过程控制及其MATLAB实现

    《电气工程、自动化专业规划教材：过程控制及其MATLAB实现（第2版）》为国家精品课程“过程控制与集散系统”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13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、优选控制和集散控制系统。
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。

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 5
1.4.1 过程控制装置进展 5
1.4.2 过程控制策略与算法的进展 7
本章小结 7
习题 7
第2章 过程控制系统建模方法 8
2.1 过程控制系统建模概念 8
2.1.1 建模概念 8
2.1.2 过程控制系统建模的两种基本方法 9
2.2 机理建模方法 10
2.2.1 单容对象的传递函数 10
2.2.2 具有纯延迟的单容对象特性 12
2.2.3 无自平衡能力的单容对象特性 13
2.2.4 多容对象的动态特性 13
2.3 测试建模方法 16
2.3.1 对象特性的实验测定方法 16
2.3.2 测定动态特性的时域法 17
2.3.3 测定动态特性的频域法 22
2.3.4 测定动态特性的统计相关法 24
2.3.5 最小二乘法 31
本章小结 34
习题 35
第3章 过程控制系统设计 38
3.1 过程控制系统设计步骤 38
3.2 确定控制变量与控制方案 38
3.2.1 确定控制目标 38
3.2.2 确定控制方案 39
3.3 过程控制系统硬件选择 40
3.3.1 控制装置 40
3.3.2 测量仪表和传感器的选型原则 40
3.4 节流元件计算 40
3.4.1 流量计算有关的基本概念 40
3.4.2 流量计类型 42
3.4.3 节流元件 42
3.5 调节阀选择 46
3.5.1 调节阀计算基础 46
3.5.2 调节阀的流量特性 50
3.5.3 调节阀口径计算 53
3.6 计算举例 58
3.6.1 角接取压标准孔板计算 59
3.6.2 蝶阀计算 61
本章小结 62
习题 63
第4章 PID调节原理 64
4.1 PID控制概述 64
4.2 比例调节(P调节) 65
4.2.1 比例调节的动作规律和比例带 65
4.2.2 比例调节的特点――有差调节 66
4.2.3 比例带对于调节过程的影响 67
4.3 积分调节(I调节) 67
4.3.1 积分调节规律和积分速度 67
4.3.2 积分调节的特点――无差调节 68
4.3.3 积分速度对于调节过程的影响 69
4.4 微分调节(D调节) 69
4.5 比例积分微分调节(PID调节) 70
4.5.1 比例积分(PI)调节 70
4.5.2 比例微分(PD)调节 73
4.5.3 比例积分微分调节规律及其基本特征 75
4.6 数字PID控制 77
4.6.1 数字PID控制算法 77
4.6.2 改进的数字PID算法 79
4.7 PID调节器的参数工程整定 81
4.7.1 PID参数整定的基本原则 81
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 89
4.7.4 数字PID参数的整定 90
4.8 智能PID控制方法 91
4.8.1 模糊PID控制 92
4.8.2 神经网络PID控制 92
4.8.3 专家智能自整定PID控制 94
本章小结 94
习题 95
第5章 串 级 控 制 97
5.1 串级控制系统的基本原理 97
5.1.1 串级控制系统的基本概念 97
5.1.2 串级控制系统的组成 99
5.1.3 串级控制系统的工作过程 99
5.2 串级控制系统的特点 100
5.3 串级控制系统的设计 104
5.3.1 主、副回路的设计方法 104
5.3.2 主、副控制器正、反作用方式的确定 107
5.3.3 防止控制器积分饱和的措施 108
5.4 串级控制系统的控制器参数整定 110
5.5 串级控制系统的应用实例 112
本章小结 114
习题 114
第6章 特殊控制方法 116
6.1 比值控制系统 116
6.1.1 比值控制系统的基本概念 116
6.1.2 比值控制系统的分析 116
6.1.3 比值控制系统设计 119
6.1.4 比值控制系统的实施 120
6.1.5 比值控制系统的整定 124
6.1.6 比值控制系统中的若干问题 125
6.2 均匀控制系统 127
6.2.1 均匀控制的概念 127
6.2.2 均匀控制系统的结构形式 128
6.2.3 控制器的参数整定 130
6.3 分程控制系统 131
6.3.1 基本概念 131
6.3.2 分程控制的应用 132
6.3.3 分程阀总流量特性的改善 134
6.4 选择性控制系统 136
6.4.1 基本概念 136
6.4.2 选择性控制系统的类型及应用 137
6.4.3 选择性控制系统的设计 140
6.4.4 积分饱和及其防止措施 140
6.5 阀位控制系统 141
6.5.1 基本概念 141
6.5.2 阀位控制系统的应用 142
6.5.3 阀位控制系统的设计与整定 143
本章小结 144
习题 144
第7章 补偿控制 146
7.1 补偿控制的基本原理与结构 146
7.2 前馈控制系统 146
7.2.1 前馈控制系统的概念 146
7.2.2 前馈控制系统的基本结构 148
7.3 大迟延过程系统 151
7.3.1 延迟对系统品质的影响 151
7.3.2 Smith预估器 151
7.3.3 大林(Dahlin)算法 155
本章小结 160
习题 160
第8章 关联分析与解耦控制 162
8.1 控制回路间的关联 162
8.1.1 控制回路间的耦合 162
8.1.2 被控对象的典型耦合结构 163
8.1.3 耦合程度分析方法 164
8.2 相对增益矩阵 165
8.2.1 相对增益矩阵的定义 165
8.2.2 相对增益的计算 166
8.2.3 第二放大系数qij的直接计算法 167
8.2.4 相对增益矩阵的特性 168
8.3 减少及消除耦合的方法 170
8.4 解耦控制系统设计 172
8.4.1 前馈补偿解耦法 172
8.4.2 反馈解耦法 173
8.4.3 对角阵解耦法 174
8.4.4 单位阵解耦法 176
本章小结 177
习题 178
第9章 模糊控制 180
9.1 概述 180
9.1.1 模糊的基本概念 180
9.1.2 模糊控制系统 180
9.2 模糊集合的基本概念 181
9.2.1 模糊集合 181
9.2.2 模糊集的基本运算 182
9.3 模糊关系 184
9.3.1 普通关系 185
9.3.2 模糊关系 185
9.3.3 模糊变换 187
9.3.4 模糊决策 188
9.4 模糊推理 189
9.4.1 模糊逻辑 189
9.4.2 模糊语言算子 189
9.4.3 模糊推理 191
9.5 模糊控制器原理及设计 193
9.5.1 模糊控制系统的组成 193
9.5.2 模糊控制原理 193
9.5.3 模糊控制系统设计 194
9.6 工业电阻炉温度模糊控制系统 205
9.6.1 系统简介 205
9.6.2 电阻炉温度模糊控制器设计 206
9.6.3 控制效果 208
9.7 浮选过程模糊控制系统 209
9.7.1 浮选工艺过程 209
9.7.2 浮选过程模糊控制器设计 210
9.7.3 控制效果 212
本章小结 213
习题 213
第10章 预测控制 215
10.1 模型预测控制的基本原理 215
10.2 动态矩阵控制DMC 216
10.2.1 预测模型 216
10.2.2 滚动优化 217
10.2.3 反馈校正 218
10.2.4 算法实现 220
10.2.5 参数选择 221
10.2.6 DMC的主要特征和优点 223
10.3 模型算法控制MAC 223
10.3.1 具有简易性能指标的MAC算法 223
10.3.2 具有一般性能指标的MAC算法 227
10.3.3 算法实现 229
10.3.4 MAC的主要特征和优点 230
10.4 广义预测控制算法 231
10.4.1 广义预测控制基本理论 231
10.4.2 基于Toeplitz预测方程的广义预测控制算法 238
本章小结 242
习题 242
第11章 先进控制 243
11.1 自适应控制 243
11.1.1 自适应控制概述 243
11.1.2 模型参考自适应控制 243
11.1.3 自校正控制 247
11.2 智能控制 255
11.2.1 智能控制基础 255
11.2.2 智能控制的理论结构 255
11.2.3 递阶控制 256
11.2.4 基于知识的专家控制 259
11.2.5 仿人智能控制 261
11.2.6 神经控制 263
11.3 鲁棒控制 268
11.3.1 基本概念 268
11.3.2 H∞优化与鲁棒控制 269
11.3.3 标准H∞控制 270
11.3.4 H∞控制的求解 271
本章小结 276
习题 276
第12章 集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS) 277
12.1 DCS概述 277
12.1.1 DCS的产生过程 277
12.1.2 DCS的发展历程 279
12.1.3 DCS的特点 280
12.1.4 DCS的体系结构 282
12.2 集散系统的通信技术及体系结构 284
12.2.1 数据通信原理 284
12.2.2 数据通信系统结构 291
12.2.3 通信协议 294
12.3 和利时MACS系统 299
12.3.1 MACS组态原理 299
12.3.2 应用系统组态 307
12.4 国产集散系统――HS2000 310
12.4.1 HS2000系统的基本特点 310
12.4.2 HS2000系统的基本组成 310
12.4.3 HS2000系统的硬件配置 312
12.4.4 HS2000系统的现场控制站配置 313
12.4.5 HS2000系统的软件组态 315
12.5 HS2000 DCS工程建立步骤 318
12.5.1 工程分析 318
12.5.2 工程建立 318
12.5.3 定义设备组态工具 320
12.6 和利时MACS集散系统在工业锅炉中的应用 322
12.6.1 概述 322
12.6.2 硬件配置 323
12.6.3 控制系统简介 323
12.6.4 DCS控制系统软件设计 325
12.6.5 系统组成 325
12.6.6 系统调试 328
12.6.7 结语 328
12.7 大型集散控制系统――TDC3000 328
12.7.1 TDC3000系统的结构特性 328
12.7.2 TDC3000系统的数据采集和控制 330
12.7.3 TDC3000系统的软件组态 338
12.8 现场总线控制系统 343
12.8.1 现场总线和FCS的产生 343
12.8.2 FCS的体系结构 348
本章小结 350
习题 350
第13章 过程控制MATLAB仿真 353
13.1 基于MATLAB的系统建模 353
13.1.1 典型工业过程的阶跃响应仿真 353
13.1.2 一阶系统作图法建模及仿真 359
13.1.3 一阶系统两点法建模及仿真 361
13.1.4 二阶系统两点法建模及仿真 362
13.2 基于MATLAB的PID控制仿真 364
13.2.1 P、I、D及其组合控制的仿真 364
13.2.2 抗积分饱和控制方法及仿真 367
13.2.3 改进的微分控制方法及仿真 370
13.3 基于MATLAB的串级控制仿真 373
13.4 基于MATLAB的补偿控制仿真 376
13.4.1 前馈控制仿真 376
13.4.2 Smith预估补偿控制仿真 378
13.4.3 多变量系统的前馈补偿解耦 380
13.5 基于MATLAB的模糊控制仿真 382
13.6 基于MATLAB的预测控制仿真 385
13.6.1 动态矩阵控制(DMC)仿真 385
13.6.2 广义预测控制(GPC)仿真 386
本章小结 390
习题 391
参考文献