PID控制系统设计：使用MATLAB和Simulink仿真与分析

　　本书为学生、研究者和工业实践者提供了可供选择的主题，他们希望学习具有操作约束的PID控制系统的设计和实现。这本书由三部分组成。第一部分介绍了PID控制系统的结构、经典的整定规则和基于模型的设计方法。第二部分介绍了作者的先进设计、分析和实现材料，包括基于频域的设计、带运算约束和量化误差的实现、增益调度PID控制、串级PID控制、前馈PID控制等，PID控制的自动整定。在所有的高级设计材料中也会强调处理操作限制。第3部分说明了应用程序的设计和实现过程，包括板上球、无人机（四旋翼机控制、固定翼飞机控制）。

　　Professor Liuping Wang， who is an electrical engineer by training， gained substantial process control experience by working in the Chemical Engineering Department， University of Toronto， Canada.

 
第1章PID控制基础
1.1引言
1.2PID控制器的结构
1.2.1比例控制器
1.2.2比例微分控制器
1.2.3比例积分控制器
1.2.4PID控制器
1.2.5商用PID控制器结构
1.2.6进一步思考
1.3PID控制器的经典整定规则
1.3.1基于ZieglerNichols振荡的整定规则
1.3.2基于一阶延迟模型的整定
1.3.3进一步思考
1.4基于模型的PID控制器的整定规则
1.4.1IMCPID控制器整定规则
1.4.2PadulaVisioli整定规则
1.4.3WangCluett整定规则
1.4.4进一步思考
1.5整定规则评估示例
1.5.1评估整定规则的示例
1.5.2火焰加热器控制示例
1.6小结
1.7进一步阅读
问题
第2章闭环性能和稳定性
2.1简介
2.2RouthHurwitz稳定性判据
2.2.1闭环极点的确定
2.2.2稳定性判据
2.2.3进一步思考
2.3奈奎斯特稳定性判据
2.3.1奈奎斯特图
2.3.2基于整定规则的PID控制器修改
2.3.3进一步思考
2.4控制系统结构和灵敏度函数
2.4.1一自由度控制系统结构
2.4.2二自由度设计
2.4.3反馈控制中的灵敏度函数
2.4.4进一步思考
2.5给定值跟踪和扰动抑制
2.5.1闭环带宽
2.5.2PID控制器的给定值跟踪与扰动抑制
2.5.3基于谐振控制器的给定值跟踪与扰动抑制
2.5.4进一步思考
2.6扰动抑制和噪声衰减
2.6.1扰动抑制与噪声衰减的矛盾
2.6.2扰动抑制与噪声衰减PID控制器
2.6.3进一步思考
2.7鲁棒稳定性和鲁棒性能
2.7.1模型误差
2.7.2鲁棒稳定性
2.7.3案例研究： 聚合物反应器的鲁棒控制
2.7.4进一步思考
2.8小结
2.9进一步阅读
问题
第3章基于模型的PID和谐振控制器设计
3.1引言
3.2PI控制器设计
3.2.1期望闭环性能指标
3.2.2模型和控制器结构
3.2.3不同结构的闭环传递函数
3.2.4进一步思考
3.3PID控制器的经典整定规则
3.3.1PD控制器设计
3.3.2存在零极点对消的理想PID分析实例
3.3.3带滤波器的PID控制器分析实例
3.3.4无零极点对消的PID控制器设计
3.3.5求解带滤波器PID控制器的MATLAB教程
3.3.6进一步思考
3.4谐振控制器设计
3.4.1谐振控制器设计
3.4.2稳态误差分析
3.4.3谐振控制器设计中的零极点对消
3.4.4进一步思考
3.5前馈控制
3.5.1前馈控制的基本思想
3.5.2三弹簧双质块系统
3.5.3进一步思考
3.6小结
3.7进一步阅读
问题
第4章PID控制器的实现
4.1引言
4.2PID控制器应用方案
4.3位置式PID控制器实现
4.3.1稳态信息
4.3.2PID控制器的离散化
4.3.3进一步思考
4.4速度式PID控制器的实现
4.4.1PI控制器的离散化
4.4.2速度式PID控制器的离散化
4.4.3低采样频率下的精度提升
4.4.4进一步思考
4.5位置形式的抗饱和实现
4.5.1积分器饱和情况
4.5.2位置式PI控制器的抗饱和机制
4.5.3进一步思考
4.6速度形式的抗饱和机制
4.6.1控制信号幅值的抗饱和机制
4.6.2控制信号变化率限制
4.6.3进一步思考
4.7PID抗饱和实现教程
4.8其他问题的处理
4.8.1控制对象的启动
4.8.2PID控制器实现中量化误差的处理
4.9小结
4.10进一步阅读
问题
第5章基于扰动观测器的PID和谐振控制器
5.1引言
5.2基于扰动观测器的PI控制器
5.2.1带有控制的扰动估计
5.2.2PI控制器的等价
5.2.3通过估计实现PI控制器的MATLAB教程
5.2.4基于估计器的PI控制器示例
5.2.5进一步思考
5.3基于扰动观测器的PID控制器
5.3.1比例微分控制
5.3.2增加积分作用
5.3.3PID控制器的等价
5.3.4基于扰动观测器的PID控制器实现的MATLAB教程
5.3.5基于扰动观测器的PID控制器示例
5.3.6进一步思考
5.4基于扰动观测器的谐振控制器
5.4.1谐振控制器设计
5.4.2谐振控制器的实现
5.4.3谐振控制器的等价
5.4.4基于扰动观测器的谐振控制器实现的MATLAB教程
5.4.5基于扰动观测器的谐振控制器示例
5.4.6进一步思考
5.5多频谐振控制器
5.5.1在谐振控制器中加入积分作用
5.5.2增加更多周期分量
5.5.3进一步思考
5.6小结
5.7进一步阅读
问题
第6章非线性系统的PID控制
6.1引言
6.2非线性模型的线性化
6.2.1非线性函数的近似
6.2.2非线性微分方程的线性化
6.2.3案例研究： 耦合水箱模型的线性化
6.2.4案例研究： 感应电动机模型的线性化
6.2.5进一步思考
6.3案例研究: 板球平衡系统
6.3.1板球平衡系统的动态特性
6.3.2非线性模型的线性化
6.3.3PID控制器设计
6.3.4实现与实验结果
6.3.5进一步思考
6.4增益调度的PID控制系统
6.4.1权重参数
6.4.2由PID速度形式实现增益调度
6.4.3使用基于估计器的PID控制器实现增益调度
6.4.4进一步思考
6.5小结
6.6进一步阅读
问题
第7章串级PID控制系统
7.1引言
7.2串级PID控制系统的设计
7.2.1串级PID控制系统的设计步骤
7.2.3简单的设计举例
7.2.3在串级结构中实现闭环性能不变性(近似)
7.2.4进一步思考
7.3输入扰动抑制的串级控制系统
7.3.1扰动抑制的频率特性
7.3.2仿真研究
7.3.3进一步思考
7.4执行器非线性的串级控制系统
7.4.1带死区的执行器串级控制
7.4.2执行器存在量化误差的串级控制
7.4.3执行器存在间隙非线性的串级控制
7.4.4进一步思考
7.5小结
7.6进一步阅读
问题
第8章复杂系统的PID控制器设计
8.1引言
8.2基于增益和相位裕度的PI控制器设计
8.2.1基于增益裕度和相位裕度指标的PI控制器设计
8.2.2设计示例
8.2.3进一步思考
8.3基于两个频率点的PID控制器设计
8.3.1PID控制器参数的求解
8.3.2使用两个频率点的期望闭环性能指标
8.3.3设计示例
8.3.4由两个频率点设计PID控制器的MATLAB教程
8.3.5啤酒过滤过程的PID控制器设计
8.3.6进一步思考
8.4积分系统的PID控制器设计
8.4.1近似模型
8.4.2期望闭环性能的选择
8.4.3参数的归一化和经验规则
8.4.4增益和相位裕度
8.4.5仿真示例
8.4.6进一步思考
8.5小结
8.6进一步阅读
问题
第9章PID控制器的自整定
9.1引言
9.2继电反馈控制
9.2.1带滞环的继电控制
9.2.2带积分器的继电控制
9.2.3进一步思考
9.3采用快速傅里叶变换估算频率响应
9.3.1FFT估算
9.3.2使用FFT进行估计的MATLAB教程
9.3.3蒙特卡罗模拟研究
9.3.4进一步思考
9.4使用频率采样滤波器估计频率响应
9.4.1频率采样滤波器模型
9.4.2使用FSF模型进行估计的MATLAB教程
9.4.3利用FSF估计的蒙特卡罗模拟
9.4.4进一步思考
9.5蒙特卡罗模拟研究
9.5.1未知恒值扰动的影响
9.5.2未知低频扰动的影响
9.5.3稳态值的估计
9.5.4进一步思考
9.6稳定控制对象的自动调谐器设计
9.6.1用于稳定控制对象的自动调谐器的MATLAB教程
9.6.2稳定控制对象自动调谐器的评估
9.6.3比较研究
9.6.4进一步思考
9.7积分控制对象自动调谐器的设计
9.7.1积分延迟模型的估计
9.7.2积分系统的自动调谐器
9.7.3串级控制系统的自整定
9.7.4进一步思考
9.8小结
9.9进一步阅读
问题
第10章多旋翼无人机的PID控制
10.1介绍
10.2多旋翼动力学模型
10.2.1姿态控制的动力学模型
10.2.2四旋翼无人机驱动器动力学特性
10.2.3六旋翼飞行器驱动器动力学模型
10.2.4进一步思考
10.3多旋翼无人机的串级姿态控制
10.3.1副控制对象的线性化模型
10.3.2主控制对象的线性化模型
10.3.3进一步思考
10.4姿态控制系统的自整定
10.4.1多旋翼无人机串级PI控制器自整定试验台
10.4.2四旋翼无人机的实验结果
10.4.3六旋翼飞行器的实验结果
10.4.4进一步思考
10.5小结
10.6进一步阅读
问题
思考题参考答案
参考文献