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刘金琨编著 著

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• 算法
• 第四版
• 工程应用

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出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121288463

商品编码：10480294121

出版时间：2016-06-01

先进PID控制MATLAB仿真 作  者:刘金琨 编著 定  价:79.8 出 版 社:电子工业出版社 出版日期:2016年06月01日 页  数:526 装  帧:平装 ISBN:9787121288463 ●第1章基本的PID控制1
●1.1PID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18
●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26
●1.3.6抗积分饱和PID控制算法及仿真31
●1.3.7梯形积分PID控制算法34
●1.3.8变速积分PID算法及仿真34
●1.3.9带滤波器的PID控制仿真38
●1.3.10不完全微分PID控制算法及仿真44
●1.3.11微分先行PID控制算法及仿真48
●1.3.12带死区的PID控制算法及仿真51
●1.3.13基于前馈补偿的PID控制算法及仿真55
●1.3.14步进式PID控制算法及仿真57
●部分目录

内容简介

全书共分17章，包括基本的PID控制、PID控制器的整定、时滞系统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、专家PID控制和模糊PD控制、神经网络PID控制、基于差分进化的PID控制、伺服系统PID控制、迭代学习PID控制、挠性及奇异摄动系统的PD控制、机械手PID控制、飞行器双闭环PD控制、倒立摆系统的控制及GUI动画演示，以及其他控制方法的设计。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。 刘金琨 编著 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》、《优选控制系统设计》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，以靠前作者发表学术论文100余篇。曾出版《智能控制》、《机器人控制系统的设计与Matlab仿真》、《滑模变等

《先进PID控制MATLAB仿真（第4版）》图书简介 一、本书概览与定位 《先进PID控制MATLAB仿真（第4版）》是一本致力于为读者提供全面、深入的PID（比例-积分-微分）控制器理论及其在MATLAB/Simulink环境下的高级仿真应用的专业技术书籍。本书在前三版基础上，结合最新的控制理论发展和工程实践需求，对内容进行了系统性的更新和扩展，旨在帮助读者掌握PID控制器的设计、分析、优化与实际应用的全过程。 本书的目标读者群体广泛，包括但不限于： 高校学生： 自动化、电气工程、机械工程、控制科学与工程等专业的本科生、研究生，以及从事相关领域研究的博士生。本书将为他们提供扎实的理论基础和实用的仿真技能，为学术研究和毕业设计打下坚实基础。 工程技术人员： 在工业自动化、过程控制、机器人、航空航天、电力系统、汽车电子等领域工作的工程师。本书将帮助他们理解和应用先进的PID控制策略，解决实际工程中的控制难题，提升产品性能和系统效率。 科研人员： 从事先进控制理论研究和应用的科研工作者。本书提供的最新研究成果和仿真方法，将为他们的研究提供有益的参考和启发。 PID控制爱好者： 对PID控制技术有浓厚兴趣，希望系统学习并掌握相关知识的自学者。 本书最大的特色在于其“理论与实践并重”的理念。它不仅详尽阐述了PID控制的数学原理、不同变种的优缺点，更重要的是，将这些理论知识与MATLAB/Simulink这一强大的仿真工具紧密结合，通过大量生动、具体的实例，引导读者亲手完成各种PID控制器的设计、仿真与调优过程。本书承诺不包含任何非PID控制理论的内容，例如模糊控制、神经网络控制、模型预测控制等，而是专注于PID控制本身的深化与拓展。 二、内容深度与广度 本书在PID控制理论的深度上进行了细致的挖掘，从最基础的P、PI、PID控制器原理出发，逐步深入到各种高级PID控制策略和优化方法。 1. PID控制器基础理论的再审视与深化： 基本PID控制器原理： 详细阐述比例（P）、积分（I）、微分（D）项的物理意义、作用机制以及它们对系统响应的影响。本书将用清晰的数学推导和直观的图示，帮助读者建立对PID控制器核心概念的深刻理解。 离散化PID控制器： 介绍将连续时间PID控制器转换为离散时间形式的多种方法（如前向欧拉、后向欧拉、Tustin变换等），并分析其精度和适用性。 PID参数整定方法： 全面介绍经典的PID参数整定方法，包括人工调优法（如试凑法）、经验公式法（如齐格勒-尼科尔斯法）、以及更具系统性的优化方法。 2. 先进PID控制策略与改进： 本书的核心在于对PID控制进行“先进”的阐释，这体现在对传统PID的各种改进和拓展上。 抗积分饱和与抗微分饱和： 针对实际系统中常见的积分饱和和微分饱和问题，介绍多种有效的解决方案，如增量式PID、带死区积分、条件积分、微分先行等。 抗干扰PID控制： 探讨如何设计PID控制器以增强系统对外部干扰的鲁棒性，包括结合前馈控制、干扰观测器等思想。 自适应PID控制： 介绍如何使PID控制器参数能够根据系统变化而自动调整，以适应非线性、时变系统。重点讲解基于模型参考自适应控制（MRAC）和自调谐（Self-Tuning）的自适应PID方法。 模糊PID控制： 讲解如何利用模糊逻辑的推理能力来在线调整PID参数，以提高控制器在非线性或参数不确定的情况下的性能。这部分将专门介绍如何设计模糊规则库和隶属度函数。 预测PID控制： 介绍基于简单模型预测思想的PID控制器，如何利用对系统未来行为的短期预测来改善控制效果。 多自由度PID控制器： 讨论如何通过引入前馈通道或改变反馈结构，实现对设定值响应和抗干扰性能的解耦优化。 基于观测器的PID控制： 结合状态观测器（如卡尔曼滤波器、Luenberger观测器）的思想，实现对系统不可测量状态变量的估计，从而更好地设计和应用PID控制器，尤其是在需要利用微分项但难以直接测量导数的情况下。 3. MATLAB/Simulink仿真平台的深度应用： 本书将MATLAB/Simulink作为核心仿真工具，提供详尽的指导。 Simulink模型构建： 详细介绍如何利用Simulink库中的模块搭建各种PID控制系统模型，包括被控对象模型、控制器模型、执行器与传感器模型等。 PID控制器模块的使用： 重点讲解Simulink中内置的PID Controller模块的各种配置选项、调优工具（如PID Tuner），以及如何使用MATLAB脚本对其进行参数化配置和在线调整。 自定义PID模块的开发： 对于书中介绍的先进PID控制策略，将指导读者如何通过MATLAB Function模块或S-function等方式，在Simulink中实现自定义的PID控制器算法。 仿真分析与性能评估： 教授读者如何利用Simulink提供的仿真工具，如Scope、To Workspace、Simulation Data Inspector等，对仿真结果进行可视化和数据分析。介绍常用的性能指标（如超调量、调节时间、稳态误差、积分绝对误差IAE、积分平方误差ISE等），以及如何通过仿真来评估不同PID策略的性能。 参数整定工具箱的应用： 深入介绍MATLAB Control System Toolbox和Simulink Control Design中的PID调优工具，如`pidtune`函数、PID Tuner App等，以及如何利用这些工具实现自动化参数整定。 模型验证与代码生成： 简要介绍如何利用仿真结果对模型进行验证，以及如何为嵌入式系统生成PID控制器的C代码（可选但有价值）。 三、章节结构与学习路径 本书采用逻辑清晰、循序渐进的章节结构，为读者提供一条系统性的学习路径。 第一部分：PID控制基础。 从PID控制的基本原理、数学模型、时域和频域特性入手，为读者建立扎实的理论基础。 第二部分：PID控制器设计与经典整定。 介绍各种经典的PID参数整定方法，以及在MATLAB/Simulink中的实现与仿真验证。 第三部分：先进PID控制策略。 这是本书的核心内容，逐一详细讲解各种改进型PID控制器，包括其理论原理、数学模型、设计步骤和在Simulink中的仿真实现。例如，可能包含“抗积分饱和与抗微分饱和技术”、“自适应PID控制原理与实现”、“模糊PID控制的构建”、“预测PID及其仿真应用”等章节。 第四部分：PID控制系统的仿真与应用。 重点在于如何将所学的PID理论和先进策略应用于具体的仿真场景，并通过丰富的工程实例来展示PID控制的强大能力。这些实例将涵盖不同类型的系统，例如电机速度控制、温度控制、位置控制等。 第五部分：性能优化与鲁棒性分析（可能作为附录或独立章节）。 探讨如何进一步优化PID控制器性能，以及对PID控制器在存在模型不确定性或外部扰动时，进行鲁棒性分析的方法。 四、本书的独特价值与优势 专注与深度： 100%专注于PID控制技术，不混杂其他控制理论，力求将PID控制的理论深度和工程应用广度发挥到极致。 MATLAB/Simulink集成： 将MATLAB/Simulink的仿真应用贯穿始终，提供大量的可运行代码和模型示例，使理论学习与实践操作无缝对接。 最新发展 반영： 及时更新了PID控制领域的最新研究成果和工程实践中的先进技术。 结构化学习： 科学的章节划分和学习路径设计，确保读者能够系统、有效地掌握PID控制知识。 实例丰富： 大量贴近实际工程的仿真案例，帮助读者理解PID控制在解决实际问题中的应用。 实操性强： 读者可以通过跟着书本动手实践，快速提升PID控制系统的仿真设计与调优能力。 五、结语 《先进PID控制MATLAB仿真（第4版）》不仅仅是一本技术手册，更是一本引导读者深入理解和掌握PID控制精髓的实践指南。无论您是希望夯实理论基础的学生，还是致力于解决工程实际问题的工程师，亦或是探索控制理论前沿的研究者，本书都将是您不可或缺的宝贵资源。通过本书的学习，您将能够自信地设计、分析和优化各种PID控制系统，从而在您的专业领域取得更大的成就。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧和印刷质量实在令人印象深刻，厚实的纸张拿在手里就有一种沉甸甸的学术气息。封面设计简约而不失专业感，配色沉稳，很符合技术类书籍的调性。打开书本，字体的排版清晰易读，图表的绘制规范且信息量适中，这对于需要反复查阅和比对公式的读者来说，简直是福音。我尤其欣赏作者在内容组织上的匠心独运，逻辑链条非常紧凑，从基础理论的铺陈到复杂应用的拓展，每一步都衔接得恰到好处，让人感觉作者是真正站在读者的角度，耐心引导我们逐步深入理解核心概念。这种对细节的关注，远超一般教材的水平，体现出编者对知识传递的极致追求。即便是初次接触该领域的新手，也能因为这种良好的阅读体验而保持较高的学习兴趣，不会轻易产生畏难情绪。整个阅读过程，与其说是学习，不如说是一种享受，仿佛作者正握着你的手，带你领略理论之美。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容深度，可以说在同类著作中达到了一个令人惊叹的高度。它不仅仅停留在对经典控制理论的机械重复上，而是真正做到了“融会贯通，推陈出新”。其中对于现代控制理论中一些前沿思想的引入和探讨，尤其令人耳目一新，显示出作者深厚的学术功底和敏锐的洞察力。我印象最深的是关于鲁棒性和最优控制结合的章节，作者没有采用晦涩难懂的数学语言去堆砌证明，而是巧妙地结合了实际工程中的约束条件进行阐述，使得抽象的概念变得鲜活且可操作。这种平衡理论深度与工程实用性的能力，是许多作者难以企及的。读完这部分内容，我感觉自己的知识体系得到了极大的拓宽，对于如何设计出能在真实、不确定环境中稳定运行的控制系统，有了更本质的理解和更坚实的理论支撑。这本书无疑是为那些渴望超越“教科书式”知识、追求卓越性能的工程师和研究人员量身定制的。

评分☆☆☆☆☆

作为一名资深的系统集成工程师，我最看重的是技术资料的“拿来即用”属性，而这本书在这方面表现得尤为突出。它并非高悬于空中的纯理论探讨，而是紧密围绕工程实践中遇到的痛点进行深入剖析和解决方案的构建。书中所提供的案例分析，其复杂度和贴近现实问题的程度，让我感到非常亲切。例如，针对某一特定工业流程中常见的非线性和时间延迟问题，作者不仅分析了传统方法的局限性，还给出了一整套基于最新算法的优化策略，每一步的参数选择和模型建立过程都解释得淋漓尽致。更棒的是，它强调了不同控制策略在实际部署中可能遇到的硬件限制和计算资源瓶颈，这种“接地气”的讨论，是许多学院派著作所缺乏的。这本书真正实现了理论指导实践的价值，极大地提高了我在解决实际工程难题时的效率和信心。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格可谓是行云流水，如同与一位经验丰富的前辈进行深度交流。作者的叙事节奏把握得恰到好处，张弛有度。在介绍关键概念时，笔锋犀利，直击要害，不容许任何模糊地带；而在进行复杂推导或背景介绍时，又不失严谨的铺垫和详尽的解释，让人读起来丝毫不会感到枯燥或吃力。更难得的是，作者在行文中不时穿插一些关于特定控制哲学或设计理念的个人见解，这些观点往往能起到画龙点睛的作用，引导读者进行更深层次的思考，而非仅仅停留在对公式的模仿上。这种富有感染力和启发性的文字魅力，是那种干巴巴、机械式记录知识的书籍所望尘莫及的。它激发了我主动去探索相关领域更多细枝末节的渴望，可以说，它不只是一本教材，更像是一盏指引迷途的灯塔。

评分☆☆☆☆☆

我必须指出，这本书在结构组织和章节间的衔接上，体现了一种高度成熟的学术编排艺术。它不像一些书籍那样，将不同主题割裂开来，而是构建了一个宏大而统一的知识框架。比如，某一章对模糊逻辑的引入，并非孤立存在，而是被巧妙地嵌入到更宏观的自适应控制框架之下进行讨论，使得读者能清晰地看到不同控制范式之间的内在联系与相互借鉴之处。这种“大局观”的展现，对于建立系统化的知识体系至关重要。此外，书中对历史发展脉络的梳理也做得非常到位，让读者明白每一个控制方法的产生并非偶然，而是对前人局限性的有力回应。这种条理清晰、层层递进的叙事结构，保证了阅读的连贯性和知识吸收的效率，真正做到了将复杂的知识体系，以最有效、最易于理解的方式呈现给读者。