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| 編輯推薦： |
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本书是一本控制理论与控制工程领域的书籍，其内容是作者多年来的独立研究成果。本书介绍了一种基于预期动态方程的PID控制器整定方法，旨在改良PID控制器动态性能和解决参数整定问题。该方法以预期动态响应为基准进行PID控制器参数整定，显著提升了控制系统动态性能，并简化了控制器整定流程。书中详细论述了预期动态整定方法的原理和操作流程，给出了许多标准动态仿真算例，并通过小型实验和大型工业试验验证了其有效性。此外，书中还介绍了针对单变量、多变量和分数阶系统的PID参数整定，并提出了预期动态和模型预测的复合控制方法。
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| 內容簡介： |
本书源自作者多年来在控制理论与控制工程领域的独立研究成果。本书介绍了一种基于预期动态方程的PID控制器整定方法，旨在改良PID控制器动态性能和解决参数整定问题。该方法以预期动态响应为基准进行PID控制器参数整定，显著提升了控制系统动态性能，并简化了控制器整定流程。书中详细论述了预期动态整定方法的原理和操作流程，给出了许多标准动态仿真算例，并通过小型实验和大型工业试验验证了其有效性。此外，书中还介绍了针对单变量、多变量和分数阶系统的PID参数整定，并提出了预期动态和模型预测的复合控制方法。
本书对于从事PID控制器设计和整定的研究人员和工程师具有重要的理论意义和实用价值，特别适用于大型工业系统控制的应用场景。
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| 目錄：
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第1章绪论1
1.1热力系统控制研究现状2
1.2PID控制器的整定问题4
1.2.1基于PM的PID控制器整定方法4
1.2.2无PM的PID控制器整定方法5
1.2.3复合PID控制器整定方法6
1.2.4小结7
1.3蒙德福瑞控制思想7
1.4预期动态PID控制9
1.4.1基本原理9
1.4.2研究现状12
1.5本书主要内容结构14
参考文献15
第2章单变量控制系统参数整定24
2.1引言25
2.2问题描述25
2.3参数稳定域27
2.3.1开环D分割法27
2.3.2DDEPI的参数稳定域计算原理28
2.3.3DDEPID的参数稳定域计算原理30
2.3.4参数稳定域计算仿真算例32
2.4性能鲁棒性评价33
2.5参数整定步骤33
2.6仿真研究34
2.6.1典型过程控制对象34
2.6.2线性传热系统温度控制37
2.6.3循环流化床锅炉的床温控制39
2.7本章小结42
参考文献42〖1〗〖1〗〖2〗预期动态的PID控制〖1〗目录〖2〗第3章多变量控制系统参数整定44
3.1引言45
3.2问题描述45
3.3控制器设计方法47
3.3.1预期特性方程选取47
3.3.2分散DDEPID控制器参数整定步骤49
3.4典型多变量系统仿真研究49
3.4.12×2模型50
3.4.23×3模型53
3.4.34×4模型55
3.4.410×10模型57
3.5ALSTOM气化炉分散控制系统参数整定64
3.5.1问题描述65
3.5.2基于ALSTOM气化炉线性模型的分散控制67
3.5.3基于ALSTOM气化炉非线性模型的分散控制79
3.6四水箱液位分散控制系统参数整定87
3.6.1K.H.Johansson标准水箱液位控制问题描述87
3.6.2K.H.Johansson水箱的分散控制89
3.7双容水箱液位控制系统设计及实验92
3.7.1Feedback双容水箱实验装置介绍93
3.7.2双容水箱液位控制实验94
3.8本章小结97
参考文献98
第4章分数阶控制系统参数整定101
4.1引言102
4.2分数阶微分方程与分数阶系统102
4.2.1分数阶微积分定义102
4.2.2分数阶微分方程及分数阶系统描述103
4.3分数阶控制系统103
4.4仿真研究104
4.4.1典型分数阶系统104
4.4.2完全相同的DDEPID控制10个不同的分数阶模型108
4.4.3分数阶永磁同步电机模型113
4.5本章小结115
参考文献115
第5章基于过程响应的预期动态选择研究117
5.1引言118
5.2问题描述118
5.3参数变化对控制效果的影响119
5.4基于过程响应的预期动态选择122
5.4.1参数初始化122
5.4.2精确跟踪预期动态响应的判定条件124
5.4.3预期动态选择125
5.5仿真研究129
5.5.1预期动态的极限129
5.5.2控制效果对比133
5.6实验台验证140
5.6.1控制效果对比140
5.6.2实验结果140
5.7现场应用验证146
5.7.1过程描述146
5.7.2试验结果147
5.8本章小结153
参考文献153
第6章基于前馈补偿的预期动态控制设计与研究155
6.1引言156
6.2问题描述157
6.3基于前馈补偿的预期动态控制160
6.4参数整定161
6.5仿真研究162
6.5.1跟踪与抗扰分离调试162
6.5.2控制效果对比165
6.6实验台验证171
6.6.1水箱水位控制171
6.6.2燃气轮机转速控制173
6.7现场应用验证176
6.8本章小结178
参考文献178
第7章基于预期动态的模型预测复合控制设计与研究181
7.1引言182
7.2问题描述182
7.3基于预期动态的模型预测复合控制184
7.3.1设计思路184
7.3.2设计原理185
7.4参数整定186
7.5仿真研究187
7.5.1传递函数模型188
7.5.2FBC机组非线性模型191
7.6现场应用验证201
7.6.1过程描述201
7.6.2过程描述202
7.7本章小结207
参考文献207
第8章高阶无自衡系统的预期动态控制设计与研究209
8.1引言210
8.2问题描述210
8.3广义预期动态PID控制设计211
8.3.1基本原理211
8.3.2广义微分器的定义与性质212
8.4参数稳定域分析215
8.5参数整定217
8.6仿真研究218
8.6.1高阶纯积分系统218
8.6.2高阶RHP极点系统221
8.6.3四质量弹簧动力系统225
8.7实验台验证230
8.7.1实验装置与过程描述230
8.7.2实验结果231
8.8本章小结232
参考文献232
第9章总结与展望234
9.1内容总结235
9.2需进一步开展的工作236附录A预期动态法与概率鲁棒法的PID整定对比237
A.1鲁棒设计PID概述238
A.2PR方法研究进展238
A.3单变量系统仿真对比研究239
A.3.1单变量系统的PRPID设计方法240
A.3.2仿真结果241
A.4多变量系统仿真对比研究244
A.4.1多变量系统的PRPID设计方法244
A.4.2仿真结果245
A.5小结249
参考文献250
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| 內容試閱：
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20多年前，控制理论专家吴麒先生思考控制科学与工程实践，总结学术前辈的观点后指出: “控制科学是一门技术科学，设计性能优良的控制系统，从来都是控制科学的核心内容和终极归宿。世世代代的科学家和工程师们创建的博大精深的控制理论体系，最终都要落实到优良的控制系统设计方法上。”
然而，令人困惑不解的是，工业上普遍使用的PID控制器在很多场合并未整定出应有的动态性能。PID控制器固然存在局限，这是研究自抗扰控制及其他控制方法的动机，在此不展开论述。探究PID控制器的性能极限，并设计一种简便快捷的整定方法以逼近这个极限，则是写作本书的动机。
比例积分微分（Proportional Integral Derivative， PID）控制器在工业自动化中一直占据主导地位。目前，针对不同条件下的PID整定方法至少有几十种，PID整定公式至少有1000个。这一方面说明了PID在工业控制中的重要性，另一方面也给控制工程师带来了方法选择上的困难。这些整定方法在思路上都未脱离PID结构的直观意义，即比例、积分和微分三种作用的组合。然而在绝大多数情况下，比例系数、积分系数和微分系数与实际系统并无简单的物理意义关联。这不仅使参数整定变得烦琐，也无法充分发挥PID的性能极限。
通过多年以来对控制理论和工业过程的研究，作者从预期动态的角度给出PID整定问题的全新阐述，也给出了PID整定的新方法。这个方法不再局限于比例系数、积分系数和微分系数的整定，而是整定与物理系统动态性能直接相关的参数（例如预期的调节时间、预期的系统带宽等）。如此不仅使整定过程变得有据可依，直观形象，还可以将PID的性能发挥到极致。由于这个方法在整定过程中最大的特点是基于一个预期动态方程（Desired Dynamic Equation， DDE），因此其设计出的PID控制器称为基于预期动态方程的PID（Desired Dynamic Equation Proportional Integral Derivative， DDEPID），此PID控制器的工程整定方法称为DDE法。
本书第一作者从1997年开始指导研究生进行相关内容研究，包括基本原理阐述、理论分析、工业基准算例仿真、实验验证和工业试验。王维杰提出DDEPID方法的基本原理，并在大量不同类型的工业基准问题中进行了仿真检验。张敏针对非最小相位系统和不稳定系统核实了整定方法，并在大量不同类型的工业基准算例仿真中检验了控制性能。胡轶超提出了基于开环阶跃响应曲线整定控制器参数，并在黎开管实验系统中进行了验证。李明大针对分数阶系统进行DDEPID参数整定研究。史耕金针对大型火电机组的不同控制回路进行了DDEPID参数整定的改进，并在现场进行了试验。
然而，对于PID的设计和参数整定，本书的工作仅仅奠定了一个研究方向的基础。这项研究在理论上有着特别的意义，在工程实践中也具有重要的实用价值。然而，还有很多工作需要继续进行，可能已超出了我们当前研究的范围。作者真诚地希望有志于此的同行继续开展相关研究，为控制科学的进步服务。这也是本书作者撰写本书的目的所在。
本书主要针对大型复杂热力系统，介绍一种简单实用、效果良好的PID控制器整定方法——DDE法。通过数值仿真模拟、小型实验台实验以及大型火电机组的现场试验，本书展现了DDEPID在大型热力系统上良好的应用前景，为工程师提供一种简便的PID控制器参数整定方法。本书主要内容如下。
〖1〗〖1〗〖2〗预期动态的PID控制〖1〗前言〖2〗第1章详细阐述热力系统控制研究的时代背景和研究现状，总结了PID整定的研究进展，并基于蒙德福瑞（Modelfree）的控制思想，提出DDEPID控制器整定方法。
第2章针对单变量控制系统进行DDEPID参数整定研究，分析参数稳定域与鲁棒性，通过数值计算在典型热力系统过程模型上进行仿真验证。
第3章针对多变量控制系统进行分散式DDEPID参数整定研究，分析多变量系统的控制器设计与预期动态选取方法，在典型的2×2、3×3、4×4、10×10多变量系统传递函数、ALSTOM气化炉模型、四容水箱模型上进行仿真验证，在双容水箱实验台上进行验证。
第4章针对分数阶控制系统进行DDEPID参数整定研究，在典型分数阶系统与分布参数系统上进行仿真验证，旨在解决分数阶系统与分布参数系统的控制问题。
第5章不基于标称模型，仅利用过程响应曲线中动态时间、飞升时间、增益等信息，提出一种DDEPID控制器的预期动态特性选择方法。该方法能够使得控制器在受到执行器约束时，在保证闭环系统输出跟踪预期响应曲线的前提下获得最快的响应速度，并在动态仿真、实验台及燃煤机组上进行验证。
第6章利用DDEPID的预期动态特性，提出一种基于前馈补偿的预期动态控制方法。该方法能够不基于被控过程精确数学模型，完全分离跟踪性能与抗扰性能的调试，并在动态仿真、实验台及燃煤机组上进行验证。
第7章在被控对象数学模型难以建立的情况下，为使得模型预测控制应用于热力系统中，提出一种基于预期动态的模型预测复合控制方法。该方法既能够利用基础控制层中的预期动态特性，为优化控制层中模型预测控制提供设计模型，并在动态仿真、实验台及燃煤机组上进行验证。
第8章针对一类高阶无自衡系统提出一种广义控制器的预期动态设计方法。该方法不仅能够保证高阶无自衡系统的闭环稳定性和平稳快速的响应，而且整定快捷，结构简单，适用于工程应用，并在动态仿真与实验台上进行验证。
第9章对全书的工作进行总结，并对需要进一步开展的工作进行展望。
本书第一作者深受导师吴麒先生治学观念的影响，在博士毕业后从多变量频率域控制理论领域进入电力系统和能源动力系统领域，以控制工程需求为驱动开始研究控制系统设计方法。1996年在参与大型火电机组仿真机研发过程中，向姜学智老师学习了PID控制器整定，由此激发了研究PID控制器的兴趣。1997年研读韩京清先生的自抗扰控制讲稿后，逐渐醒悟到应当从预期特性角度重新审视PID控制器整定。在漫长的PID控制器整定研究过程中，本书第一作者与李春文老师、高志强老师、郭宝珠老师、陈阳泉老师、罗贵明老师、谭文老师、张维存老师、老大中老师、王培红老师、王京老师进行了不计其数的交流和请教，从他们的见识中受益匪浅，特此致谢。
李东海
2024年5月于清华园
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