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內容簡介

全書共分17章，包括基本的PID控製、PID控製器的整定、時滯係統PID控製、基於微分器的PID控製、基於觀測器的PID控製、自抗擾控製器及其PID控製、PD魯棒自適應控製、專傢PID控製和模糊PD控製、神經網絡PID控製、基於差分進化的PID控製、伺服係統PID控製、迭代學習PID控製、撓性及奇異攝動係統的PD控製、機械手PID控製、飛行器雙閉環PD控製、倒立擺係統的控製及GUI動畫演示，以及其他控製方法的設計。每種方法都給齣瞭算法推導、實例分析和相應的MATLAB仿真設計程序。

作者簡介

　　　　劉金琨 遼寜人，1965年生。分彆於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製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閤作研究。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《智能控製》、《先進控製係統設計》和《係統辨識》等課程。研究方嚮為控製理論與應用。自從從事研究工作以來，主持國傢自然基金等科研項目10餘項，以*一作者發錶學術論文100餘篇。曾齣版《智能控製》、《機器人控製係統的設計與Matlab仿真》、《滑模變結構控製Matlab仿真》、《RBF神經網絡自適應控製Matlab仿真》、《係統辨識》和《微分器設計與應用—信號濾波與求導》等著作。

目錄

,第1章 基本的PID控製 1
1．1 PID控製原理 1
1．2 連續係統的模擬PID仿真 2
1．2．1 基本的PID控製 2
1．2．2 綫性時變係統的PID控製 8
1．3 數字PID控製 12
1．3．1 位置式PID控製算法 12
1．3．2 連續係統的數字PID控製仿真 13
1．3．3 離散係統的數字PID控製仿真 18
1．3．4 增量式PID控製算法及仿真 25
1．3．5 積分分離PID控製算法及仿真 26
1．3．6 抗積分飽和PID控製算法及仿真 31
1．3．7 梯形積分PID控製算法 34
1．3．8 變速積分PID算法及仿真 34
1．3．9 帶濾波器的PID控製仿真 38
1．3．10 不完全微分PID控製算法及仿真 44
1．3．11 微分先行PID控製算法及仿真 48
1．3．12 帶死區的PID控製算法及仿真 51
1．3．13 基於前饋補償的PID控製算法及仿真 55
1．3．14 步進式PID控製算法及仿真 57
1．3．15 PID控製的方波響應 60
1．3．16 基於卡爾曼濾波器的PID控製 62
1．4 S函數介紹 71
1．4．1 S函數簡介 71
1．4．2 S函數使用步驟 72
1．4．3 S函數的基本功能及重要參數設定 72
1．4．4 實例說明 72
1．5 PID研究新進展 73
參考文獻 73
第2章 PID控製器的整定 75
2．1 概述 75
2．2 基於響應麯綫法的PID整定 75
2．2．1 基本原理 75
2．2．2 仿真實例 76
2．3 基於Ziegler-Nichols的頻域響應PID整定 79
2．3．1 連續Ziegler-Nichols方法的PID整定 79
2．3．2 仿真實例 80
2．3．3 離散Ziegler-Nichols方法的PID整定 83
2．3．4 仿真實例 83
2．4 基於頻域分析的PD整定 87
2．4．1 基本原理 87
2．4．2 仿真實例 87
2．5 基於相位裕度整定的PI控製 89
2．5．1 基本原理 89
2．5．2 仿真實例 92
2．6 基於極點配置的穩定PD控製 94
2．6．1 基本原理 94
2．6．2 仿真實例 95
2．7 基於臨界比例度法的PID整定 97
2．7．1 基本原理 97
2．7．2 仿真實例 98
2．8 一類非綫性整定的PID控製 100
2．8．1 基本原理 100
2．8．2 仿真實例 102
2．9 基於優化函數的PID整定 104
2．9．1 基本原理 104
2．9．2 仿真實例 104
2．10 基於NCD優化的PID整定 106
2．10．1 基本原理 106
2．10．2 仿真實例 106
2．11 基於NCD與優化函數結閤的PID整定 109
2．11．1 基本原理 109
2．11．2 仿真實例 110
2．12 傳遞函數的頻域測試 111
2．12．1 基本原理 111
2．12．2 仿真實例 112
參考文獻 115
第3章 時滯係統的PID控製 116
3．1 單迴路PID控製係統 116
3．2 串級PID控製 116
3．2．1 串級PID控製原理 116
3．2．2 仿真實例 117
3．3 純滯後係統的大林控製算法 121
3．3．1 大林控製算法原理 121
3．3．2 仿真實例 121
3．4 純滯後係統的Smith控製算法 123
3．4．1 連續Smith預估控製 123
3．4．2 仿真實例 125
3．4．3 數字Smith預估控製 127
3．4．4 仿真實例 128
參考文獻 133
第4章 基於微分器的PID控製 134
4．1 基於全程快速微分器的PD控製 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控製 143
4．2．1 Levant微分器 143
4．2．2 仿真實例 144
參考文獻 155
第5章 基於觀測器的PID控製 156
5．1 基於慢乾擾觀測器補償的PID控製 156
5．1．1 係統描述 156
5．1．2 觀測器設計 156
5．1．3 仿真實例 157
5．2 基於指數收斂乾擾觀測器的PID控製 162
5．2．1 係統描述 163
5．2．2 指數收斂乾擾觀測器的問題提齣 163
5．2．3 指數收斂乾擾觀測器的設計 163
5．2．4 PID控製器的設計及分析 164
5．2．5 仿真實例 164
5．3 基於名義模型乾擾觀測器的PID控製 171
5．3．1 乾擾觀測器基本原理 171
5．3．2 乾擾觀測器的性能分析 172
5．3．3 乾擾觀測器魯棒穩定性 173
5．3．4 低通濾波器Q(s)的設計 175
5．3．5 仿真實例 176
5．4 基於擴張觀測器的PID控製 181
5．4．1 擴張觀測器的設計 181
5．4．2 擴張觀測器的分析 181
5．4．3 仿真實例 184
5．5 基於輸齣延遲觀測器的PID控製 198
5．5．1 係統描述 198
5．5．2 輸齣延遲觀測器的設計 198
5．5．3 仿真實例 199
參考文獻 208
第6章 自抗擾控製器及其PID控製 209
6．1 非綫性跟蹤微分器 209
6．1．1 微分器描述 209
6．1．2 仿真實例 209
6．2 安排過渡過程及PID控製 214
6．2．1 安排過渡過程 214
6．2．2 仿真實例 214
6．3 基於非綫性擴張觀測器的PID控製 220
6．3．1 係統描述 220
6．3．2 非綫性擴張觀測器 220
6．3．3 仿真實例 221
6．4 非綫性PID控製 233
6．4．1 非綫性PID控製算法 233
6．4．2 仿真實例 234
6．5 自抗擾控製 236
6．5．1 自抗擾控製結構 236
6．5．2 仿真實例 237
參考文獻 246
第7章 PD魯棒自適應控製 247
7．1 穩定的PD控製算法 247
7．1．1 問題的提齣 247
7．1．2 PD控製律的設計 247
7．1．3 仿真實例 248
7．2 基於模型的PI魯棒控製 251
7．2．1 問題的提齣 251
7．2．2 PD控製律的設計 251
7．2．3 穩定性分析 252
7．2．4 仿真實例 252
7．3 基於名義模型的機械手PI魯棒控製 256
7．3．1 問題的提齣 256
7．3．2 魯棒控製律的設計 257
7．3．3 穩定性分析 257
7．3．4 仿真實例 258
7．4 基於Anti-windup的PID控製 266
7．4．1 Anti-windup基本原理 266
7．4．2 基於Anti-windup的PID控製 266
7．4．3 仿真實例 267
7．5 基於PD增益自適應調節的模型參考自適應控製 271
7．5．1 問題描述 271
7．5．2 控製律的設計與分析 271
7．5．3 仿真實例 272
參考文獻 280
第8章 模糊PD控製和專傢PID控製 281
8．1 倒立擺穩定的PD控製 281
8．1．1 係統描述 281
8．1．2 控製律設計 281
8．1．3 仿真實例 282
8．2 基於自適應模糊補償的倒立擺PD控製 285
8．2．1 問題描述 285
8．2．2 自適應模糊控製器設計與分析 286
8．2．3 穩定性分析 287
8．2．4 仿真實例 288
8．3 基於模糊規則錶的模糊PD控製 295
8．3．1 基本原理 295
8．3．2 仿真實例 296
8．4 模糊自適應整定PID控製 299
8．4．1 模糊自適應整定PID控製原理 299
8．4．2 仿真實例 301
8．5 專傢PID控製 307
8．5．1 專傢PID控製原理 307
8．5．2 仿真實例 308
參考文獻 310
第9章 神經網絡PID控製 311
9．1 基於單神經元網絡的PID智能控製 311
9．1．1 幾種典型的學習規則 311
9．1．2 單神經元自適應PID控製 311
9．1．3 改進的單神經元自適應PID控製 312
9．1．4 仿真實例 313
9．2 基於二次型性能指標學習算法的單神經元自適應PID控製 316
9．2．1 控製律的設計 316
9．2．2 仿真實例 317
9．3 基於自適應神經網絡補償的PD控製 320
9．3．1 問題描述 320
9．3．2 自適應神經網絡設計與分析 321
9．3．3 仿真實例 323
參考文獻 328
第10章 基於差分進化的PID控製 329
10．1 差分進化算法的基本原理 329
10．1．1 差分進化算法的提齣 329
10．1．2 標準差分進化算法 329
10．1．3 差分進化算法的基本流程 330
10．1．4 差分進化算法的參數設置 331
10．2 基於差分進化算法的函數優化 332
10．3 基於差分進化整定的PD控製 335
10．3．1 基本原理 336
10．3．2 基於差分進化的PD整定 336
10．4 基於摩擦模型辨識和補償的PD控製 340
10．4．1 摩擦模型的在綫參數辨識 340
10．4．2 仿真實例 341
10．5 基於最優軌跡規劃的PID控製 345
10．5．1 問題的提齣 345
10．5．2 一個簡單的樣條插值實例 345
10．5．3 最優軌跡的設計 347
10．5．4 最優軌跡的優化 347
10．5．5 仿真實例 348
參考文獻 354
第11章 伺服係統PID控製 355
11．1 基於Lugre摩擦模型的PID控製 355
11．1．1 伺服係統的摩擦現象 355
11．1．2 伺服係統的LuGre摩擦模型 355
11．1．3 仿真實例 356
11．2 基於Stribeck摩擦模型的PID控製 358
11．2．1 Stribeck摩擦模型描述 358
11．2．2 一個典型伺服係統描述 359
11．2．3 仿真實例 359
11．3 伺服係統三環的PID控製 367
11．3．1 伺服係統三環的PID控製原理 367
11．3．2 仿真實例 368
11．4 二質量伺服係統的PID控製 371
11．4．1 二質量伺服係統的PID控製原理 371
11．4．2 仿真實例 372
11．5 伺服係統的模擬PD+數字前饋控製 375
11．5．1 伺服係統的模擬PD+數字前饋控製原理 375
11．5．2 仿真實例 376
參考文獻 377
第12章 迭代學習PID控製 378
12．1 迭代學習控製方法介紹 378
12．2 迭代學習控製基本原理 378
12．3 基本的迭代學習控製算法 379
12．4 基於PID型的迭代學習控製 379
12．4．1 係統描述 379
12．4．2 控製器設計 379
12．4．3 仿真實例 380
參考文獻 385
第13章 撓性及奇異攝動係統的PD控製 386
13．1 基於輸入成型的撓性機械係統PD控製 386
13．1．1 係統描述 386
13．1．2 控製器設計 386
13．1．3 輸入成型器基本原理 386
13．1．4 仿真實例 388
13．2 基於奇異攝動理論的P控製 393
13．2．1 問題描述 394
13．2．2 模型分解 394
13．2．3 控製律設計 394
13．2．4 仿真實例 395
13．3 柔性機械臂的偏微分方程動力學建模 398
13．3．1 柔性機械臂的控製問題 398
13．3．2 柔性機械臂的偏微分方程建模 398
13．4 柔性機械臂分布式參數邊界控製 402
13．4．1 模型描述 402
13．4．2 邊界PD控製律設計 403
13．4．3 仿真實例 405
參考文獻 412
第14章 機械手PID控製 413
14．1 機械手獨立PD控製 413
14．1．1 控製律設計 413
14．1．2 收斂性分析 413
14．1．3 仿真實例 413
14．2 工作空間中機械手末端軌跡PD控製 417
14．2．1 工作空間直角坐標與關節角位置的轉換 418
14．2．2 機械手在工作空間的建模 419
14．2．3 PD控製器的設計 419
14．2．4 仿真實例 420
14．3 工作空間中機械手末端的阻抗PD控製 426
14．3．1 問題的提齣 426
14．3．2 阻抗模型的建立 427
14．3．3 控製器的設計 428
14．3．4 仿真實例 428
14．4 移動機器人的P+前饋控製 438
14．4．1 移動機器人運動學模型 439
14．4．2 位置控製律設計 439
14．4．3 姿態控製律設計 440
14．4．4 閉環係統的設計關鍵 441
14．4．5 仿真實例 441
參考文獻 448
第15章 飛行器雙閉環PD控製 450
15．1 基於雙環設計的VTOL飛行器軌跡跟蹤PD控製 450
15．1．1 VTOL模型描述 450
15．1．2 針對第一個子係統的控製 451
15．1．3 針對第二個子係統的控製 452
15．1．4 仿真實例 452
15．2 基於內外環的四鏇翼飛行器的PD控製 459
15．2．1 四鏇翼飛行器動力學模型 459
15．2．2 位置控製律設計 460
15．2．3 虛擬姿態角度的求解 461
15．2．4 姿態控製律設計 462
15．2．5 閉環係統的設計關鍵 463
15．2．6 仿真實例 464
參考文獻 473
第16章 小車倒立擺係統的控製及GUI動畫演示 474
16．1 小車倒立擺的H∞控製 474
16．1．1 係統描述 474
16．1．2 H∞控製器要求 475
16．1．3 基於Riccati方程的H∞控製 475
16．1．4 LMI及其MATLAB求解 476
16．1．5 基於LMI的H∞控製 477
16．1．6 仿真實例 477
16．2 單級倒立擺控製係統的GUI動畫演示 485
16．2．1 GUI介紹 485
16．2．2 演示程序的構成 485
16．2．3 主程序的實現 485
16．2．4 演示界麵的GUI設計 486
16．2．5 演示步驟 486
參考文獻 488
第17章 其他控製方法的設計與仿真 489
17．1 單級倒立擺建模 489
17．2 倒立擺PD控製 490
17．2．1 係統描述 490
17．2．2 仿真實例 491
17．3 小車倒立擺的全狀態反饋控製 494
17．3．1 係統描述 494
17．3．2 全狀態反饋控製 494
17．3．3 仿真實例 495
17．4 輸入/輸齣反饋綫性化 503
17．4．1 係統描述 503
17．4．2 控製律設計 503
17．4．3 仿真實例 504
17．5 倒立擺反演控製 507
17．5．1 係統描述 508
17．5．2 控製律設計 508
17．5．3 仿真實例 509
17．6 倒立擺滑模控製 512
17．6．1 問題描述 512
17．6．2 控製律設計 512
17．6．3 仿真實例 513
17．7 自適應魯棒滑模控製 518
17．7．1 問題的提齣 518
17．7．2 自適應控製律的設計 518
17．7．3 仿真實例 519
參考文獻 526

前言/序言

前 言

PID控製是最早發展起來的控製策略之一，由於其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用於過程控製和運動控製中，尤其適用於可建立精確數學模型的確定性控製係統。然而實際工業生産過程往往具有非綫性、時變不確定性，難以建立精確的數學模型，應用常規PID控製器不能達到理想的控製效果，而且在實際生産現場中，由於受到參數整定方法繁雜的睏擾，常規PID控製器參數往往整定不良、性能欠佳，對運行工況的適應性很差。

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