PID控制系统设计：使用MATLAB和Simulink仿真与分析

Liuping Wang 澳大利亚皇家墨尔本理工大学教授，英国谢菲尔德大学控制工程博士。曾任职于加拿大多伦多大学化学工程系（1989一1997年）和澳大利亚纽卡斯尔大学综合控制系统中心（1998一2002年），具有丰富的过程控制经验。长期教授“先进过程控制”课程，在模型预测控制、电力驱动和电力转换器控制系统、系统辨识、PID控制等领域出版4部教材和专著，在国际权威期刊和会议发表论文190余篇。

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ZieglerNichols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

1.4.1IMCPID控制器整定规则

1.4.2PadulaVisioli整定规则

1.4.3WangCluett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

2.2RouthHurwitz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

……

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…

本书分10章，系统论述了PID控制系统的设计、实施和自整定。第1章介绍PID控制系统的基础知识。第2章介绍闭环稳定性和性能分析的必要工具，解释了灵敏度函数在扰动抑制、给定值跟踪和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。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。第5章研究PID控制器和谐振控制器的设计。第6章讨论了非线性系统的PID控制。第7章介绍了串级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。第9章介绍利用继电反馈控制的PID控制器自整定。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。为便于读者理论联系实际，本书包含MATLAB/Simulink教程，并支持仿真和实验结果。为Simulink仿真编写的MATILAB实时函数可以转换为c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，以便深入理解。每章末尾给出了一系列问题，用来实践控制系统的设计和仿真。