第1章 绪论

1.1 引言

20世纪控制理论和控制技术取得了飞速发展，以Kalman、Pontryagin和Belman三位学者为代表的控制科学家提出的以状态空间、极大值原理和动态规划为核心的现代控制理论，在航空、航天和军事科学技术领域的应用取得了巨大的成功。但这一时期的现代控制理论和方法要求精确的数学模型和复杂的数值计算，在工业控制领域中难以推广应用。为此，许多控制科学家和工程师进行了不懈的努力，以Astrom、Goodwin、Zadeh、Rosenbrok、Morari、Zames和Doyle等为代表的控制领域的专家学者们提出了新的控制理论和技术。自适应控制、智能控制、预测控制、多变量解耦控制和鲁棒控制等先进控制（Advanced Process Control）方法已经在工业控制领域得到了成功应用。计算机硬件和软件技术的发展为先进控制技术的实现提供了强有力的硬件和软件平台。

近年来，随着高新技术的快速发展和应用，工业生产过程向着大型化、连续化和复杂化方向发展，为保证生产安全、稳定、优质和高效运行，人们对自动控制系统的要求越来越高，不仅要求控制有很高的精确性和很好的快速性，而且要求系统有很强的抗干扰能力。在反馈控制系统设计过程中，值跟随特性和干扰抑制特性是设计者关注的两个主要特性。在常规控制系统中，定值控制系统对干扰抑制特性要求高，而随动控制系统对设定值跟随特性要求高。一般工业控制系统的设定值跟随特性与干扰抑制特性是无法分开来的。例如，在过程控制系统中，许多控制变量经常要进行恒值控制，对这样的控制系统，主要是扰动抑制问题，但在开机时却出现了设定值跟随的问题，若设定值跟随性能不好，常表现出较大的超调量和较长的调节时间。而对于连续工业生产过程而言，很多恒值控制变成了顺序控制系统，在一个生产周期中，设定值常按生产工艺要求变化多次，这时设定值跟随特性是否优良就显得特别重要。在这种背景下，就要求控制系统同时具有良好的设定值跟随特性和干扰抑制特性。

在工业控制领域广泛应用的PID控制器和Smith预估控制器等常规控制器，都只能设定一组控制器参数，是种一自由度控制器。一般来讲，如果按干扰抑制特性最优来整定参数，则设定值跟随特性差；如果按设定值跟随特性最优来整定参数，则干扰抑制特性差，所以常规控制器的设计和参数整定通常采用折中或试凑的办法解决。这样做一般能满足大多数控制系统的控制要求，但对高性能控制系统则难以达到期望的特性。

为了解决常规控制存在的问题，满足高性能控制系统的要求，国内外学者提出二自由度控制的设计思想。所谓二自由度控制一般是指：采用适当的设计方法，找到两组独立的参数并设计出两个独立的控制器，分别用来优化系统的设定值跟随特性和干扰抑制特性。目前，国内外学者提出的二自由度控制方法主要有二自由度PID控制、时滞系统的二自由度控制、基于H∞理论的二自由度控制和基于智能控制理论的二自由度控制等，但这些方法在二自由度控制器结构、控制器参数整定和控制性能等方面还存在许多有待解决的问题。