过程控制及其MATLAB实现(第3版)

本书为国家精品课程"过程控制与集散系统”的配套教材。本书系统地介绍了有关过程控制的理论与技术。全书共分11章，内容包括概述、过程控制系统建模方法、过程控制系统设计、PID调节原理、串级控制、特殊控制方法、补偿控制、关联分析与解耦控制、模糊控制、预测控制和优选控制。本书从基本概念出发，深入浅出地阐述了过程控制系统的本质与特点，同时配合大量的应用实例，力图使学生掌握过程控制系统分析、设计和优化的基本原理和方法。本书可作为高等学校自动化类专业本科及研究生的教材，也可作为有关领域工程技术人员的参考书。

 

第1章 概述 1
1.1 过程控制的任务 1
1.2 过程控制系统的组成与特点 2
1.2.1 过程控制系统组成 2
1.2.2 过程控制系统特点 3
1.3 过程控制系统的性能指标 4
1.4 过程控制的进展 6
1.4.1 过程控制装置的进展 6
1.4.2 过程控制策略与算法的进展 8
1.4.3 对过程控制发展进程的总结和思考 9
本章小结 10
习题 10
第2章 过程控制系统建模方法 11
2.1 过程控制系统建模概念 11
2.1.1 建模的概念 11
2.1.2 建模的意义 12
2.1.3 建模的基本方法 13
2.2 机理建模方法 14
2.2.1 单容对象的传递函数 15
2.2.2 其他典型工业过程对象的传递函数 18
2.3 测试建模方法 19
2.3.1 对象特性的实验测定方法 19
2.3.2 测定动态特性的时域法 20
2.3.3 最小二乘法 24
2.4 基于MATLAB的系统建模 26
2.4.1 典型工业过程阶跃响应的MATLAB仿真 26
2.4.2 测试建模中MATLAB的应用 31
本章小结 36
习题 37
第3章 过程控制系统设计 40
3.1 过程控制系统设计的任务和步骤 40
3.2 确定控制变量与控制方案 41
3.2.1 确定控制目标 41
3.2.2 确定控制方案 42
3.2.3 确定安全保护措施 44
3.3 过程控制系统的检测和变送装置 44
3.3.1 检测和变送的相关概念 44
3.3.2 温度检测仪表 45
3.3.3 流量检测仪表 46
3.3.4 压力检测仪表 49
3.3.5 物位检测仪表 50
3.3.6 检测仪表的选型 50
3.4 过程控制系统的执行机构 51
3.4.1 调节阀的结构 51
3.4.2 调节阀的作用方式 53
3.4.3 调节阀的静态特性 54
3.4.4 调节阀的动态特性 56
3.4.5 调节阀的选型 60
3.5 过程控制系统设计实例 61
本章小结 65
习题 65
第4章 PID调节原理 67
4.1 PID控制概述 67
4.2 比例调节（P调节） 68
4.2.1 比例调节的动作规律和比例带 68
4.2.2 比例调节的特点——有差调节 69
4.2.3 比例带对调节过程的影响 70
4.3 积分调节（I调节） 71
4.3.1 积分调节规律和积分速度 71
4.3.2 积分调节的特点——无差调节 71
4.3.3 积分速度对于调节过程的影响 72
4.4 微分调节（D调节） 72
4.5 比例积分微分调节（PID调节） 73
4.5.1 比例积分（PI）调节 73
4.5.2 比例微分调节 76
4.5.3 比例积分微分调节规律及其基本特征 77
4.6 数字PID控制 79
4.6.1 数字PID控制算法 79
4.6.2 改进的数字PID算法 80
4.7 PID调节器参数的工程整定 82
4.7.1 PID参数整定的基本原则 83
4.7.2 PID参数的工程整定方法 83
4.7.3 PID参数的自整定方法 88
4.7.4 数字PID参数的整定 89
4.8 智能PID控制方法 90
4.8.1 模糊PID控制 90
4.8.2 神经网络PID控制 91
4.8.3 专家智能自整定PID控制 92
4.9 基于MATLAB的PID控制仿真 92
4.9.1 P、I、D及其组合控制的仿真 92
4.9.2 抗积分饱和控制方法的仿真 95
4.9.3 改进的微分控制方法的仿真 97
4.9.4 PID参数工程整定的仿真 100
本章小结 103
习题 103
第5章 串级控制 106
5.1 串级控制系统的基本原理 106
5.1.1 串级控制系统的基本概念 106
5.1.2 串级控制系统的组成 108
5.1.3 串级控制系统的工作过程 108
5.2 串级控制系统的特点 109
5.3 串级控制系统的设计 113
5.3.1 主、副回路的设计方法 113
5.3.2 主、副控制器正、反作用方式的确定 117
5.3.3 防止控制器积分饱和的措施 118
5.4 串级控制系统的控制器参数整定 120
5.5 串级控制系统的应用实例 122
5.6 串级控制的MATLAB仿真 124
本章小结 126
习题 126
第6章 特殊控制方法 128
6.1 比值控制系统 128
6.1.1 比值控制系统的基本概念 128
6.1.2 比值控制系统的分析 128
6.1.3 比值控制系统设计 131
6.1.4 比值控制系统的实施 132
6.1.5 比值控制系统的整定 136
6.1.6 比值控制系统中的若干问题 136
6.2 均匀控制系统 138
6.2.1 均匀控制的概念 138
6.2.2 均匀控制系统的结构形式 140
6.2.3 控制器的参数整定 142
6.3 分程控制系统 143
6.3.1 基本概念 143
6.3.2 分程控制的应用 143
6.3.3 分程阀总流量特性的改善 146
6.4 选择性控制系统 148
6.4.1 基本概念 148
6.4.2 选择性控制系统的类型及应用 148
6.4.3 选择性控制系统的设计 151
6.4.4 积分饱和及其防止措施 151
6.5 阀位控制系统 152
6.5.1 基本概念 152
6.5.2 阀位控制系统的应用 153
6.5.3 阀位控制系统的设计与整定 154
6.6 特殊控制的MATLAB仿真 155
6.6.1 比值控制的MATLAB仿真 155
6.6.2 均匀控制的MATLAB仿真 158
本章小结 161
习题 161
第7章 补偿控制 163
7.1 补偿控制的基本原理与结构 163
7.2 前馈控制系统 164
7.2.1 前馈控制系统的概念 164
7.2.2 前馈控制系统的基本结构 165
7.3 大迟延过程系统 168
7.3.1 Smith预估器 168
7.3.2 大林（Dahlin）算法 171
7.4 补偿控制的MATLAB仿真 176
7.4.1 前馈控制仿真 176
7.4.2 Smith预估补偿控制仿真 178
本章小结 180
习题 180
第8章 关联分析与解耦控制 182
8.1 控制回路间的关联 182
8.1.1 控制回路间的耦合 182
8.1.2 被控对象的典型耦合结构 183
8.1.3 耦合程度分析方法 184
8.2 相对增益矩阵 185
8.2.1 相对增益矩阵的定义 185
8.2.2 相对增益的计算 185
8.2.3 第二放大系数qij的直接计算法 186
8.2.4 相对增益矩阵的特性 187
8.3 减少及消除耦合的方法 189
8.4 解耦控制系统设计 190
8.4.1 前馈补偿解耦法 190
8.4.2 反馈解耦法 192
8.4.3 对角阵解耦法 192
8.4.4 单位阵解耦法 194
8.4 关联分析与解耦控制的MATLAB仿真 195
本章小结 199
习题 199
第9章 模糊控制 201
9.1 概述 201
9.2 模糊集合的基本概念 202
9.2.1 模糊集合 202
9.2.2 模糊集的基本运算 203
9.3 模糊关系 205
9.3.1 普通关系 205
9.3.2 模糊关系 206
9.3.3 模糊变换 208
9.3.4 模糊决策 208
9.4 模糊推理 209
9.4.1 模糊逻辑 209
9.4.2 模糊语言算子 209
9.4.3 模糊推理 211
9.5 模糊控制器原理及设计 213
9.5.1 模糊控制系统的组成 213
9.5.2 模糊控制原理 213
9.5.3 模糊控制系统设计 214
9.6 工业电阻炉温度模糊控制系统 224
9.6.1 系统简介 224
9.6.2 电阻炉温度模糊控制器设计 224
9.6.3 控制效果 227
9.7 浮选过程模糊控制系统 227
9.7.1 浮选工艺过程 227
9.7.2 浮选过程模糊控制器设计 228
9.7.3 控制效果 230
9.8 模糊控制的MATLAB仿真 231
本章小结 233
习题 234
第10章 预测控制 235
10.1 模型预测控制的基本原理 235
10.2 动态矩阵控制 236
10.2.1 预测模型 236
10.2.2 滚动优化 237
10.2.3 反馈校正 238
10.2.4 算法实现 240
10.2.5 参数选择 241
10.2.6 DMC的主要特征和优点 242
10.3 模型算法控制 243
10.3.1 具有简易性能指标的MAC算法 243
10.3.2 具有一般性能指标的MAC算法 246
10.3.3 算法实现 248
10.3.4 MAC的主要特征和优点 249
10.4 广义预测控制算法 250
10.4.1 广义预测控制基本理论 250
10.4.2 基于Toeplitz预测方程的广义预测控制算法 256
10.5 基于MATLAB的预测控制仿真 259
10.5.1 动态矩阵控制（DMC）仿真 259
10.5.2 广义预测控制（GPC）仿真 261
本章小结 264
习题 265
第11章 优选控制 266
11.1 自适应控制 266
11.1.1 自适应控制概述 266
11.1.2 模型参考自适应控制 267
11.1.3 自校正控制 269
11.2 智能控制 276
11.2.1 智能控制基础 276
11.2.2 智能控制的理论结构 277
11.2.3 递阶控制 278
11.2.4 基于知识的专家控制 280
11.2.5 仿人智能控制 281
11.2.6 神经控制 284
11.3 鲁棒控制 288
11.3.1 基本概念 288
11.3.2 H∞优化与鲁棒控制 289
11.3.3 标准H∞控制 290
11.3.4 H∞控制的求解 291
本章小结 294
习题 294
附录A 工艺流程图中的仪表图例符号 295
参考文献 296