內容簡介
《先進PID控制MATLAB仿真(第3版)》系統地介紹了PID控制的幾種設計方法，是作者多年來從事控制系統教學和科研工作的結晶，同時融入了國內外同行近年來所取得的最新成果。全書共分14章，包括基本的PID控制、PID控制器的整定、時滯系統的PID控制、基於微分器的PID控制、基於觀測器的PID控制、自抗擾控制器及其PID控制、PD魯棒自適應控制、模糊PD控制和專家PID控制、神經PID控制、基於遺傳算法整定的PID控制、伺服系統PID控制、疊代學習PID控制其他控制方法的設計與仿真，以及PID實時控制的C++語言設計及套用。每種方法都給出了算法推導、實例分析和相應的MATLAB仿真設計程式。
作者簡介
劉金琨，遼寧人，1965年生。分別於1989年7月、1994年3月和1997年3月獲東北大學工學學士、工學碩士和工學博士學位。1997年3月至1998年12月在浙江大學工業控制技術研究所做博士後研究工作。1999年1月至1999年7月在香港科技大學從事合作研究。1999年11月至今在北京航空航天大學自動化學院從事教學與科研工作，現任教授，博士導師。主講“智慧型控制”、“工業過程控制”和“系統辨識”等課程。研究方向為控制理論與套用。自從從事研究工作以來，主持國家自然基金等科研項目10餘項，以第一作者發表學術論文70餘篇。曾出版《智慧型控制》、《先進PID控制及其MATLAB仿真》、《機器人控制系統的設計與MATLAB仿真》、《滑模變結構控制MATLAB仿真》和《微分器設計與套用——信號濾波與求導》等著作。
圖書目錄
第1章 基本的PID控制 1
1.1 PID控制原理 1
1.2 連續系統的模擬PID仿真 2
1.2.1 基本的PID控制 2
1.2.2 線性時變系統的PID控制 8
1.3 數字PID控制 12
1.3.1 位置式PID控制算法 12
1.3.2 連續系統的數字PID控制仿真 13
1.3.3 離散系統的數字PID控制仿真 19
1.3.4 增量式PID控制算法及仿真 25
1.3.5 積分分離PID控制算法及仿真 27
1.3.6 抗積分飽和PID控制算法及仿真 32
1.3.7 梯形積分PID控制算法 35
1.3.8 變速積分PID算法及仿真 35
1.3.9 帶濾波器的PID控制仿真 39
1.3.10 不完全微分PID控制算法及仿真 45
1.3.11 微分先行PID控制算法及仿真 49
1.3.12 帶死區的PID控制算法及仿真 52
1.3.13 基於前饋補償的PID控制算法及仿真 56
1.3.14 步進式PID控制算法及仿真 59
1.3.15 PID控制的方波回響 61
1.3.16 基於卡爾曼濾波器的PID控制 64
1.4 S函式介紹 73
1.4.1 S函式簡介 73
1.4.2 S函式使用步驟 73
1.4.3 S函式的基本功能及重要參數設定 73
1.4.4 實例說明 74
1.5 PID研究新進展 74
第2章 PID控制器的整定 76
2.1 概述 76
2.2 基於回響曲線法的PID整定 76
2.2.1 基本原理 76
2.2.2 仿真實例 77
2.3 基於Ziegler-Nichols的頻域回響PID整定 81
2.3.1 連續Ziegler-Nichols方法的PID整定 81
2.3.2 仿真實例 81
2.3.3 離散Ziegler-Nichols方法的PID整定 84
2.3.4 仿真實例 84
2.4 基於頻域分析的PD整定 88
2.4.1 基本原理 88
2.4.2 仿真實例 88
2.5 基於相位裕度整定的PI控制 91
2.5.1 基本原理 91
2.5.2 仿真實例 94
2.6 基於極點配置的穩定PD控制 95
2.6.1 基本原理 95
2.6.2 仿真實例 96
2.7 基於臨界比例度法的PID整定 98
2.7.1 基本原理 98
2.7.2 仿真實例 99
2.8 一類非線性整定的PID控制 101
2.8.1 基本原理 101
2.8.2 仿真實例 103
2.9 基於最佳化函式的PID整定 105
2.9.1 基本原理 105
2.9.2 仿真實例 105
2.10 基於NCD最佳化的PID整定 107
2.10.1 基本原理 107
2.10.2 仿真實例 107
2.11 基於NCD與最佳化函式結合的PID整定 111
2.11.1 基本原理 111
2.11.2 仿真實例 111
2.12 傳遞函式的頻域測試 113
2.12.1 基本原理 113
2.12.2 仿真實例 114
第3章 時滯系統的PID控制 117
3.1 單迴路PID控制系統 117
3.2 串級PID控制 117
3.2.1 串級PID控制原理 117
3.2.2 仿真實例 118
3.3 純滯後系統的大林控制算法 122
3.3.1 大林控制算法原理 122
3.3.2 仿真實例 122
3.4 純滯後系統的Smith控制算法 124
3.4.1 連續Smith預估控制 125
3.4.2 仿真實例 126
3.4.3 數字Smith預估控制 128
3.4.4 仿真實例 129
第4章 基於微分器的PID控制 134
4.1 基於全程快速微分器的PID控制 134
4.1.1 全程快速微分器 134
4.1.2 仿真實例 134
4.2 基於Levant微分器的PID控制 143
4.2.1 Levant微分器 143
4.2.2 仿真實例 144
第5章 基於觀測器的PID控制 156
5.1 基於慢干擾觀測器補償的PID控制 156
5.1.1 系統描述 156
5.1.2 觀測器設計 156
5.1.3 仿真實例 157
5.2 基於干擾觀測器的PID控制 162
5.2.1 干擾觀測器基本原理 162
5.2.2 干擾觀測器的性能分析 164
5.2.3 干擾觀測器魯棒穩定性 166
5.2.4 低通濾波器 的設計 167
5.2.5 仿真實例 168
5.3 基於擴張觀測器的PID控制 172
5.3.1 擴張觀測器的設計 172
5.3.2 擴張觀測器的分析 173
5.3.3 仿真實例 175
5.4 基於輸出延遲觀測器的PID控制 189
5.4.1 系統描述 189
5.4.2 輸出延遲觀測器的設計 189
5.4.3 延遲觀測器的分析 190
5.4.4 仿真實例 191
第6章 自抗擾控制器及其PID控制 201
6.1 非線性跟蹤微分器 201
6.1.1 微分器描述 201
6.1.2 仿真實例 201
6.2 安排過渡過程及PID控制 205
6.2.1 安排過渡過程 205
6.2.2 仿真實例 206
6.3 基於非線性擴張觀測器的PID控制 212
6.3.1 系統描述 212
6.3.2 非線性擴張觀測器 212
6.3.3 仿真實例 213
6.4 非線性PID控制 225
6.4.1 非線性PID控制算法 225
6.4.2 仿真實例 225
6.5 自抗擾控制 228
6.5.1 自抗擾控制結構 228
6.5.2 仿真實例 228
第7章 PD魯棒自適應控制 239
7.1 撓性太空飛行器穩定PD魯棒控制 239
7.1.1 撓性太空飛行器建模 239
7.1.2 PD控制器的設計 240
7.1.3 仿真實例 240
7.2 基於名義模型的機械手PI魯棒控制 245
7.2.1 問題的提出 245
7.2.2 魯棒控制律的設計 246
7.2.3 穩定性分析 246
7.2.4 仿真實例 247
7.3 基於Anti-windup的PID控制 255
7.3.1 Anti-windup基本原理 255
7.3.2 基於Anti-windup的PID控制 255
7.3.3 仿真實例 256
7.4 基於PD增益自適應調節的模型參考自適應控制 259
7.4.1 問題描述 259
7.4.2 控制律的設計與分析 260
7.4.3 仿真實例 261
第8章 模糊PD控制和專家PID控制 270
8.1 倒立擺穩定的PD控制 270
8.1.1 系統描述 270
8.1.2 控制律設計 270
8.1.3 仿真實例 271
8.2 基於自適應模糊補償的倒立擺PD控制 274
8.2.1 問題描述 274
8.2.2 自適應模糊控制器設計與分析 275
8.2.3 穩定性分析 276
8.2.4 仿真實例 277
8.3 基於模糊規則表的模糊PD控制 284
8.3.1 基本原理 284
8.3.2 仿真實例 285
8.4 模糊自適應整定PID控制 288
8.4.1 模糊自適應整定PID控制原理 288
8.4.2 仿真實例 291
8.5 專家PID控制 296
8.5.1 專家PID控制原理 296
8.5.2 仿真實例 297
第9章 神經PID控制 301
9.1 基於單神經元網路的PID智慧型控制 301
9.1.1 幾種典型的學習規則 301
9.1.2 單神經元自適應PID控制 301
9.1.3 改進的單神經元自適應PID控制 302
9.1.4 仿真實例 303
9.1.5 基於二次型性能指標學習算法的單神經元自適應PID控制 305
9.1.6 仿真實例 306
9.2 基於RBF神經網路整定的PID控制 309
9.2.1 RBF神經網路模型 309
9.2.2 RBF網路PID整定原理 310
9.2.3 仿真實例 311
9.3 基於自適應神經網路補償的倒立擺PD控制 316
9.3.1 問題描述 316
9.3.2 自適應神經網路設計與分析 316
9.3.3 仿真實例 319
第10章 基於遺傳算法整定的PID控制 325
10.1 遺傳算法的基本原理 325
10.2 遺傳算法的最佳化設計 326
10.2.1 遺傳算法的構成要素 326
10.2.2 遺傳算法的套用步驟 326
10.3 遺傳算法求函式極大值 327
10.3.1 二進制編碼遺傳算法求函式極大值 327
10.3.2 實數編碼遺傳算法求函式極大值 331
10.4 基於遺傳算法的PID整定 334
10.4.1 基於遺傳算法的PID整定原理 335
10.4.2 基於實數編碼遺傳算法的PID整定 337
10.4.3 基於二進制編碼遺傳算法的PID整定 341
10.4.4 基於自適應線上遺傳算法整定的PD控制 347
10.5 基於摩擦模型補償的PD控制 352
10.5.1 摩擦模型辨識 352
10.5.2 仿真實例 353
第11章 伺服系統PID控制 359
11.1 基於LuGre摩擦模型的PID控制 359
11.1.1 伺服系統的摩擦現象 359
11.1.2 伺服系統的LuGre摩擦模型 359
11.1.3 仿真實例 360
11.2 基於Stribeck摩擦模型的PID控制 362
11.2.1 Stribeck摩擦模型描述 362
11.2.2 一個典型伺服系統描述 363
11.2.3 仿真實例 364
11.3 伺服系統三環的PID控制 371
11.3.1 伺服系統三環的PID控制原理 371
11.3.2 仿真實例 372
11.4 二質量伺服系統的PID控制 375
11.4.1 二質量伺服系統的PID控制原理 375
11.4.2 仿真實例 377
11.5 伺服系統的模擬PD+數字前饋控制 379
11.5.1 伺服系統的模擬PD+數字前饋控制原理 379
11.5.2 仿真實例 380
第12章 疊代學習PID控制 382
12.1 疊代學習控制方法介紹 382
12.2 疊代學習控制基本原理 382
12.3 基本的疊代學習控制算法 383
12.4 基於PID型的疊代學習控制 383
12.4.1 系統描述 383
12.4.2 控制器設計 384
12.4.3 仿真實例 384
第13章 其他控制方法的設計與仿真 390
13.1 單級倒立擺建模 390
13.2 倒立擺PD控制 391
13.2.1 系統描述 391
13.2.2 仿真實例 391
13.3 單級倒立擺的全狀態反饋控制 394
13.3.1 系統描述 394
13.3.2 全狀態反饋控制 395
13.3.3 仿真實例 395
13.4 輸入/輸出反饋線性化 403
13.4.1 系統描述 403
13.4.2 控制律設計 404
13.4.3 仿真實例 404
13.5 倒立擺反演控制 408
13.5.1 系統描述 408
13.5.2 控制律設計 408
13.5.3 仿真實例 409
13.6 倒立擺滑模控制 413
13.6.1 問題描述 413
13.6.2 控制律設計 413
13.6.3 仿真實例 414
13.7 自適應魯棒控制 419
13.7.1 問題的提出 419
13.7.2 自適應控制律的設計 419
13.7.3 仿真實例 420
13.8 單級倒立擺的H∞控制 427
13.8.1 系統描述 427
13.8.2 H∞控制器要求 428
13.8.3 基於Riccati方程的H∞控制 429
13.8.4 基於LMI的H∞控制 429
13.8.5 仿真實例 431
13.9 基於GUI的倒立擺控制動畫演示 438
13.9.1 GUI介紹 438
13.9.2 演示程式的構成 439
13.9.3 主程式的實現 439
13.9.4 演示界面的GUI設計 439
13.9.5 演示步驟 440
第14章 PID實時控制的C++語言 設計及套用 442
14.1 控制系統仿真的C++實現 442
14.2 基於C++的三軸飛行模擬轉台伺服系統PID實時控制 444
14.2.1 控制系統構成 445
14.2.2 實時控制程式分析 445
14.2.3 仿真實例 449
附錄A 常用符號說明 459
參考文獻 460
