在工业过程控制中,自整定控制是提高控制器自动化和智能化程度的一种公认的重要手段。继电反馈自整定控制方法以其原理简单、安全可靠、节约成本等诸多优越特性成为控制领域新的研究热点,研究内容主要包括继电反馈模型辨识及控制器参数整定两方面。在继电反馈模型辨识方面,研究的关键和难点问题主要在于:如何设计单次继电反馈测试,不依赖先验信息就可高精度地辨识模型中所有参数,即提高辨识的精度和效率。在控制器整定方面,如何设计能直接用于自整定系统的控制方法,既要有简单明确的整定规律,又要方便调节系统鲁棒性和控制性能的折中,这也是比例-积分-微分(PID)自整定控制方法研究的核心问题。本文主要针对以上难点和热点问题开展自整定控制方法研究,分别针对工业过程中的稳定时滞对象和反向响应积分时滞对象,研究了基于偏置继电反馈技术的辨识方法和基于鲁棒最优性能指标和频域控制理论的PID控制器最优解析设计方法,建立控制器参数与系统性能指标之间的定量关系,同时将以上两部分的研究成果结合,发展了PID控制器定量自整定方法。此外着重针对工业过程中较难镇定和辨识的大时滞不稳定对象,研究了带有比例-微分(PD)内环的偏置继电反馈辨识方法、PID控制器镇定问题和二自由度控制策略。本文的主要创新性研究成果包括:(1)针对工业过程中最常见的稳定时滞对象,提出了一种偏置继电反馈的H_∞PID控制器定量自整定方法。在模型辨识方面,首先针对广义一阶时滞(FOPDT)对象,研究了其临界频率特性与传递函数模型之间的本质联系,接着给出了一种改进的带有滞环的偏置继电反馈模型辨识方法。其突出的优点是:无需任何关于对象的先验信息,而且只需单次测试,就可以高精度地辨识出FOPDT模型的三个参数。在模型已辨识出的前提下,基于H_∞最优性能指标提出了一种PID控制器的最优解析设计方法,能按指定的性能和鲁棒性设计和整定控制器。将以上辨识和控制方法结合发展了H_∞PID定量自整定控制策略,与标准继电反馈自整定方法相比,不仅能给出满意的控制效果,而且提供了明确的控制器整定规则。该方法不仅适用于所有能用FOPDT模型的辨识过程,而且适用于高阶对象和大时滞对象。此外,考虑到实际系统中控制对象可能存在积分饱和现象,会导致闭环系统性能与期望的线性性能相比发生严重恶化,本文还给出了一种抗积分饱和控制策略,对工业过程控制实践具有一定的应用价值。(2)以化工工业实践中锅炉汽包液位控制系统为背景,研究了化工过程中一类典型的对象――反向响应积分时滞对象,提出了基于偏置继电反馈的H_∞比例-积分(PI)和PID控制器定量自整定方法。本文所提辨识方法可以通过单次测试,在没有对象先验信息的情况下同时辨识对象模型中的四个未知参数,并具有良好的抗干扰能力和鲁棒性。随后,基于H_∞最优控制和内模控制(IMC)理论解析设计PI/PID控制器,并建立控制器参数与系统性能指标之间的定量关系,使系统能方便地实现标称性能和鲁棒性之间的折中。最后,发展了相应的PI/PID控制器定量自整定方法。(3)针对时滞系统中较难镇定和辨识的大时滞不稳定对象,提出了改进的带有PD内环的偏置继电反馈辨识方法。本文方法的突出优点是将可镇定和辨识的不稳定对象的约束范围从传统方法的时滞与时间常数之比θτ< ln2扩大到θτ< 2,而且在对象未知的情况下根据继电测试输出曲线即可调节PD控制器使其镇定不稳定对象,从而只需单次测试不依赖先验信息就能完成模型辨识。(4)在辨识出模型的基础上针对大时滞不稳定对象提出了一种新颖的二自由度控制策略。首先基于Hermite-Biehler定理,给出了镇定不稳定对象的PID控制器集合。然后基于H 2最优性能指标和IMC理论给出二自由度控制结构中给定值跟踪控制器的解析设计方法;最后通过对系统进行鲁棒性能分析比较,发展了干扰抑制控制器的实用整定规则。本文方法的突出优点是:控制器整定简单直观,能实现输入响应与干扰响应解耦,对大时滞的不稳定对象能进行有效的镇定和控制。