作者：刘金琨
出版社：电子工业出版社
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先进PID控制MATLAB仿真（第3版）试读：
前言
PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。然而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用常规PID控制器不能达到理想的控制效果，而且在实际生产现场中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差。
计算机技术和智能控制理论的发展为复杂动态不确定系统的控制提供了新的途径。采用智能控制技术，可设计智能PID和进行PID的智能整定。
有关智能PID控制等新型PID控制理论及其工程应用，近年来已有大量的论文发表。作者多年来一直从事智能控制方面的研究和教学工作，为了促进PID控制和自动化技术的进步，反映PID控制设计与应用中的最新研究成果，并使广大工程技术人员能了解、掌握和应用这一领域的最新技术，学会用MATLAB语言进行PID控制器的设计，作者编写了这本书，以抛砖引玉，供广大读者学习参考。
本书是在总结作者多年研究成果的基础上，进一步理论化、系统化、规范化、实用化而成的，其特点如下。（1）PID控制算法取材新颖，内容先进，重点置于学科交叉部分的前沿研究和介绍一些有潜力的新思想、新方法和新技术，取材着重于基本概念、基本理论和基本方法。（2）针对每种PID算法给出了完整的MATLAB仿真程序，这些程序都可以在线运行，并给出了程序的说明和仿真结果，具有很强的可读性，很容易转化为其他各种实用语言。（3）着重从应用领域角度出发，突出理论联系实际，面向广大工程技术人员，具有很强的工程性和实用性。书中有大量应用实例及其结果分析，为读者提供了有益的借鉴。（4）所给出的各种PID算法完整，程序结构设计力求简单明了，便于自学和进一步开发。
本书共分14章。第1章介绍了连续系统PID控制和离散系统数字PID控制的几种基本方法，通过仿真和分析进行了说明；第2章介绍了PID控制器整定的几种方法；第3章介绍了时滞系统的PID控制，包括串级计算机控制系统的PID控制、纯滞后控制系统Dahlin算法和基于Smith预估的PID控制；第4章介绍了基于微分器的PID控制，包括基于全程快速微分器和基于Levant微分器的PID控制；第5章介绍了基于观测器的PID控制，包括基于干扰观测器、扩张观测器和输出延迟观测器的PID控制；第6章介绍了自抗扰控制器及其PID控制，包括非线性跟踪微分器、安排过渡过程及PID控制、基于非线性扩张观测器的PID控制、非线性PID控制和自抗扰控制；第7章介绍了几种PID鲁棒自适应控制方法，包括挠性航天器稳定PD鲁棒控制、基于名义模型的机械手PI鲁棒控制、基于Anti-windup的PID抗饱和控制和基于增益自适应调节的模型参考自适应PD控制；第8章介绍了专家PID和模糊PID整定方法，其中模糊PID包括自适应模糊补偿的倒立摆PD控制、基于模糊规则表的模糊PD控制和模糊自适应整定PID控制；第9章介绍了神经网络PID控制，包括基于单神经元网络的PID控制、基于RBF神经网络整定的PID控制和基于自适应神经网络补偿的倒立摆PD控制；第10章介绍了基于遗传算法的PID控制，主要包括基于遗传算法整定的PID控制和基于遗传算法摩擦模型参数辨识的PID控制；第11章介绍了伺服系统的PID控制，包括伺服系统在低速摩擦条件下的PID控制、单质量伺服系统PID控制和二质量伺服系统PID控制；第12章介绍了迭代学习PID控制，包括迭代学习PID控制基本原理和基本设计方法；第13章介绍了其他控制方法，针对每种方法给出了实例说明；第14章介绍了PID在实时控制中的应用实例，并给出了相应的Borland C++语言实时控制程序。
本书是基于MATLAB 7.1环境下开发的，各个章节的内容具有很强的独立性，读者可以结合自己的方向深入地进行研究。
北京航空航天大学尔联洁教授在伺服系统设计方面提出了许多宝贵意见，东北大学徐心和教授和薛定宇教授给予了大力支持和帮助，北京航空航天大学林岩教授和全权博士也给予了帮助，在此一并表示感谢。
作者在控制系统的分析中，有许多方面得益于与研究生的探讨，这些研究生包括孔建、卢宇、贺庆、郑明慧、张琳军、李晓光等，在此表示感谢。
由于作者水平有限，书中难免存在一些不足和错误之处，欢迎广大读者批评指正。刘金琨北京航空航天大学2010年7月30日
再版说明
本书在第2版的基础上主要增加了以下内容：PID控制器的整定、基于微分器的PID控制、基于观测器的PID控制、自抗扰控制器及其PID控制、PD鲁棒自适应控制、自适应模糊补偿PD控制、自适应神经网络补偿PD控制、迭代学习PID控制及其他控制方法的介绍，给出了基于GUI的倒立摆控制动画演示，并针对第2版中的某些错误进行了修改。
作者简介
刘金琨：辽宁人，1965年生。分别于1989年7月、1994年3月和1997年3月获东北大学工学学士、工学硕士和工学博士学位。1997年3月至1998年12月在浙江大学工业控制技术研究所做博士后研究工作。1999年1月至1999年7月在香港科技大学从事合作研究。1999年11月至今在北京航空航天大学自动化学院从事教学与科研工作，现任教授，博士导师。主讲“智能控制”、“工业过程控制”和“系统辨识”等课程。研究方向为控制理论与应用。自从从事研究工作以来，主持国家自然基金等科研项目10余项，以第一作者发表学术论文70余篇。曾出版《智能控制》、《先进PID控制及其MATLAB仿真》、《机器人控制系统的设计与MATLAB仿真》、《滑模变结构控制MATLAB仿真》和《微分器设计与应用——信号滤波与求导》等著作。第1章基本的PID控制自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现PID控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使PID控制更加灵活。数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在机电、冶金、机械、化工等行业中获得了广泛的应用。将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。1.1PID控制原理
在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。模拟PID控制系统原理框图如图1-1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图1-1 模拟PID控制系统原理框图d
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值y(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差
PID的控制规律为
或写成传递函数的形式pID
式中，k——比例系数；T——积分时间常数；T——微分时间常数。
简单来说，PID控制器各校正环节的作用如下。（1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号error(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分II作用的强弱取决于积分时间常数T, T越大，积分作用越弱，反之则越强。（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。1.2连续系统的模拟PID仿真1.2.1 基本的PID控制
以二阶线性传递函数为被控对象，进行模拟PID控pid制。在信号发生器中选择正弦信号，仿真时取k=60,k=1,k=3，输入d指令为y(t)=Asin(2πFt)，其中A=1.0,F=0.20Hz。采用ODE45迭代方法，仿真时间为10s。
仿真之一：连续系统PID的Simulink仿真
PID控制器由Simulink下的工具箱提供。
仿真程序：chap1_1.mdl（见图1-2和图1-3）图1-2 连续系统PID控制Simulink仿真程序
在PID控制器采用Simulink封装的形式，其内部结构如图1-3所示。图1-3 模拟PID控制器
连续系统的模拟PID控制正弦响应结果如图1-4所示。图1-4 连续系统的模拟PID控制正弦响应
仿真之二：连续系统PID的Simulink仿真
在仿真一的基础上，将仿真结果输出到工作空间中，利用M语言作图，仿真结果如图1-5所示。
图1-5 PID控制正弦响应
仿真程序：chap1_2.mdl（见图1-6）
程序中同时采用了传递函数的另一种表达方式，即状态方程的形式，其中。图1-6 连续系统PID控制Simulink仿真程序
作图程序：chap1_2plot.m
仿真之三：采用S函数实现Simulink仿真
仍以二阶线性传递函数为被控对象，进行模拟PID控制。被控对象形式为，其中b在[103,163]范围内随机变化，a在[15,35]范围内随机变化，则被控对象的描述方式可转换为
S函数是Simulink的一项重要功能，采用S函数可实现在Simulink下复杂控制器和复杂被控对象的编程。在仿真一的基础上，利用S函数实现上述对象的表达、控制器的设计及仿真结果的输出。
在S函数中，采用初始化、微分函数和输出函数，即mdlInitializeSizes函数、mdlDerivatives函数和mdlOutputs函数。在初始化中采用sizes结构，选择2个输出，3个输入，3个输入实现了P、I、D三项的输入。S函数嵌入在Simulink程序中。系统初始状态为：x(0)=0, x˙(0)=0。仿真结果如图1-7所示。图1-7 PID控制正弦响应
仿真程序：chap1_3.mdl（见图1-8）图1-8 基于S函数的PID控制Simulink仿真程序
S函数PID控制器程序：chap1_3s.m
S函数被控对象程序：chap1_3plant.m
作图程序：chap1_3plot.m
仿真之四：利用简化S函数，实现仿真三中S函数同样的功能
利用S函数简化形式实现被控对象的表达、控制器的设计及仿真结果的输出。在简化S函数中，flag=0时为S函数初始化，其中sys包括6个参数，第1个参数表示连续系统的阶数，第2个参数表示离散系统的阶数，第3个参数表示S函数的输出个数，第4个参数表示S函数的输入个数，第5个参数表示直接馈通（dirFeedthrough），即输入信号是否在输出端出现的标识，取值为0或1，第6个参数表示模块采样周期的个数，S函数支持多采样周期的系统，x0=[]为系统初始值设定；flag=1时为S函数被控对象微分方程的描述；flag=3时为S函数输出。仿真结果如图1-9所示。图1-9 PID控制正弦响应
仿真程序：chap1_3n.mdl（见图1-10）图1-10 基于简化S函数的Simulink仿真
简化S函数控制器程序：chap1_3ns.m
简化S函数被控对象程序：chap1_3nplant.m
作图程序：chap1_3nplot.m1.2.2 线性时变系统的PID控制
仿真实例
被控对象为
输入指令信号为0.5sin(2πt), J =20+10sin(6πt), K=400+300sin(2πt)。采用PD控制算法进行正弦响应。
仿真之一：采用Simulink模块实现Simulink仿真pp
通过Simulink模块实现不确定对象的表示，取k=10, k=10, pk=10。仿真结果如图1-11所示。
图1-11 正弦响应
仿真程序：chap1_4.mdl（见图1-12和图1-13）
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]