先进PID控制MATLAB仿真（第3版）.pdf

电子工程技术丛书 先进 PID 控制 MATLAB 仿真 （第 3 版）刘金琨 编著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书系统地介绍了 PID 控制的几种设计方法，是作者多年来从事控制系统教学和科研工作的结晶，同时融入了国内外同行近年来所取得的最新成果。全书共分 14 章，包括基本的 PID 控制、PID 控制器的整定、时滞系统的 PID 控制、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、模糊 PD 控制和专家 PID控制、神经 PID 控制、基于遗传算法整定的 PID 控制、伺服系统 PID 控制、迭代学习 PID 控制其他控制方法的设计与仿真，以及 PID 实时控制的 C+语言设计及应用。每种方法都给出了算法推导、实例分析和相应的 MATLAB 仿真设计程序。本书各部分内容既相互联系又相互独立，读者可根据自己的需要选择学习。本书适用于从事生产过程自动化、计算机应用、机械电子和电气自动化领域工作的工程技术人员阅读，也可作为大专院校工业自动化、自动控制、机械电子、自动化仪表、计算机应用等专业的教学参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 先进 PID 控制 MATLAB 仿真/刘金琨编著.3 版.北京：电子工业出版社，2011.3（电子工程技术丛书）ISBN 978-7-121-13049-6.先 .刘 .PID 控制计算机辅助计算软件包，MATLAB.TP273TP391.75 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2011）第 039369 号 策划编辑：赵丽松 责任编辑：李雪梅 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：30 字数：768 千字 印 次：2011 年 3 月第 1 次印刷 印 数：4 000 册 定价：59.80 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。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。VII目 录 第 1 章 基本的 PID 控制.1 1.1 PID 控制原理.1 1.2 连续系统的模拟 PID 仿真.2 1.2.1 基本的 PID 控制.2 1.2.2 线性时变系统的 PID 控制.8 1.3 数字 PID 控制.12 1.3.1 位置式 PID 控制算法.12 1.3.2 连续系统的数字 PID 控制仿真.13 1.3.3 离散系统的数字 PID 控制仿真.19 1.3.4 增量式 PID 控制算法及仿真.25 1.3.5 积分分离 PID 控制算法及仿真.27 1.3.6 抗积分饱和 PID 控制算法及仿真.32 1.3.7 梯形积分 PID 控制算法.35 1.3.8 变速积分 PID 算法及仿真.35 1.3.9 带滤波器的 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 带死区的 PID 控制算法及仿真.52 1.3.13 基于前馈补偿的 PID 控制算法及仿真.56 1.3.14 步进式 PID 控制算法及仿真.59 1.3.15 PID 控制的方波响应.61 1.3.16 基于卡尔曼滤波器的 PID 控制.64 1.4 S 函数介绍.73 1.4.1 S 函数简介.73 1.4.2 S 函数使用步骤.73 1.4.3 S 函数的基本功能及重要参数设定.73 1.4.4 实例说明.74 1.5 PID 研究新进展.74 第 2 章 PID 控制器的整定.76 2.1 概述.76 2.2 基于响应曲线法的 PID 整定.76 2.2.1 基本原理.76 2.2.2 仿真实例.77 2.3 基于 Ziegler-Nichols 的频域响应 PID 整定.81 2.3.1 连续 Ziegler-Nichols 方法的 PID 整定.81 VIII 2.3.2 仿真实例.81 2.3.3 离散 Ziegler-Nichols 方法的 PID 整定.84 2.3.4 仿真实例.84 2.4 基于频域分析的 PD 整定.88 2.4.1 基本原理.88 2.4.2 仿真实例.88 2.5 基于相位裕度整定的 PI 控制.91 2.5.1 基本原理.91 2.5.2 仿真实例.94 2.6 基于极点配置的稳定 PD 控制.95 2.6.1 基本原理.95 2.6.2 仿真实例.96 2.7 基于临界比例度法的 PID 整定.98 2.7.1 基本原理.98 2.7.2 仿真实例.99 2.8 一类非线性整定的 PID 控制.101 2.8.1 基本原理.101 2.8.2 仿真实例.103 2.9 基于优化函数的 PID 整定.105 2.9.1 基本原理.105 2.9.2 仿真实例.105 2.10 基于 NCD 优化的 PID 整定.107 2.10.1 基本原理.107 2.10.2 仿真实例.107 2.11 基于 NCD 与优化函数结合的 PID 整定.111 2.11.1 基本原理.111 2.11.2 仿真实例.111 2.12 传递函数的频域测试.113 2.12.1 基本原理.113 2.12.2 仿真实例.114 第 3 章 时滞系统的 PID 控制.117 3.1 单回路 PID 控制系统.117 3.2 串级 PID 控制.117 3.2.1 串级 PID 控制原理.11