過程控制及其MATLAB實現(xiàn)(第2版)
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叢 書 名:電氣工程、自動化專業(yè)規(guī)劃教材
本書為國家精品課程“過程控制與集散系統(tǒng)”配套教材。本書系統(tǒng)地介紹了有關過程控制的理論與技術。全書共分13章,內容包括概述、過程控制系統(tǒng)建模方法、過程控制系統(tǒng)設計、PID調節(jié)原理、串級控制、特殊控制方法、補償控制、關聯(lián)分析與解耦控制、模糊控制、預測控制、先進控制和集散控制系統(tǒng)。 本書從基本概念出發(fā),深入淺出地闡述了過程控制系統(tǒng)的本質與特點,同時配合大量的應用實例,力圖使學生掌握過程控制系統(tǒng)分析、設計和優(yōu)化的基本原理和方法。
方康玲,武漢科技大學信息工程學院教授,主要研究領域為自動化,國家精品課程“過程控制‘主要負責人,主持編寫《過程控制》、《模糊控制系統(tǒng)》等多本教材。
目 錄第1章 概述1.1 過程控制的任務1.2 過程控制系統(tǒng)的組成與特點1.2.1 過程控制系統(tǒng)組成1.2.2 過程控制系統(tǒng)特點1.3 過程控制系統(tǒng)的性能指標1.4 過程控制的進展1.4.1 過程控制裝置進展1.4.2 過程控制策略與算法的進展本章小結習題第2章 過程控制系統(tǒng)建模方法2.1 過程控制系統(tǒng)建模概念2.1.1 建模概念2.1.2 過程控制系統(tǒng)建模的兩種基本方法2.2 機理建模方法2.2.1 單容對象的傳遞函數(shù)2.2.2 具有純延遲的單容對象特性2.2.3 無自平衡能力的單容對象特性2.2.4 多容對象的動態(tài)特性2.3 測試建模方法2.3.1 對象特性的實驗測定方法2.3.2 測定動態(tài)特性的時域法2.3.3 測定動態(tài)特性的頻域法2.3.4 測定動態(tài)特性的統(tǒng)計相關法2.3.5 最小二乘法本章小結習題第3章 過程控制系統(tǒng)設計3.1 過程控制系統(tǒng)設計步驟3.2 確定控制變量與控制方案3.2.1 確定控制目標3.2.2 確定控制方案3.3 過程控制系統(tǒng)硬件選擇3.3.1 控制裝置3.3.2 測量儀表和傳感器的選型原則3.4 節(jié)流元件計算3.4.1 流量計算有關的基本概念3.4.2 流量計類型3.4.3 節(jié)流元件3.5 調節(jié)閥選擇3.5.1 調節(jié)閥計算基礎3.5.2 調節(jié)閥的流量特性3.5.3 調節(jié)閥口徑計算3.6 計算舉例3.6.1 角接取壓標準孔板計算3.6.2 蝶閥計算本章小結習題第4章 PID調節(jié)原理4.1 PID控制概述4.2 比例調節(jié)(P調節(jié))4.2.1 比例調節(jié)的動作規(guī)律和比例帶4.2.2 比例調節(jié)的特點——有差調節(jié)4.2.3 比例帶對于調節(jié)過程的影響4.3 積分調節(jié)(I調節(jié))4.3.1 積分調節(jié)規(guī)律和積分速度4.3.2 積分調節(jié)的特點——無差調節(jié)4.3.3 積分速度對于調節(jié)過程的影響4.4 微分調節(jié)(D調節(jié))4.5 比例積分微分調節(jié)(PID調節(jié))4.5.1 比例積分(PI)調節(jié)4.5.2 比例微分(PD)調節(jié)4.5.3 比例積分微分調節(jié)規(guī)律及其基本特征4.6 數(shù)字PID控制4.6.1 數(shù)字PID控制算法4.6.2 改進的數(shù)字PID算法4.7 PID調節(jié)器的參數(shù)工程整定4.7.1 PID參數(shù)整定的基本原則4.7.2 PID參數(shù)的工程整定方法4.7.3 PID參數(shù)的自整定方法4.7.4 數(shù)字PID參數(shù)的整定4.8 智能PID控制方法4.8.1 模糊PID控制4.8.2 神經網絡PID控制4.8.3 專家智能自整定PID控制本章小結習題第5章 串 級 控 制5.1 串級控制系統(tǒng)的基本原理5.1.1 串級控制系統(tǒng)的基本概念5.1.2 串級控制系統(tǒng)的組成5.1.3 串級控制系統(tǒng)的工作過程5.2 串級控制系統(tǒng)的特點5.3 串級控制系統(tǒng)的設計5.3.1 主、副回路的設計方法5.3.2 主、副控制器正、反作用方式的確定5.3.3 防止控制器積分飽和的措施5.4 串級控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定5.5 串級控制系統(tǒng)的應用實例本章小結習題第6章 特殊控制方法6.1 比值控制系統(tǒng)6.1.1 比值控制系統(tǒng)的基本概念6.1.2 比值控制系統(tǒng)的分析6.1.3 比值控制系統(tǒng)設計6.1.4 比值控制系統(tǒng)的實施6.1.5 比值控制系統(tǒng)的整定6.1.6 比值控制系統(tǒng)中的若干問題6.2 均勻控制系統(tǒng)6.2.1 均勻控制的概念6.2.2 均勻控制系統(tǒng)的結構形式6.2.3 控制器的參數(shù)整定6.3 分程控制系統(tǒng)6.3.1 基本概念6.3.2 分程控制的應用6.3.3 分程閥總流量特性的改善6.4 選擇性控制系統(tǒng)6.4.1 基本概念6.4.2 選擇性控制系統(tǒng)的類型及應用6.4.3 選擇性控制系統(tǒng)的設計6.4.4 積分飽和及其防止措施6.5 閥位控制系統(tǒng)6.5.1 基本概念6.5.2 閥位控制系統(tǒng)的應用6.5.3 閥位控制系統(tǒng)的設計與整定本章小結習題第7章 補償控制7.1 補償控制的基本原理與結構7.2 前饋控制系統(tǒng)7.2.1 前饋控制系統(tǒng)的概念7.2.2 前饋控制系統(tǒng)的基本結構7.3 大遲延過程系統(tǒng)7.3.1 延遲對系統(tǒng)品質的影響7.3.2 Smith預估器7.3.3 大林(Dahlin)算法本章小結習題第8章 關聯(lián)分析與解耦控制8.1 控制回路間的關聯(lián)8.1.1 控制回路間的耦合8.1.2 被控對象的典型耦合結構8.1.3 耦合程度分析方法8.2 相對增益矩陣8.2.1 相對增益矩陣的定義8.2.2 相對增益的計算8.2.3 第二放大系數(shù)qij的直接計算法8.2.4 相對增益矩陣的特性8.3 減少及消除耦合的方法8.4 解耦控制系統(tǒng)設計8.4.1 前饋補償解耦法8.4.2 反饋解耦法8.4.3 對角陣解耦法8.4.4 單位陣解耦法本章小結習題第9章 模糊控制9.1 概述9.1.1 模糊的基本概念9.1.2 模糊控制系統(tǒng)9.2 模糊集合的基本概念9.2.1 模糊集合9.2.2 模糊集的基本運算9.3 模糊關系9.3.1 普通關系9.3.2 模糊關系9.3.3 模糊變換9.3.4 模糊決策9.4 模糊推理9.4.1 模糊邏輯9.4.2 模糊語言算子9.4.3 模糊推理9.5 模糊控制器原理及設計9.5.1 模糊控制系統(tǒng)的組成9.5.2 模糊控制原理9.5.3 模糊控制系統(tǒng)設計9.6 工業(yè)電阻爐溫度模糊控制系統(tǒng)9.6.1 系統(tǒng)簡介9.6.2 電阻爐溫度模糊控制器設計9.6.3 控制效果9.7 浮選過程模糊控制系統(tǒng)9.7.1 浮選工藝過程9.7.2 浮選過程模糊控制器設計9.7.3 控制效果本章小結習題第10章 預測控制10.1 模型預測控制的基本原理10.2 動態(tài)矩陣控制DMC10.2.1 預測模型10.2.2 滾動優(yōu)化10.2.3 反饋校正10.2.4 算法實現(xiàn)10.2.5 參數(shù)選擇10.2.6 DMC的主要特征和優(yōu)點10.3 模型算法控制MAC10.3.1 具有簡易性能指標的MAC算法10.3.2 具有一般性能指標的MAC算法10.3.3 算法實現(xiàn)10.3.4 MAC的主要特征和優(yōu)點10.4 廣義預測控制算法10.4.1 廣義預測控制基本理論10.4.2 基于Toeplitz預測方程的廣義預測控制算法本章小結習題第11章 先進控制11.1 自適應控制11.1.1 自適應控制概述11.1.2 模型參考自適應控制11.1.3 自校正控制11.2 智能控制11.2.1 智能控制基礎11.2.2 智能控制的理論結構11.2.3 遞階控制11.2.4 基于知識的專家控制11.2.5 仿人智能控制11.2.6 神經控制11.3 魯棒控制11.3.1 基本概念11.3.2 H∞優(yōu)化與魯棒控制11.3.3 標準H∞控制11.3.4 H∞控制的求解本章小結習題第12章 集散控制系統(tǒng)(DCS)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)12.1 DCS概述12.1.1 DCS的產生過程12.1.2 DCS的發(fā)展歷程12.1.3 DCS的特點12.1.4 DCS的體系結構12.2 集散系統(tǒng)的通信技術及體系結構12.2.1 數(shù)據通信原理12.2.2 數(shù)據通信系統(tǒng)結構12.2.3 通信協(xié)議12.3 和利時MACS系統(tǒng)12.3.1 MACS組態(tài)原理12.3.2 應用系統(tǒng)組態(tài)12.4 國產集散系統(tǒng)——HS200012.4.1 HS2000系統(tǒng)的基本特點12.4.2 HS2000系統(tǒng)的基本組成12.4.3 HS2000系統(tǒng)的硬件配置12.4.4 HS2000系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站配置12.4.5 HS2000系統(tǒng)的軟件組態(tài)12.5 HS2000 DCS工程建立步驟12.5.1 工程分析12.5.2 工程建立12.5.3 定義設備組態(tài)工具12.6 和利時MACS集散系統(tǒng)在工業(yè)鍋爐中的應用12.6.1 概述12.6.2 硬件配置12.6.3 控制系統(tǒng)簡介12.6.4 DCS控制系統(tǒng)軟件設計12.6.5 系統(tǒng)組成12.6.6 系統(tǒng)調試12.6.7 結語12.7 大型集散控制系統(tǒng)——TDC300012.7.1 TDC3000系統(tǒng)的結構特性12.7.2 TDC3000系統(tǒng)的數(shù)據采集和控制12.7.3 TDC3000系統(tǒng)的軟件組態(tài)12.8 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)12.8.1 現(xiàn)場總線和FCS的產生12.8.2 FCS的體系結構本章小結習題第13章 過程控制MATLAB仿真13.1 基于MATLAB的系統(tǒng)建模13.1.1 典型工業(yè)過程的階躍響應仿真13.1.2 一階系統(tǒng)作圖法建模及仿真13.1.3 一階系統(tǒng)兩點法建模及仿真13.1.4 二階系統(tǒng)兩點法建模及仿真13.2 基于MATLAB的PID控制仿真13.2.1 P、I、D及其組合控制的仿真13.2.2 抗積分飽和控制方法及仿真13.2.3 改進的微分控制方法及仿真13.3 基于MATLAB的串級控制仿真13.4 基于MATLAB的補償控制仿真13.4.1 前饋控制仿真13.4.2 Smith預估補償控制仿真13.4.3 多變量系統(tǒng)的前饋補償解耦13.5 基于MATLAB的模糊控制仿真13.6 基于MATLAB的預測控制仿真13.6.1 動態(tài)矩陣控制(DMC)仿真13.6.2 廣義預測控制(GPC)仿真本章小結習題參考文獻