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第1章 受控过程与调节策略概述1

1.1小偏差调节状态与静态前馈指令1

1.2串级调节策略和控制作用3

1.3迟延环节与预估控制方法6

1.4采用观测数据的直接预测控制方法8

1.5自适应、自学习控制策略及其应用9

1.5.1管道输油工艺的介绍9

1.5.2原油升压控制系统10

1.5.3原油升温控制系统11

1.5.4出站油温T0、压力P0的优化确定及环境适应控制策略12

1.5.5管道使用直径D的变化及经济运行管理13

1.5.6燃烧控制及送风—引风控制系统14

1.6附录：流量—液位调节系统的模型分析16

第2章 闭环调节系统的基本概念19

2.1闭环反馈系统中的现象19

2.2物理环节的分类和动态增益、相移计算22

2.2.1零—极点描述与增益、相位关系23

2.2.2分类的动态增益、相移的计算24

2.3单回路调节器的工作参数计算28

2.3.1比例调节器情况28

2.3.2积分调节器情况29

2.3.3比例—积分调节器情况30

第3章 调节系统的控制性能判据32

3.1误差的平方积分准则32

3.2固定增益的误差积分准则36

3.3误差的平方积分的递推公式38

3.3.1基本关系38

3.3.2系统阶数1≤k≤5的Ik的计算公式39

3.3.3公式的降阶验证44

第4章 串级调节系统的基本特性46

4.1内环路受控过程46

4.2典型的外环路系统受控过程47

4.2.1外环路工艺对象的分类47

4.2.2给水—水位控制系统的描述48

4.3串级系统的基本特性50

4.4串级系统的内、外环路的隔离度60

4.4.1内—外环路的耦合及隔离概念60

4.4.2给水串级系统的分析61

4.4.3一般串级系统内、外回路的隔离度62

4.5评述63

4.6控制执行装置的模型描述64

4.6.1执行器装置的特性分析64

4.6.2线性系统的零点、极点描述和频率响应70

第5章 能控性与控制周期74

5.1控制周期（T0）定义74

5.2控制周期是不可控环节75

5.3典型工业过程的实例分析76

5.3.1旋转机械系统的控制周期分析76

5.3.2给水系统的控制周期分析78

5.4模拟系统的信号延时与控制周期79

5.4.1模拟系统的信号延时79

5.4.2模拟调节器和信号延时估算81

第6章 调节系统的优化设计方法82

6.1串级调节系统的内环路设计82

6.2控制周期T0对内环路调节性能的影响85

6.2.1T0＝200ms情况86

6.2.2T0＝500ms情况87

6.3外环路调节系统的设计88

6.3.1外环路调节系统的设计方法88

6.3.2锅炉给水—水位系统的设计89

6.3.3T0＝0情况91

6.3.4T0＝200ms情况93

6.3.5 T0＝500ms情况93

6.4闭环工作周期与内、外环路系统的隔离度95

6.5抗负荷扰动的调节策略设计96

6.6调节系统优化设计的一般认识98

第7章 快速受控过程的调节系统设计100

7.1汽轮机受控过程与控制系统的结构100

7.2转速测量的技术要求与实现方法102

7.2.1转速测量的技术要求102

7.2.2测量方法分析102

7.3内环路控制系统的设计与选择104

7.3.1内环路受控过程模型104

7.3.2内环路的工作参数与性能104

7.4外环路调节系统的设计109

7.4.1外环路采用模拟控制装置情况110

7.4.2外环路采用数字控制装置情况111

7.5评述114

第8章 大时间常数受控过程的调节控制与优化设计115

8.1迟延时间过程与串级调节策略115

8.1.1迟延过程控制系统的描述115

8.1.2常规调节策略的系统特性116

8.2惯性时间过程与串级调节策略118

8.2.1惯性过程的比例调节119

8.2.2惯性过程的积分调节119

8.2.3惯性过程的比例—积分调节121

8.3惯性过程的单回路调节122

8.4大时间常数过程控制系统的一般特性124

8.5迟延过程的预估控制思想125

8.5.1 Smith预估控制125

8.5.2预估器Gs（s）的插入方式126

8.6模型精确的预估控制性能128

8.6.1外环路系统的工作周期128

8.6.2精确模型下的Smith预估控制性能128

8.7预估模型的参数误差影响131

8.8采用模型预测的控制方法135

8.9采用观测值的直接预测控制137

8.9.1预估技术与预测控制方法137

8.9.2测量数据的曲线拟合和变量预测138

8.9.3预测控制的实现140

8.9.4算法实现及仿真141

8.10附注：函数逼近与曲线拟合143

8.10.1正交函数空间及其基本性质144

8.10.2内积和Hilbert空间概念145

8.10.3最小二乘曲线拟合的算法148

第9章 工程中的多变量控制系统150

9.1线性化与状态空间模型150

9.2工程中的多变量调节策略152

9.2.1静态工作点与偏差153

9.2.2偏差分类与校正策略153

9.3多变量调节控制系统的结构156

9.3.1多变量调节策略与控制系统结构156

9.3.2常规调节控制系统的传递函数157

9.4优化控制与串级调节策略158

9.4.1稳态偏差的发生与自适应控制策略158

9.4.2闭环自适应控制策略160

9.4.3设备的工作效率与运行管理161

9.5小偏差调节与“无静差”控制的充要条件162

9.6评述163

第10章 工程中多变量控制系统的结构设计164

10.1工程中的多变量控制系统结构与设计工作164

10.2坐标系选择与相似变换165

10.3相似变换的不变性与不变量170

10.3.1相似变换及相似等价类170

10.3.2相似变换下的传递函数170

10.3.3相似变换下的特征多项式171

10.3.4能控性、能观性172

10.3.5 A矩阵的元素位置和意义173

10.4特征向量及系统矩阵的标准型174

10.4.1特征向量与对角矩阵系统174

10.4.2矩阵的Jordan标准型175

10.4.3结构说明176

10.5矩阵化Jordan型的变换算法177

10.5.1从实例分析变换过程177

10.5.2情况1：单特征根，q0＝1系统的J型变换180

10.5.3情况2：单特征根，q0﹥1系统的J型变换181

10.5.4情况3：一般系统的J型变换183

10.6多变量控制系统的结构设计186

10.6.1系统矩阵的结构分类186

10.6.2 Ja型矩阵的控制系统经济结构187

10.6.3 Jb型矩阵的控制系统经济结构188

10.6.4 Jc型矩阵的控制系统经济结构189

10.7完全可控系统的控制变量数190

10.7.1情况1：互异特征根λi，且qi＝1191

10.7.2情况2：单特征根λ0，且q0﹥1192

10.7.3情况3：输出可控、可观系统的控制变量数193

10.8工程中多变量控制系统的结构分析196

10.8.1发电机组控制系统的结构196

10.8.2子系统结构分析197

10.9评述202

第11章 确定性概念与控制系统的实现技术204

11.1确定性概念与控制精度205

11.1.1控制周期的时间稳定性与运算精度205

11.1.2微分算法精度与Ts的稳定性206

11.1.3积分算法精度与Ts的稳定性207

11.1.4变化率算法与Ts的稳定性207

11.1.5一阶惯性算法与Ts的稳定性208

11.1.6控制任务的调度方式与无逆序程序209

11.2信号测量与滤波技术210

11.2.1Γ形滤波器的幅频、相移特性210

11.2.2双Γ形及π形滤波器的幅频—相移特性211

11.2.3单频滤波器的幅频、相移特性213

11.3抗共模干扰技术214

11.3.1运算放大器的共模增益、共模抑制比214

11.3.2放大组件的共模扰动抑制原理215

11.3.3闭环放大系统的共模抑制比217

11.4信号的故障诊断和冗余切换技术219

11.4.1输入信号的常用冗余方式219

11.4.2输入信号的故障诊断220

11.4.3双冗余信号的故障切换程序222

11.4.4三冗余信号的故障切换程序225

11.5模拟输出通道及执行器的故障诊断226

11.5.1诊断中的子程序226

11.5.2故障诊断逻辑及程序227

11.5.3故障后的安全保护及初始化228

11.6变增益调节器的设计与应用229

11.7对称的受控过程与平衡调节方法231

11.7.1程序功能与应用背景231

11.7.2两侧固有不平衡的校正232

11.7.3单侧手动方式下的补偿233

11.7.4调节器反馈跟踪信号分析233

11.7.5单侧故障时的动态补偿和变增益调节功能234

11.8控制器的故障诊断与冗余切换技术234

11.8.1控制器冗余方式及故障概率235

11.8.2控制器的无扰动切换技术要求236

11.8.3控制器系统的结构及故障诊断、切换237

11.8.4切换功能和故障判别准则239

11.8.5逻辑功能及程序实现240

第12章 数学证明及线性系统的基本理论244

12.1误差平方的积分公式证明244

12.1.1降阶系统和稳定性条件244

12.1.2稳定性条件及证明245

12.1.3递推公式及证明249

12.1.4证明中的细节补充253

12.2矩阵的秩及几何意义255

12.2.1矩阵的秩255

12.2.2矩阵的初等变换与秩的确定258

12.3状态变量的微分方程与系统的状态转移矩阵259

12.3.1状态向量和微分方程259

12.3.2微分方程的解和转移矩阵261

12.3.3状态转移矩阵263

12.3.4状态转移矩阵的求解265

12.3.5特征向量与系统结构268

12.3.6复特征值及状态演化表示272

12.3.7重特征根与系统结构274

参考文献280