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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Kp347

6.3.2 静态速度误差常数Kv348

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