迄今為止，多變量過(guò)程辨識(shí)是先進(jìn)控制技術(shù)在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用的一個(gè)公認(rèn)難題。大量實(shí)踐研究證明，用現(xiàn)有的多變量過(guò)程辨識(shí)技術(shù)很難辨識(shí)出準(zhǔn)確的多變量過(guò)程模型，究其原因是現(xiàn)有的多變量過(guò)程辨識(shí)理論存在固有缺陷，沒(méi)有確切的理論證明多變量過(guò)程模型的準(zhǔn)確辨識(shí)可以實(shí)現(xiàn)，并且至今還沒(méi)有取得關(guān)鍵性的突破。按照現(xiàn)有的多變量過(guò)程辨識(shí)理論，人們的認(rèn)識(shí)還停留在多變量系統(tǒng)辨識(shí)可以看作單變量系統(tǒng)的擴(kuò)展。因此，大多數(shù)人以為用單變量系統(tǒng)辨識(shí)可以解決多變量系統(tǒng)辨識(shí)的問(wèn)題，于是長(zhǎng)期以來(lái)多變量過(guò)程辨識(shí)的理論研究聚焦在如何把多變量過(guò)程模型用單變量模型來(lái)表述的模型轉(zhuǎn)換上。一旦實(shí)現(xiàn)了用若干個(gè)單變量的子系統(tǒng)表征一個(gè)多變量系統(tǒng)，就可以套用單變量的系統(tǒng)辨識(shí)算法去計(jì)算多變量過(guò)程模型參數(shù)。但現(xiàn)在看來(lái)這種研究思路是有問(wèn)題的，因?yàn)槎嘧兞窟^(guò)程和單變量過(guò)程的區(qū)別在于多輸入變量有可能同時(shí)對(duì)任一輸出變量產(chǎn)生作用，若是能用解耦器解除這種耦合作用，那么單變量過(guò)程辨識(shí)理論就可以用了。但是解耦器可用的前提是已知過(guò)程模型，這等于說(shuō)解耦之路走不通�？傊�，多變量過(guò)程辨識(shí)理論的研究是繞不開(kāi)多變量耦合作用這個(gè)本質(zhì)問(wèn)題的。既然如此，多變量過(guò)程辨識(shí)理論的研究就應(yīng)該圍繞多變量耦合作用這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題來(lái)研究解決之道，但是目前為止還沒(méi)有看到突破和進(jìn)展。
在《閉環(huán)過(guò)程辨識(shí)理論研究及應(yīng)用》一書(shū)中，我們提出了過(guò)程辨識(shí)的六要素，除了傳統(tǒng)的三要素（數(shù)據(jù)、模型類(lèi)和準(zhǔn)則）外，新加的要素是過(guò)程激勵(lì)優(yōu)化。之所以添加這三個(gè)要素，是源于對(duì)過(guò)程辨識(shí)更深入的認(rèn)知。因此，多變量過(guò)程辨識(shí)依然像單變量過(guò)程辨識(shí)一樣，需要考慮 過(guò)程激勵(lì)優(yōu)化這三種新要素。首先，針對(duì)實(shí)際過(guò)程所辨識(shí)出的模型究竟準(zhǔn)不準(zhǔn)，應(yīng)該考核的是實(shí)際過(guò)程和所辨識(shí)出模型之間的吻合度，而不僅僅是模型響應(yīng)數(shù)據(jù)和實(shí)際過(guò)程響應(yīng)數(shù)據(jù)之間的吻合度。事實(shí)上，人們?cè)缫寻l(fā)現(xiàn)那些數(shù)據(jù)擬合很好的模型并不一定能真正代表實(shí)際過(guò)程，這兩者之間的動(dòng)態(tài)特性可能相差十萬(wàn)八千里，所以過(guò)程要素不可不加。其次，人們?cè)缫寻l(fā)現(xiàn)所采集到的實(shí)際過(guò)程響應(yīng)數(shù)據(jù)能否體現(xiàn)實(shí)際過(guò)程特性與辨識(shí)時(shí)輸入激勵(lì)信號(hào)的關(guān)系很大。顯然，強(qiáng)激勵(lì)帶來(lái)強(qiáng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，弱激勵(lì)帶來(lái)弱響應(yīng)數(shù)據(jù)，零激勵(lì)只能帶來(lái)零響應(yīng)數(shù)據(jù)，噪聲激勵(lì)只能帶來(lái)噪聲響應(yīng)數(shù)據(jù)。強(qiáng)響應(yīng)數(shù)據(jù)意味著某些過(guò)程變量超限，屬于事故狀態(tài)特性，可能危及生產(chǎn)安全，所以是不被期待的；弱響應(yīng)數(shù)據(jù)也不好，因?yàn)檫^(guò)程所具有的動(dòng)態(tài)特性激發(fā)不足，辨識(shí)出的過(guò)程模型將有所缺失；零響應(yīng)數(shù)據(jù)就更不能用了，因?yàn)橹荒鼙孀R(shí)出虛假模型，所以所期待的是不強(qiáng)也不弱的激勵(lì)得來(lái)的恰到好處的響應(yīng)數(shù)據(jù)，因此激勵(lì)要素不能不專(zhuān)門(mén)考慮。再者，傳統(tǒng)辨識(shí)的優(yōu)化計(jì)算只是小二乘算法一家獨(dú)大，那時(shí)優(yōu)化要素和準(zhǔn)則要素合并在一起考慮是可以被接受的。但是，進(jìn)入到智能時(shí)代以后，有了更優(yōu)越的智能優(yōu)化算法，有了更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)技術(shù)，幾萬(wàn)次迭代優(yōu)化計(jì)算可以瞬間完成， 優(yōu)化要素就不得不單獨(dú)列出了。大量的研究文獻(xiàn)已經(jīng)表明，用智能優(yōu)化技術(shù)可突破用小二乘優(yōu)化技術(shù)的局限性，解決了許多原先用小二乘優(yōu)化技術(shù)不能解決的過(guò)程辨識(shí)問(wèn)題，顯著提高了過(guò)程辨識(shí)的精度。如果不重視優(yōu)化要素的存在，則很有可能得到誤差很大的辨識(shí)模型。
在以下展開(kāi)的多變量過(guò)程辨識(shí)理論研究中，新加的要素過(guò)程和激勵(lì)啟發(fā)了我們新的研究思路。受過(guò)程要
素啟發(fā)的一條思路就是通過(guò)機(jī)理分析建模技術(shù)確定被辨識(shí)過(guò)程的模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)域。研究表明，要想讓所辨識(shí)出的模型吻合實(shí)際過(guò)程特性，首先要讓所確定的模型結(jié)構(gòu)吻合實(shí)際過(guò)程特性。這對(duì)于單變量過(guò)程辨識(shí)是需要的，對(duì)于多變量過(guò)程辨識(shí)是更加需要的，因?yàn)樗�辨識(shí)出的模型與實(shí)際過(guò)程特性之間的誤差莫過(guò)于模型結(jié)構(gòu)不吻合。例如，實(shí)際過(guò)程特性是慣性特性，所確定的辨識(shí)模型結(jié)構(gòu)也應(yīng)該是慣性特性結(jié)構(gòu)；若是選用振蕩特性結(jié)構(gòu)模型，則辨識(shí)模型特性將永遠(yuǎn)無(wú)法與實(shí)際過(guò)程特性吻合。必須指出，已經(jīng)有過(guò)不少關(guān)于模型結(jié)構(gòu)辨識(shí)的研究報(bào)道，但是，已提出的模型結(jié)構(gòu)辨識(shí)僅僅局限于對(duì)模型階數(shù)的辨識(shí)。即便能準(zhǔn)確辨識(shí)出模型階數(shù)，也解決不了以上所提出的確定模型結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，因?yàn)槲覀兯�需要的是更深層次模型結(jié)構(gòu)的確定。對(duì)線性模型而言，就是零點(diǎn)和極點(diǎn)的確定。例如，確定模型有左實(shí)極點(diǎn)，就可以確認(rèn)被辨識(shí)過(guò)程含有慣性特性；確定有左復(fù)極點(diǎn)，就可知被辨識(shí)過(guò)程含有振蕩特性。確定被辨識(shí)過(guò)程模型結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，目前有三種方法：一是由人任憑經(jīng)驗(yàn)確定；二是用機(jī)理分析建模技術(shù)來(lái)確定；三是用類(lèi)似數(shù)據(jù)挖掘的技術(shù)來(lái)確定。綜合考慮，由人憑經(jīng)驗(yàn)確定和用類(lèi)似數(shù)據(jù)挖掘的技術(shù)來(lái)確定的方法具有較大的盲目性，而采用機(jī)理分析建模技術(shù)來(lái)確定被辨識(shí)過(guò)程的模型結(jié)構(gòu)更有科學(xué)依據(jù)。而且，只要被辨識(shí)過(guò)程裝置的設(shè)計(jì)制造資料齊全，采用機(jī)理分析建模技術(shù)不但能確定被辨識(shí)過(guò)程的模型結(jié)構(gòu)，還可以估算出模型參數(shù)的合理參數(shù)域。受激勵(lì)要素啟發(fā)的一條思路就是優(yōu)選自然激勵(lì)的生產(chǎn)運(yùn)行大數(shù)據(jù)來(lái)保證被辨識(shí)過(guò)程的數(shù)據(jù)富含過(guò)程特性信息。
這本專(zhuān)著還可以看成是作者《多容慣性標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)控制器設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用技術(shù)》《PID控制器參數(shù)整定方法及應(yīng)用》《閉環(huán)過(guò)程辨識(shí)理論及應(yīng)用技術(shù)》三本專(zhuān)著的后續(xù)。因?yàn)椤抖嗳輵T性標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)控制器設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用技術(shù)》提出了一種依賴于過(guò)程模型的先進(jìn)控制技術(shù)，《PID控制器參數(shù)整定方法及應(yīng)用》提出了依賴于過(guò)程模型的PID控制器參數(shù)整定技術(shù)，《閉環(huán)過(guò)程辨識(shí)理論及應(yīng)用技術(shù)》提供了一套在閉環(huán)控制條件下進(jìn)行單變量過(guò)程模型辨識(shí)的實(shí)用理論和技術(shù)，而眼下這本專(zhuān)著重在解決多變量過(guò)程模型的準(zhǔn)確辨識(shí)問(wèn)題。這四本專(zhuān)著將構(gòu)成一套行之有效的先進(jìn)過(guò)程辨識(shí)和控制理論及應(yīng)用技術(shù)。

作者
2021年5月1日