本书系统地介绍了一套面向工业过程控制工程的辨识建模和控制系统设计方法及应用技术,主要基于第一作者和合作者们关于工业过程辨识建模和控制方面的成果整理而形成,并且汇编了一些必要的基础知识,以便读者从零开始学习并最终掌握这套工程技术理论与应用方法。
本书分两部分:第一部分针对过程控制工程领域中,按照阶跃响应特性划分的对象类型,详细阐述了开环稳定、积分和不稳定过程的动态特性辨识建模方法以及采样系统和非线性系统的参数估计方法;第二部分从基本的单回路控制结构和内模控制原理开始,逐步深入介绍了先进的两自由度控制、采样控制、主动抗扰控制、反饱和控制、串级控制、多回路控制、多变量解耦控制以及批次过程控制与运行优化理论和应用方法等。
本书的特点是由浅入深地介绍过程控制工程基本理论与研究成果,注重理论分析与实际应用相结合,每章介绍的主要方法都配有仿真或工程应用案例,并且在各章后附有主要方法的仿真程序,以便读者参考和应用测试。同时,各章后配有练习题和仿真作业,以便教师教学使用。
本书可作为自动化类及相关专业本科生及研究生的教材,也可供工业过程控制工程领域的学者和技术人员参考。

第1章 绪论1
1.1 过程动态特性辨识建模1
1.1.1 过程辨识建模的对象范围1
1.1.2 典型的过程动态特性描述模型3
1.2 模型拟合准则与评价指标6
1.3 过程控制系统组成与技术发展8
1.3.1 过程控制系统组成与主要任务8
1.3.2 过程控制技术的发展10
1.4 控制系统稳定性与性能指标11
1.4.1 稳定性判据11
1.4.2 控制性能指标13
1.5 本章小结16
习题17
参考文献17

第一部分　过程辨识建模　/20
第2章 基于阶跃响应实验辨识开环稳定过程20
2.1 阶跃实验与频率响应估计21
2.2 常用模型结构的参数辨识方法22
2.2.1 带时滞参数的一阶模型和重复极点高阶模型22
2.2.2 带时滞参数和不同极点的二阶模型24
2.2.3 带时滞参数和不同极点的高阶模型25
2.2.4 一致性参数估计分析和模型结构选择27
2.2.5 应用案例30
2.3 抗扰辨识模型参数的方法34
2.3.1 阶跃响应实验设计34
2.3.2 模型参数辨识35
2.3.3 应用案例40
2.4 基于闭环系统阶跃响应实验辨识模型参数42
2.4.1 对象频率响应估计42
2.4.2 模型参数辨识44
2.4.3 应用案例45
2.5 本章小结47
习题48
参考文献49
附 辨识算法程序50

第3章 基于阶跃响应实验辨识积分和不稳定过程54
3.1 基于阶跃响应实验辨识积分过程54
3.1.1 频率响应估计54
3.1.2 模型参数辨识56
3.1.3 应用案例58
3.2 基于闭环系统阶跃响应实验辨识积分和不稳定过程59
3.2.1 积分型过程模型辨识60
3.2.2 不稳定型过程模型辨识60
3.2.3 应用案例64
3.3 本章小结68
习题68
参考文献68
附 辨识算法程序69

第4章 基于持续激励实验抗扰辨识采样系统74
4.1 线性模型参数估计74
4.2 迭代辨识算法77
4.3 收敛性分析79
4.4 应用案例84
4.5 本章小结89
习题89
参考文献89
附 辨识算法程序90

第5章 基于持续激励实验辨识积分型采样系统92
5.1 输入激励设计93
5.2 模型参数辨识算法?94
5.3 收敛性分析97
5.4 应用案例98
5.5 本章小结100
习题100
参考文献100
附 辨识仿真程序101

第6章 基于持续激励实验辨识非线性系统参数103
6.1 自适应参数辨识算法103
6.2 收敛性分析108
6.3 应用案例109
6.4 本章小结111
习题111
参考文献111
附 辨识算法程序112

第二部分　控制系统设计　/113
第7章 单回路控制113
7.1 内模控制(IMC)原理113
7.2 改进的IMC滤波器设计115
7.2.1 FOPDT稳定过程116
7.2.2 SOPDT稳定过程118
7.3 PID整定123
7.3.1 基于IMC设计的PID整定123
7.3.2 离散域PID整定124
7.4 应用案例128
7.5 本章小结132
习题132
参考文献133
附 控制仿真程序134

第8章 两自由度控制136
8.1 开环稳定和积分过程137
8.1.1 抗扰控制器138
8.1.2 设定点跟踪控制器140
8.1.3 鲁棒稳定性分析141
8.1.4 应用案例142
8.2 开环不稳定过程148
8.2.1 设定点跟踪控制器148
8.2.2 抗扰控制器149
8.2.3 鲁棒稳定性分析153
8.2.4 应用案例154
8.3 本章小结158
习题159
参考文献160
附 控制仿真程序161

第9章 采样控制系统163
9.1 含时滞的开环稳定过程163
9.1.1 抗扰控制器164
9.1.2 设定点跟踪控制器166
9.1.3 控制性能评估166
9.1.4 鲁棒稳定性分析168
9.1.5 应用案例169
9.2 含时滞的积分和不稳定过程172
9.2.1 抗扰控制器172
9.2.2 设定点跟踪控制器175
9.2.3 鲁棒稳定性分析177
9.2.4 应用案例179
9.3 基于通用无时滞输出预估器的两自由度控制184
9.3.1 通用的无时滞输出预估器185
9.3.2 两自由度控制方案187
9.3.3 闭环抗扰控制器187
9.3.4 设定点跟踪控制器191
9.3.5 系统稳定性分析191
9.3.6 应用案例192
9.4 本章小结197
习题198
参考文献199
附 控制仿真程序200

第10章 主动抗扰控制(ADRC)203
10.1 含有不确定性和干扰的对象描述203
10.2 基于无时滞输出预估的ADRC设计204
10.2.1 扩张状态观测器(ESO)205
10.2.2 两自由度控制器206
10.3 系统稳定性分析207
10

随着现代工业的快速发展,愈发广泛和深入地需要先进的生产过程动态特性建模与控制理论。本书第一作者长期从事工业过程辨识建模和控制系统设计方面的研究工作,于2012年出版一部关于这方面的英文专著,由Springer出版社在其“Advances in Industrial Control”(简译高级过程控制)丛书序列出版,受到国内外很多同行专家和学者们的好评和引用,近些年来继续深入地开展了有关研究工作,并且指导郝首霖博士(本书第二作者)同那靖教授、王友清教授合作,在控制工程领域国际重要期刊发表了一系列相关研究成果论文。考虑到上述英文专著和近期的相关研究论文已形成一套比较完善的关于过程动态特性辨识建模与控制系统设计的理论与应用方法,作者们决定合力编写一本中文著作,以便国内控制工程领域的学者、高校师生以及工程技术人员参考使用。
本书在内容安排上按照由浅入深和循序渐进的原则,汇编了一些关于系统辨识和内模控制原理的基础知识,以方便初学者从零开始学习和掌握这套工程技术理论与应用方法;在表达上尽量通俗易懂,将理论分析与实际应用相结合;每章介绍的主要方法都给出具体的计算机仿真或工程应用案例,在各章后附有主要方法的计算机仿真程序。同时,各章后配有练习题和计算机仿真作业,便于高校的专业课程教学使用。本书既可作为自动化类及相关专业本科生及研究生的教材,也可供工业过程控制工程领域的学者和技术人员参考。
全书分为两部分,第一部分是关于过程动态响应特性的辨识建模,第二部分是基于建模的控制系统设计。这两部分内容既相互独立,又有内在联系。在实际过程控制工程中,第一部分的内容为开展第二部分的工作提供对象特性认知和设计基础,从而便于高校的专业课程教学根据课时量选用本书的章节内容进行合理安排以及感兴趣的学者和工程技术人员根据知识基础和实际需求选择其中的部分内容作参考使用。
本书内容共15章,其中第1章为绪论,首先介绍工业生产过程动态特性辨识建模的范围、典型和常用的模型结构以及模型拟合准则与指标,然后简要介绍过程控制系统的组成与主要任务、技术发展现状以及控制系统的稳定性判据与性能指标。
第2～6章为过程辨识建模部分,针对过程控制工程领域按照阶跃响应特性划分的对象类型,在第2～3章中分别详细地阐述开环稳定、积分和不稳定过程的动态特性辨识建模方法,尤其是分别给出上述三种不同类型过程的开环和闭环辨识实验设计方法、频率响应估计方法、低价模型参数估计方法,重点讲述带时滞参数的一阶和二阶过程传递函数模型的辨识算法。对于实际工程应用中辨识实验存在负载干扰的问题,提出一种抗扰辨识方法,可保证一致无偏估计模型参数;为便于应用于工业计算机监控系统,在第4～5章中专门介绍基于持续激励条件辨识采样系统模型的一些参数估计算法,并且分析这些算法的收敛性和一致性估计条件;对于非线性系统,在第6章中给出一种具有通用性的自适应参数辨识算法,并且分析一致收敛性条件。对于第2～6章中介绍的各种过程模型辨识和参数估计方法,都逐一给出具体的应用案例,并且与现有文献中提出的一些方法做对比,从而验证说明每种方法的有效性和优点。
第7～15章为控制系统设计部分,第7章首先介绍最基本的单回路控制结构和基于过程建模的内模控制(IMC)原理,然后讲述控制工程中最广泛应用的PID控制器整定方法,尤其是基于IMC设计的PID整定公式,以便实际工程应用;第8章介绍两种先进的两自由度控制方案,一种用于开环稳定和积分过程,另一种用于开环不稳定过程。两种控制结构都能相对独立地调节和优化系统设定点跟踪和闭环抗扰性能,从而克服一个单回路控制结构只能在这两方面性能之间折中的根本缺陷;第9章讲述采样控制系统的设计方法,分别针对开环稳定、积分和不稳定过程详细介绍了两自由度控制方法,并且给出了一种基于无时滞输出预估器的两自由度控制方案,可以通用于带有时滞响应的开环稳定、积分和不稳定过程;为进一步提高系统抗扰性能,在第10章介绍一种主动抗扰控制(ADRC)方法,通过设计能同时预估系统状态和扰动响应的扩展状态观测器(ESO),建立能改善抗扰性能的两自由度控制方法;为了解决工程实践中经常遇到的过程输入饱和约束问题,第11章中讲述两种基于ADRC的反饱和控制方案,分别用于具有对称和非对称饱和输入约束的情况;针对串级生产过程,第12章介绍两种串级控制方案,分别用于开环稳定和不稳定过程,通过可检测的中间级过程输出反馈,设计双闭环控制结构以提高系统抗扰性能;对于多变量过程,第13章介绍系统输入-输出变量配对选择原则和方法,分析多回路控制系统的可控性,给出一种多回路控制系统PID整定方法;第14章中介绍一种解析设计多变量解耦控制系统的方法,能实现标称系统各路输出响应之间的完全解耦调节,而且,给出一种两自由度解耦控制方法,能进一步提高各路输出响应的抗扰性能;针对批次生产过程,第15章基于工程中常用的单回路PI控制器和IMC控制结构,分别提出一种迭代学习控制(ILC)方法,对于时不变批次过程,可以实现每一时刻完全跟踪期望输出轨迹,而