控制工程研究方法

本书较全面地介绍控制工程应用中自动控制系统的理论、方法和技术，以及工业控制系统的实现方法与技术。全书共八章，内容包括传感器与检测技术、系统建模技术、智能计算与信息处理技术、单回路控制方法、先进控制技术、控制工程技术、计算机控制系统和机器人技术与应用。本书采用理论结合例题、应用实例的方式进行讲解，内容翔实丰富，突出理论、技术和应用的有机结合，并吸收了国内外控制工程技术的最新研究成果。 本书可作为自动化类专业本科生及相关专业研究生的教材或参考书，也可供相关科研技术人员参考。

第1章 传感器与检测技术 1 1.1 概述 1 1.1.1 自动检测技术 1 1.1.2 传感器 2 1.1.3 测量误差 4 1.2 电阻应变式传感器 7 1.2.1 电阻应变片的工作原理 8 1.2.2 电阻应变片的主要性能 10 1.2.3 电阻应变片的测量电路 13 1.2.4 电阻应变式传感器的应用 15 1.3 电容式传感器 25 1.3.1 电容式传感器的工作原理 25 1.3.2 电容式传感器的主要性能 28 1.3.3 电容式传感器的设计要点 29 1.3.4 电容式传感器的测量电路 31 1.3.5 电容式传感器的应用 34 参考文献 41 第2章 系统建模技术 42 2.1 机理建模技术 43 2.1.1 物料平衡建模 43 2.1.2 能量平衡建模 45 2.1.3 动量平衡建模 46 2.2 系统辨识技术 46 2.2.1 模型的结构 47 2.2.2 模型参数估计方法 50 2.3 智能建模技术 54 2.3.1 神经网络建模 54 2.3.2 模糊逻辑建模 55 2.3.3 专家经验建模 56 2.4 混合建模技术 57 2.4.1 混合建模的基本结构 58 2.4.2 混合建模的形式化描述 60 2.4.3 混合建模的实现 61 2.5 软测量建模技术 62 2.5.1 软测量的模型分类 63 2.5.2 软测量系统的工程设计 64 参考文献 67 第3章 智能计算与信息处理技术 69 3.1 概述 69 3.2 人工神经网络 69 3.2.1 基本概念与模型 69 3.2.2 人工神经网络模型 72 3.2.3 感知机模型 74 3.2.4 BP神经网络 77 3.2.5 循环神经网络 79 3.3 群智能算法 81 3.3.1 蚁群算法 81 3.3.2 粒子群优化算法 86 3.4 云计算与大数据 89 3.4.1 云计算 89 3.4.2 大数据 89 参考文献 93 第4章 单回路控制方法 95 4.1 传统PID控制方法 95 4.1.1 位置式PID控制算法 96 4.1.2 增量式PID控制算法 96 4.1.3 不完全微分PID控制算法 97 4.1.4 带滤波器的PID控制算法 98 4.1.5 抗积分饱和的PID控制算法 99 4.1.6 积分分离的PID控制算法 100 4.1.7 变速积分PID控制算法 100 4.2 PID控制器的参数整定 101 4.2.1 理论计算法 102 4.2.2 工程整定法 103 4.2.3 PID控制器的自整定 106 4.3 新型PID控制方法 107 4.3.1 模糊PID控制 107 4.3.2 专家PID控制 110 4.3.3 单神经元PID控制 110 4.4 自抗扰控制器 111 4.4.1 非线性PID控制器 111 4.4.2 跟踪微分器 113 4.4.3 扩张状态观测器 114 4.4.4 自抗扰控制器及其应用 116 参考文献 117 第5章 先进控制技术 118 5.1 模型预测控制 119 5.1.1 预测控制的基本原理与特点 119 5.1.2 预测控制的预测模型 122 5.1.3 动态矩阵控制 125 5.1.4 模型算法控制 128 5.1.5 广义预测控制 131 5.1.6 预测函数控制 134 5.2 自适应控制系统 136 5.2.1 自校正控制系统 137 5.2.2 模型参考自适应控制系统 140 5.2.3 无模型自适应控制 141 5.2.4 其他自适应控制系统 141 5.3 最优控制 142 5.4 解耦控制 143 5.4.1 相对增益与控制回路选择 144 5.4.2 减少和消除耦合的途径 146 参考文献 149 第6章 控制工程技术 150 6.1 过程优化技术 150 6.1.1 最优化问题的模型 151 6.1.2 优化技术的分类 152 6.1.3 优化问题的类型 153 6.1.4 智能化全局优化算法 153 6.2 故障诊断与故障预测技术 158 6.2.1 控制系统故障分类 159 6.2.2 故障诊断技术常用方法 159 6.2.3 故障预测技术 164 6.3 控制系统性能评估技术 165 6.3.1 控制器性能评估与监控流程 166 6.3.2 控制器性能评估方法与技术 168 6.3.3 先进控制系统经济性能评估 169 6.4 安全性技术 170 6.4.1 功能安全 171 6.4.2 安全性控制 171 6.4.3 安全控制系统 173 6.4.4 安全报警系统 176 6.4.5 安全评价 179 6.4.6 控制系统网络安全技术 180 参考文献 183 第7章 计算机控制系统 184 7.1 直接数字控制 184 7.1.1 DDC系统的硬件结构 185 7.1.2 DDC系统的软件 187 7.1.3 DDC系统的设计 190 7.2 集散控制系统 192 7.2.1 DCS控制站 193 7.2.2 DCS操作员站 196 7.2.3 DCS工程师站 200 7.2.4 DCS系统应用 200 7.3 现场总线控制系统 202 7.3.1 FCS体系结构 203 7.3.2 常见FCS的现场总线 204 7.4 嵌入式系统 207 7.4.1 嵌入式系统硬件结构 207 7.4.2 嵌入式操作系统 210 7.4.3 中间件与应用软件 211 7.4.4 嵌入式系统开发 213 参考文献 213 第8章 机器人技术与应用 215 8.1 概述 215 8.1.1 机器人的分类 215 8.1.2 机器人关键技术 217 8.2 机器人模型 218 8.2.1 机器人正向运动学模型 218 8.2.2 雅可比矩阵的确定 220 8.2.3 机器人逆向运动学方程 220 8.2.4 机器人动力学模型 221 8.3 机器人运动规划 221 8.4 机器人运动控制 222 8.4.1 运动控制任务 223 8.4.2 PID控制 224 8.4.3 计算力矩控制 224 8.4.4 自适应控制 227 8.5 机器人视觉控制 227 8.5.1 视觉标定 227 8.5.2 视觉检测 230 8.5.3 视觉跟踪 231 8.6 工业机器人 233 8.6.1 工业机器人的特点 233 8.6.2 工业机器人主要应用场景 234 8.6.3 工业机器人的典型机构 235 8.6.4 工业机器人的编程 236 8.7 移动机器人 237 8.7.1 轮式机器人 237 8.7.2 履带式机器人 239 8.7.3 腿足式机器人 241 参考文献 245