前言
PREFACE
迄今为止，多变量过程辨识是先进控制技术在实际工程中推广应用的一个公认难题。大量实践研究证明，用现有的多变量过程辨识技术很难辨识出准确的多变量过程模型，究其原因是现有的多变量过程辨识理论存在固有缺陷，没有确切的理论证明多变量过程模型的准确辨识可以实现，并且至今还没有取得关键性的突破。按照现有的多变量过程辨识理论，人们的认识还停留在多变量系统辨识可以看作单变量系统的扩展。因此，大多数人以为用单变量系统辨识可以解决多变量系统辨识的问题，于是长期以来多变量过程辨识的理论研究聚焦在如何把多变量过程模型用单变量模型来表述的模型转换上。一旦实现了用若干个单变量的子系统表征一个多变量系统，就可以套用单变量的系统辨识算法去计算多变量过程模型参数。但现在看来这种研究思路是有问题的，因为多变量过程和单变量过程的最大区别在于多输入变量有可能同时对任一输出变量产生作用，若是能用解耦器解除这种耦合作用，那么单变量过程辨识理论就可以用了。但是解耦器可用的前提是已知过程模型，这等于说解耦之路走不通。总之，多变量过程辨识理论的研究是绕不开多变量耦合作用这个本质问题的。既然如此，多变量过程辨识理论的研究就应该围绕多变量耦合作用这个关键问题来研究解决之道，但是目前为止还没有看到突破和进展。
在《闭环过程辨识理论研究及应用》一书中，我们提出了过程辨识的六要素，除了传统的三要素（数据、模型类和准则）外，新加的要素是“过程”“激励”“优化”。之所以添加这三个要素，是源于对过程辨识更深入的认知。因此，多变量过程辨识依然像单变量过程辨识一样，需要考虑“过程”“激励”“优化”这三种新要素。首先，针对实际过程所辨识出的模型究竟准不准，应该考核的是实际过程和所辨识出模型之间的吻合度，而不仅仅是模型响应数据和实际过程响应数据之间的吻合度。事实上，人们早已发现那些数据拟合很好的模型并不一定能真正代表实际过程，这两者之间的动态特性可能相差十万八千里，所以“过程”要素不可不加。其次，人们早已发现所采集到的实际过程响应数据能否体现实际过程特性与辨识时输入激励信号的关系很大。显然，强激励带来强响应数据，弱激励带来弱响应数据，零激励只能带来零响应数据，噪声激励只能带来噪声响应数据。强响应数据意味着某些过程变量超限，属于事故状态特性，可能危及生产安全，所以是不被期待的；弱响应数据也不好，因为过程所具有的动态特性激发不足，辨识出的过程模型将有所缺失；零响应数据就更不能用了，因为只能辨识出虚假模型，所以所期待的是不强也不弱的激励得来的恰到好处的响应数据，因此“激励”要素不能不专门考虑。再者，传统辨识的优化计算只是最小二乘算法一家独大，那时“优化”要素和“准则”要素合并在一起考虑是可以被接受的。但是，进入到智能时代以后，有了更优越的智能优化算法，有了更强大的计算机技术，几万次迭代优化计算可以瞬间完成，“优化”要素就不得不单独列出了。大量的研究文献已经表明，用智能优化技术可突破用最小二乘优化技术的局限性，解决了许多原先用最小二乘优化技术不能解决的过程辨识问题，显著提高了过程辨识的精度。如果不重视“优化”要素的存在，则很有可能得到误差很大的辨识模型。
在以下展开的多变量过程辨识理论研究中，新加的要素“过程”和“激励”启发了我们新的研究思路。受“过程”要素启发的一条思路就是通过机理分析建模技术确定被辨识过程的模型结构和参数域。研究表明，要想让所辨识出的模型吻合实际过程特性，首先要让所确定的模型结构吻合实际过程特性。这对于单变量过程辨识是需要的，对于多变量过程辨识是更加需要的，因为所辨识出的模型与实际过程特性之间最大的误差莫过于模型结构不吻合。例如，实际过程特性是惯性特性，所确定的辨识模型结构也应该是惯性特性结构；若是选用振荡特性结构模型，则辨识模型特性将永远无法与实际过程特性吻合。必须指出，已经有过不少关于模型结构辨识的研究报道，但是，已提出的模型结构辨识仅仅局限于对模型阶数的辨识。即便能准确辨识出模型阶数，也解决不了以上所提出的确定模型结构的问题，因为我们所需要的是更深层次模型结构的确定。对线性模型而言，就是零点和极点的确定。例如，确定模型有左实极点，就可以确认被辨识过程含有惯性特性；确定有左复极点，就可知被辨识过程含有振荡特性。确定被辨识过程模型结构的问题，目前有三种方法：一是由人任凭经验确定；二是用机理分析建模技术来确定；三是用类似数据挖掘的技术来确定。综合考虑，由人凭经验确定和用类似数据挖掘的技术来确定的方法具有较大的盲目性，而采用机理分析建模技术来确定被辨识过程的模型结构更有科学依据。而且，只要被辨识过程装置的设计制造资料齐全，采用机理分析建模技术不但能确定被辨识过程的模型结构，还可以估算出模型参数的合理参数域。受“激励”要素启发的一条思路就是优选自然激励的生产运行大数据来保证被辨识过程的数据富含过程特性信息。
这本专著还可以看成是作者《多容惯性标准传递函数控制器——设计理论及应用技术》《PID控制器参数整定方法及应用》《闭环过程辨识理论及应用技术》三本专著的后续。因为《多容惯性标准传递函数控制器——设计理论及应用技术》提出了一种依赖于过程模型的先进控制技术，《PID控制器参数整定方法及应用》提出了依赖于过程模型的PID控制器参数整定技术，《闭环过程辨识理论及应用技术》提供了一套在闭环控制条件下进行单变量过程模型辨识的实用理论和技术，而眼下这本专著重在解决多变量过程模型的准确辨识问题。这四本专著将构成一套行之有效的先进过程辨识和控制理论及应用技术。
作者
2021年5月1日