PID 控制系統設計 — 使用 MATLAB 和 Simulink 模擬與分析 PID Control System Design and Automatic Tuning using MATLAB/Simulink

本書為學生、研究者和工業實踐者提供了可供選擇的主題，他們希望學習具有操作約束的PID控制系統的設計和實現。這本書由三部分組成。第一部分介紹了PID控制系統的結構、經典的整定規則和基於模型的設計方法。第二部分介紹了作者的先進設計、分析和實現材料，包括基於頻域的設計、帶運算約束和量化誤差的實現、增益調度PID控制、串級PID控制、前饋PID控制等，PID控制的自動整定。在所有的高級設計材料中也會強調處理操作限制。第3部分說明瞭應用程序的設計和實現過程，包括板上球、無人機（四旋翼機控制、固定翼飛機控制）。

 

目錄

 

第1章PID控制基礎

 

1.1引言

 

1.2PID控制器的結構

 

1.2.1比例控制器

 

1.2.2比例微分控制器

 

1.2.3比例積分控制器

 

1.2.4PID控制器

 

1.2.5商用PID控制器結構

 

1.2.6進一步思考

 

1.3PID控制器的經典整定規則

 

1.3.1基於ZieglerNichols振盪的整定規則

 

1.3.2基於一階延遲模型的整定

 

1.3.3進一步思考

 

1.4基於模型的PID控制器的整定規則

 

1.4.1IMCPID控制器整定規則

 

1.4.2PadulaVisioli整定規則

 

1.4.3WangCluett整定規則

 

1.4.4進一步思考

 

1.5整定規則評估示例

 

1.5.1評估整定規則的示例

 

1.5.2火焰加熱器控制示例

 

1.6小結

 

1.7進一步閱讀

 

問題

 

第2章閉環性能和穩定性

 

2.1簡介

 

2.2RouthHurwitz穩定性判據

 

2.2.1閉環極點的確定

 

2.2.2穩定性判據

 

2.2.3進一步思考

 

2.3奈奎斯特穩定性判據

 

2.3.1奈奎斯特圖

 

2.3.2基於整定規則的PID控制器修改

 

2.3.3進一步思考

 

2.4控制系統結構和靈敏度函數

 

2.4.1一自由度控制系統結構

 

2.4.2二自由度設計

 

2.4.3反饋控制中的靈敏度函數

 

2.4.4進一步思考

 

2.5給定值跟蹤和擾動抑制

 

2.5.1閉環帶寬

 

2.5.2PID控制器的給定值跟蹤與擾動抑制

 

2.5.3基於諧振控制器的給定值跟蹤與擾動抑制

 

2.5.4進一步思考

 

2.6擾動抑制和噪聲衰減

 

2.6.1擾動抑制與噪聲衰減的矛盾

 

2.6.2擾動抑制與噪聲衰減PID控制器

 

2.6.3進一步思考

 

2.7魯棒穩定性和魯棒性能

 

2.7.1模型誤差

 

2.7.2魯棒穩定性

 

2.7.3案例研究： 聚合物反應器的魯棒控制

 

2.7.4進一步思考

 

2.8小結

 

2.9進一步閱讀

 

問題

 

第3章基於模型的PID和諧振控制器設計

 

3.1引言

 

3.2PI控制器設計

 

3.2.1期望閉環性能指標

 

3.2.2模型和控制器結構

 

3.2.3不同結構的閉環傳遞函數

 

3.2.4進一步思考

 

3.3PID控制器的經典整定規則

 

3.3.1PD控制器設計

 

3.3.2存在零極點對消的理想PID分析實例

 

3.3.3帶濾波器的PID控制器分析實例

 

3.3.4無零極點對消的PID控制器設計

 

3.3.5求解帶濾波器PID控制器的MATLAB教程

 

3.3.6進一步思考

 

3.4諧振控制器設計

 

3.4.1諧振控制器設計

 

3.4.2穩態誤差分析

 

3.4.3諧振控制器設計中的零極點對消

 

3.4.4進一步思考

 

3.5前饋控制

 

3.5.1前饋控制的基本思想

 

3.5.2三彈簧雙質塊系統

 

3.5.3進一步思考

 

3.6小結

 

3.7進一步閱讀

 

問題

 

第4章PID控制器的實現

 

4.1引言

 

4.2PID控制器應用方案

 

4.3位置式PID控制器實現

 

4.3.1穩態信息

 

4.3.2PID控制器的離散化

 

4.3.3進一步思考

 

4.4速度式PID控制器的實現

 

4.4.1PI控制器的離散化

 

4.4.2速度式PID控制器的離散化

 

4.4.3低採樣頻率下的精度提升

 

4.4.4進一步思考

 

4.5位置形式的抗飽和實現

 

4.5.1積分器飽和情況

 

4.5.2位置式PI控制器的抗飽和機制

 

4.5.3進一步思考

 

4.6速度形式的抗飽和機制

 

4.6.1控制信號幅值的抗飽和機制

 

4.6.2控制信號變化率限制

 

4.6.3進一步思考

 

4.7PID抗飽和實現教程

 

4.8其他問題的處理

 

4.8.1控制對象的啟動

 

4.8.2PID控制器實現中量化誤差的處理

 

4.9小結

 

4.10進一步閱讀

 

問題

 

第5章基於擾動觀測器的PID和諧振控制器

 

5.1引言

 

5.2基於擾動觀測器的PI控制器

 

5.2.1帶有控制的擾動估計

 

5.2.2PI控制器的等價

 

5.2.3通過估計實現PI控制器的MATLAB教程

 

5.2.4基於估計器的PI控制器示例

 

5.2.5進一步思考

 

5.3基於擾動觀測器的PID控制器

 

5.3.1比例微分控制

 

5.3.2增加積分作用

 

5.3.3PID控制器的等價

 

5.3.4基於擾動觀測器的PID控制器實現的MATLAB教程

 

5.3.5基於擾動觀測器的PID控制器示例

 

5.3.6進一步思考

 

5.4基於擾動觀測器的諧振控制器

 

5.4.1諧振控制器設計

 

5.4.2諧振控制器的實現

 

5.4.3諧振控制器的等價

 

5.4.4基於擾動觀測器的諧振控制器實現的MATLAB教程

 

5.4.5基於擾動觀測器的諧振控制器示例

 

5.4.6進一步思考

 

5.5多頻諧振控制器

 

5.5.1在諧振控制器中加入積分作用

 

5.5.2增加更多周期分量

 

5.5.3進一步思考

 

5.6小結

 

5.7進一步閱讀

 

問題

 

第6章非線性系統的PID控制

 

6.1引言

 

6.2非線性模型的線性化

 

6.2.1非線性函數的近似

 

6.2.2非線性微分方程的線性化

 

6.2.3案例研究： 耦合水箱模型的線性化

 

6.2.4案例研究： 感應電動機模型的線性化

 

6.2.5進一步思考

 

6.3案例研究: 板球平衡系統

 

6.3.1板球平衡系統的動態特性

 

6.3.2非線性模型的線性化

 

6.3.3PID控制器設計

 

6.3.4實現與實驗結果

 

6.3.5進一步思考

 

6.4增益調度的PID控制系統

 

6.4.1權重參數

 

6.4.2由PID速度形式實現增益調度

 

6.4.3使用基於估計器的PID控制器實現增益調度

 

6.4.4進一步思考

 

6.5小結

 

6.6進一步閱讀

 

問題

 

第7章串級PID控制系統

 

7.1引言

 

7.2串級PID控制系統的設計

 

7.2.1串級PID控制系統的設計步驟

 

7.2.3簡單的設計舉例

 

7.2.3在串級結構中實現閉環性能不變性(近似)

 

7.2.4進一步思考

 

7.3輸入擾動抑制的串級控制系統

 

7.3.1擾動抑制的頻率特性

 

7.3.2模擬研究

 

7.3.3進一步思考

 

7.4執行器非線性的串級控制系統

 

7.4.1帶死區的執行器串級控制

 

7.4.2執行器存在量化誤差的串級控制

 

7.4.3執行器存在間隙非線性的串級控制

 

7.4.4進一步思考

 

7.5小結

 

7.6進一步閱讀

 

問題

 

第8章復雜系統的PID控制器設計

 

8.1引言

 

8.2基於增益和相位裕度的PI控制器設計

 

8.2.1基於增益裕度和相位裕度指標的PI控制器設計

 

8.2.2設計示例

 

8.2.3進一步思考

 

8.3基於兩個頻率點的PID控制器設計

 

8.3.1PID控制器參數的求解

 

8.3.2使用兩個頻率點的期望閉環性能指標

 

8.3.3設計示例

 

8.3.4由兩個頻率點設計PID控制器的MATLAB教程

 

8.3.5啤酒過濾過程的PID控制器設計

 

8.3.6進一步思考

 

8.4積分系統的PID控制器設計

 

8.4.1近似模型

 

8.4.2期望閉環性能的選擇

 

8.4.3參數的歸一化和經驗規則

 

8.4.4增益和相位裕度

 

8.4.5模擬示例

 

8.4.6進一步思考

 

8.5小結

 

8.6進一步閱讀

 

問題

 

 

第9章PID控制器的自整定

 

9.1引言

 

9.2繼電反饋控制

 

9.2.1帶滯環的繼電控制

 

9.2.2帶積分器的繼電控制

 

9.2.3進一步思考

 

9.3採用快速傅里葉變換估算頻率響應

 

9.3.1FFT估算

 

9.3.2使用FFT進行估計的MATLAB教程

 

9.3.3蒙特卡羅模擬研究

 

9.3.4進一步思考

 

9.4使用頻率採樣濾波器估計頻率響應

 

9.4.1頻率採樣濾波器模型

 

9.4.2使用FSF模型進行估計的MATLAB教程

 

9.4.3利用FSF估計的蒙特卡羅模擬

 

9.4.4進一步思考

 

9.5蒙特卡羅模擬研究

 

9.5.1未知恆值擾動的影響

 

9.5.2未知低頻擾動的影響

 

9.5.3穩態值的估計

 

9.5.4進一步思考

 

9.6穩定控制對象的自動調諧器設計

 

9.6.1用於穩定控制對象的自動調諧器的MATLAB教程

 

9.6.2穩定控制對象自動調諧器的評估

 

9.6.3比較研究

 

9.6.4進一步思考

 

9.7積分控制對象自動調諧器的設計

 

9.7.1積分延遲模型的估計

 

9.7.2積分系統的自動調諧器

 

9.7.3串級控制系統的自整定

 

9.7.4進一步思考

 

9.8小結

 

9.9進一步閱讀

 

問題

 

第10章多旋翼無人機的PID控制

 

10.1介紹

 

10.2多旋翼動力學模型

 

10.2.1姿態控制的動力學模型

 

10.2.2四旋翼無人機驅動器動力學特性

 

10.2.3六旋翼飛行器驅動器動力學模型

 

10.2.4進一步思考

 

10.3多旋翼無人機的串級姿態控制

 

10.3.1副控制對象的線性化模型

 

10.3.2主控制對象的線性化模型

 

10.3.3進一步思考

 

10.4姿態控制系統的自整定

 

10.4.1多旋翼無人機串級PI控制器自整定試驗台

 

10.4.2四旋翼無人機的實驗結果

 

10.4.3六旋翼飛行器的實驗結果

 

10.4.4進一步思考

 

10.5小結

 

10.6進一步閱讀

 

問題

 

思考題參考答案

 

參考文獻