326

5.6.3 600MW亚临界火电机组燃烧系统模型辨识 330

5.7 本章小结 337

第6章 线性单变量控制系统分析与优化设计 338

6.1 线性单变量系统综述 338

6.2 控制系统的理论分析基础 339

6.2.1 典型试验信号的选取 339

6.2.2 系统的平衡状态及各状态变量的初始值 341

6.2.3 控制系统中的固有非线性环节 342

6.2.4 系统的瞬态（动态）响应与稳态响应 343

6.3 单位反馈控制系统的稳态误差分析 346

6.3.1 静态位置误差常数Kp 347

6.3.2 静态速度误差常数Kv 348

6.4 稳定性分析 348

6.4.1 负反馈分析 349

6.4.2 稳定参数区间分析 350

6.5 鲁棒性分析 361

6.6 PID控制策略 365

6.6.1 基本PID控制律 365

6.6.2 抗积分饱和PI控制律 369

6.6.3 微分先行PID控制律 372

6.6.4 积分分离PID控制律 375

6.7 前馈加反馈控制系统优化设计 380

6.7.1 按给定值扰动补偿的复合控制策略 380

6.7.2 按外部扰动补偿的复合控制策略 386

6.8 大纯迟延系统的史密斯预估控制 396

6.8.1 史密斯预估器补偿算法原理 396

6.8.2 史密斯预估控制算法的鲁棒性 400

6.8.3 纯迟延时间对史密斯预估控制效果的影响 402

6.8.4 完全消除内部扰动的史密斯预估补偿器 403

6.9 大纯迟延系统的内模控制 404

6.9.1 内模控制原理 404

6.9.2 内模控制的工程实现 407

6.9.3 内模控制律的鲁棒性分析 416

6.10 串级双回路反馈控制系统优化设计 419

6.10.1 串级控制系统设计 420

6.10.2 串级控制系统中被控对象传递函数描述形式的转换 424

6.10.3 导前区模型对系统控制品质的影响 428

6.11 离散时间控制系统的优化设计 430

6.11.1 采样周期Ts对控制品质的影响 430

6.11.2 最小拍控制 435

6.11.3 最小拍无纹波控制 447

6.11.4 大林算法控制 451

6.12 本章小结 456

第7章 线性多变量控制系统分析与优化设计 459

7.1 多变量系统的数学模型描述 459

7.2 状态反馈控制系统优化设计 460

7.2.1 状态反馈控制系统结构 460

7.2.2 状态反馈控制器设计 461

7.2.3 控制品质指标的选择方法 473

7.2.4 带有状态观测器的状态反馈控制系统设计 475

7.2.5 无静差系统的状态观测器优化设计 480

7.2.6 高阶或带有纯迟延系统的状态反馈控制器设计 485

7.3 多变量系统的解耦控制 488

7.3.1 动态解耦器的优化设计 489

7.3.2 静态解耦器的优化设计 499

7.3.3 被控系统可解耦条件 509

7.4 协调控制 513

7.5 最优控制 523

7.5.1 最优控制问题的一般描述 523

7.5.2 最优状态空间控制系统的设计 525

7.6 本章小结 528

第8章 非线性控制系统分析与优化设计 530

8.1 非线性系统综述 530

8.2 非线性模型的线性化 531

8.2.1 小信号分析线性化 531

8.2.2 非线性反馈线性化 532

8.2.3 逆非线性补偿线性化 532

8.3 典型硬非线性特性及其仿真程序 533

8.3.1 继电器 533

8.3.2 有不灵敏区的继电器 533

8.3.3 限幅器（饱和特性） 534

8.3.4 不灵敏区（死区） 534

8.3.5 齿轮间隙 534

8.3.6 具有死区和滞环的继电器 535

8.3.7 摩擦 536

8.4 非线性系统特性分析 536

8.4.1 经典分析方法回顾 536

8.4.2 非线性系统的数值分析 540

8.5 非线性特性的有益应用 545

8.5.1 相位超前环节的实现 546

8.5.2 非线性控制器 547

8.6 本章小结 550

第9章 自适应与预测控制系统分析与优化设计 551

9.1 自适应现象与自适应控制 551

9.2 自适应控制系统组成结构 552

9.2.1 模型参考自适应控制系统结构 553

9.2.2 自校正自适应控制系统结构 554

9.2.3 预测控制系统结构 554

9.3 模型参考自适应PID控制系统的优化设计 556

9.3.1 参考模型设计 556

9.3.2 自适应机构设计 558

9.3.3 参考模型对自适应控制系统调节品质的影响 563

9.3.4 扰动量对控制品质的影响 565

9.3.5 结论 571

9.4 自调整自适应PID控制系统的优化设计 571

9.5 预整定自适应PID控制 578

9.6 动态矩阵控制系统的优化设计 584

9.6.1 动态矩阵控制器的设计 584

9.6.2 DMC算法的程序设计 589

9.6.3 DMC算法的鲁棒性分析 600

9.6.4 DMC算法参数的选取 606

9.6.5 DMC算法综合设计 623

9.6.6 DMC控制算法小结 635

第10章 模糊控制系统分析与优化设计 636

10.1 “模糊”概念 636

10.2 模糊数学基础 638

10.2.1 模糊语言值和模糊语言变量 638

10.2.2 模糊集合 639

10.2.3 模糊集合运算 647

10.2.4 模糊集合运算的基本性质 650

10.2.5 模糊关系及其运算 650

10.2.6 模糊命题与模糊推理 657

10.3 基本模糊控制器设计 660

10.3.1 模糊控制器的设计任务 660

10.3.2 模糊控制器的结构设计 660

10.3.3 模糊化处理 661

10.3.4 模糊控制规则设计 666

10.3.5 模糊决策 678

10.3.6 非模糊化处理 682

10.3.7 通用模糊控制器的设计方法 683

10.4 带可调整因子的模糊控制器的设计 703

10.4.1 控制规则的解析描述 703

10.4.2 模糊控制规则的自调整与自寻优 713

10.5 模糊自整定PID控制 715

10.5.1 模糊自整定PID控制的基本原理 715

10.5.2 模糊整定规则表的确定 716

10.5.3 计算PID参数的调整表 718

10.5.4 模糊自整定PID控制系统的优化设计 721

10.6 本章小结 731

参考文献 732