店铺公告
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| 书名： | PID控制系统设计——使用MATLAB和Simulink仿真与分析 |
| 出版社： | 清华大学出版社 |
| 出版日期 | 2022 |
| ISBN号： | 9787302612018 |
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| 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）。 |
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| 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. |
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| 本书适合学生、研究者和工业实践者学习PID控制系统的设计和实现；同时涉及无人机PID控制，包括多旋翼无人机的数学模型、无人机的控制策略、无人机PID控制器的自动整定、无人机的增益调度PID控制器和无人机控制系统的闭环性能评估。 |
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| 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ZieglerNichols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
1.4.1IMCPID控制器整定规则
1.4.2PadulaVisioli整定规则
1.4.3WangCluett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
2.2RouthHurwitz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 |
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| PID控制系统是经典控制系统和现代控制系统的基本组成部分。从化工过程控制、机械过程控制、机电过程控制、航空飞行器控制到电气传动控制和功率变换器控制，PID控制已广泛应用于大多数工业场景中。对于控制工程师来说，理解这些控制系统并具备设计和实现它们的能力至关重要。 PID控制器能够持续应用有以下几个关键原因。 (1) 设计和分析简单。控制系统中有3个参数需要选择，工程师很容易理解和调整这些参数。 (2) 实现简单。虽然PID控制系统在连续时间内进行设计和分析，但只在离散时间实施，并对控制信号施加限值。 (3) 电气、机械、航空航天、土木工程等领域的大多数物理系统都可以分解为一阶或二阶系统的组成部分。对于这些一阶和二阶系统，PID控制器以其设计和实现简单而自然成为候选控制器。在化工过程控制中，通常采用一阶延迟模型（delay model）来近似表示复杂系统，并采用PID控制器对其进行控制。 本书适用于各领域希望学习PID控制系统的设计、实施、自整定的学生、教师、工程师。本书从PID控制系统的基础知识开始(见第1章)，介绍各种PID控制结构和PID控制器整定规则。第2章介绍闭环稳定性和性能分析的必要工具，并解释了灵敏度函数在扰动抑制、给定值跟踪和测量噪声衰减方面的作用。第3章介绍PID控制器和谐振控制器的极点配置设计方法，这些控制器可以跟踪正弦给定信号并抑制正弦扰动； 同时介绍前馈补偿，给出大量分析实例和两个MATLAB教程来说明设计细节。第4章讨论如何实时实现PID控制器，包括离散化、积分器饱和问题、抗饱和机制和其他实现问题； 给出一种基于MATLAB的实时PID控制器实现机制。第5章以与前几章不同的角度研究PID控制器和谐振控制器的设计，通过扰动估计介绍积分模式和谐振模式； 对于控制系统的实现，当控制信号达到限值时，基于扰动观测器的方法自然包含了抗饱和机制； 利用MATLAB提供的实时函数实现PID控制器和具有抗饱和机制的谐振控制器。第6章讨论非线性系统的PID控制，包括线性化、板球平衡系统的实例分析和实验验证、增益调度PID控制系统和基于扰动观测器的增益调度控制系统。第7章介绍串级PID控制系统，包括串级控制系统的设计，以及它在抑制扰动和克服执行器非线性方面的作用。第8章由频率响应数据设计复杂系统的PID控制器，其中包括由增益和相位裕度设计PID控制器、由两个频率点及期望的灵敏度函数设计PID控制器； 对于具有性能指标和相应的增益、相位裕度测量的情况推导了积分延迟模型PID控制的经验规则； 给出由两个频率响应点计算PID控制器参数的MATLAB函数。第9章介绍利用继电反馈控制的PID控制器自整定，建立继电反馈控制的MATLAB实时函数，并用于Simulink仿真； 采用傅里叶分析和频率采样滤波器模型这两种不同的方法估计控制对象的频率响应，其中数据由继电反馈控制产生； 如第8章所述，自动调谐器将估计值与频域设计的PID控制器相联系； MATLAB函数给出了估计算法和自动调谐器具体步骤。作为案例研究，第10章将PID控制系统设计和自整定器应用于多旋翼无人机，并进行了实验验证。 本书包含MATLAB/Simulink教程，并支持仿真和实验结果。本书着重介绍控制系统的仿真和实验实现，为Simulink仿真编写的MATLAB实时函数可以转换为C程序代码，用于微控制器，以实现控制系统。每小节给出了一些思考题，其中一些很简单，另一些则需要思考。在每章的最后还给出了一系列问题，可以用来实践控制系统的设计和仿真。 王六平(Liuping Wang) 于澳大利亚墨尔本 |
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