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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

1.3.15 PID控制的方波响应60

1.3.16 基于卡尔曼滤波器的PID控制62

1.4 S函数介绍71

1.4.1 S函数简介71

1.4.2 S函数使用步骤72

1.4.3 S函数的基本功能及重要参数设定72

1.4.4 实例说明72

1.5 PID研究新进展73

参考文献73

第2章 PID控制器的整定75

2.1 概述75

2.2 基于响应曲线法的PID整定75

2.2.1 基本原理75

2.2.2 仿真实例76

2.3 基于Ziegler-Nichols的频域响应PID整定79

2.3.1 连续Ziegler-Nichols方法的PID整定79

2.3.2 仿真实例80

2.3.3 离散Ziegler-Nichols方法的PID整定83

2.3.4 仿真实例83

2.4 基于频域分析的PD整定87

2.4.1 基本原理87

2.4.2 仿真实例87

2.5 基于相位裕度整定的PI控制89

2.5.1 基本原理89

2.5.2 仿真实例92

2.6 基于极点配置的稳定PD控制94

2.6.1 基本原理94

2.6.2 仿真实例95

2.7 基于临界比例度法的PID整定97

2.7.1 基本原理97

2.7.2 仿真实例98

2.8 一类非线性整定的PID控制100

2.8.1 基本原理100

2.8.2 仿真实例102

2.9 基于优化函数的PID整定104

2.9.1 基本原理104

2.9.2 仿真实例104

2.10 基于NCD优化的PID整定106

2.10.1 基本原理106

2.10.2 仿真实例106

2.11 基于NCD与优化函数结合的PID整定109

2.11.1 基本原理109

2.11.2 仿真实例110

2.12 传递函数的频域测试111

2.12.1 基本原理111

2.12.2 仿真实例112

参考文献115

第3章 时滞系统的PID控制116

3.1 单回路PID控制系统116

3.2 串级PID控制116

3.2.1 串级PID控制原理116

3.2.2 仿真实例117

3.3 纯滞后系统的大林控制算法121

3.3.1 大林控制算法原理121

3.3.2 仿真实例121

3.4 纯滞后系统的Smith控制算法123

3.4.1 连续Smith预估控制123

3.4.2 仿真实例125

3.4.3 数字Smith预估控制127

3.4.4 仿真实例128

参考文献133

第4章 基于微分器的PID控制134

4.1 基于全程快速微分器的PD控制134

4.1.1 全程快速微分器134

4.1.2 仿真实例134

4.2 基于Levant微分器的PID控制143

4.2.1 Levant微分器143

4.2.2 仿真实例144

参考文献155

第5章 基于观测器的PID控制156

5.1 基于慢干扰观测器补偿的PID控制156

5.1.1 系统描述156

5.1.2 观测器设计156

5.1.3 仿真实例157

5.2 基于指数收敛干扰观测器的PID控制162

5.2.1 系统描述163

5.2.2 指数收敛干扰观测器的问题提出163

5.2.3 指数收敛干扰观测器的设计163

5.2.4 PID控制器的设计及分析164

5.2.5 仿真实例164

5.3 基于名义模型干扰观测器的PID控制171

5.3.1 干扰观测器基本原理171

5.3.2 干扰观测器的性能分析172

5.3.3 干扰观测器鲁棒稳定性173

5.3.4 低通滤波器Q（s）的设计175

5.3.5 仿真实例176

5.4 基于扩张观测器的PID控制181

5.4.1 扩张观测器的设计181

5.4.2 扩张观测器的分析181

5.4.3 仿真实例184

5.5 基于输出延迟观测器的PID控制198

5.5.1 系统描述198

5.5.2 输出延迟观测器的设计198

5.5.3 仿真实例199

参考文献208

第6章 自抗扰控制器及其PID控制209

6.1 非线性跟踪微分器209

6.1.1 微分器描述209

6.1.2 仿真实例209

6.2 安排过渡过程及PID控制214

6.2.1 安排过渡过程214

6.2.2 仿真实例214

6.3 基于非线性扩张观测器的PID控制220

6.3.1 系统描述220

6.3.2 非线性扩张观测器220

6.3.3 仿真实例221

6.4 非线性PID控制233

6.4.1 非线性PID控制算法233

6.4.2 仿真实例234

6.5 自抗扰控制236

6.5.1 自抗扰控制结构236

6.5.2 仿真实例237

参考文献246

第7章 PD鲁棒自适应控制247

7.1 稳定的PD控制算法247

7.1.1 问题的提出247

7.1.2 PD控制律的设计247

7.1.3 仿真实例248

7.2 基于模型的PI鲁棒控制251

7.2.1 问题的提出251

7.2.2 PD控制律的设计251

7.2.3 稳定性分析252

7.2.4 仿真实例252

7.3 基于名义模型的机械手PI鲁棒控制256

7.3.1 问题的提出256

7.3.2 鲁棒控制律的设计257

7.3.3 稳定性分析257

7.3.4 仿真实例258

7.4 基于Anti-windup的PID控制266

7.4.1 Anti-windup基本原理266

7.4.2 基于Anti-windup的PID控制266

7.4.3 仿真实例267

7.5 基于PD增益自适应调节的模型参考自适应控制271

7.5.1 问题描述271

7.5.2 控制律的设计与分析271

7.5.3 仿真实例272

参考文献280

第8章 模糊PD控制和专家PID控制281

8.1 倒立摆稳定的PD控制281

8.1.1 系统描述281

8.1.2 控制律设计281

8.1.3 仿真实例282

8.2 基于自适应模糊补偿的倒立摆PD控制285

8.2.1 问题描述285

8.2.2 自适应模糊控制器设计与分析286

8.2.3 稳定性分析287

8.2.4 仿真实例288

8.3 基于模糊规则表的模糊PD控制295

8.3.1 基本原理295

8.3.2 仿真实例296

8.4 模糊自适应整定PID控制299

8.4.1 模糊自适应整定PID控制原理299

8.4.2 仿真实例301

8.5 专家PID控制307

8.5.1 专家PID控制原理307

8.5.2 仿真实例308

参考文献310

第9章 神经网络PID控制311

9.1 基于单神经元网络的PID智能控制311

9.1.1 几种典型的学习规则311

9.1.2 单神经元自适应PID控制311

9.1.3 改进的单神经元自适应PID控制312

9.1.4 仿真实例313

9.2 基于二次型性能指标学习算法的单神经元自适应PID控制316

9.2.1 控制律的设计316

9.2.2 仿真实例317

9.3 基于自适应神经网络补偿的PD控制320

9.3.1 问题描述320

9.3.2 自适应神经网络设计与分析321

9.3.3 仿真实例323

参考文献328

第10章 基于差分进化的PID控制329

10.1 差分进化算法的基本原理329

10.1.1 差分进化算法的提出329

10.1.2 标准差分进化算法329

10.1.3 差分进化算法的基本流程330

10.1.4 差分进化算法的参数设置331

10.2 基于差分进化算法的函数优化332

10.3 基于差分进化整定的PD控制335

10.3.1 基本原理336

10.3.2 基于差分进化的PD整定336

10.4 基于摩擦模型辨识和补偿的PD控制340

10.4.1 摩擦模型的在线参数辨识340

10.4.2 仿真实例341

10.5 基于最优轨迹规划的PID控制345

10.5.1 问题的提出345

10.5.2 一个简单的样条插值实例345

10.5.3 最优轨迹的设计347

10.5.4 最优轨迹的优化347

10.5.5 仿真实例348

参考文献354

第11章 伺服系统PID控制355

11.1 基于Lugre摩擦模型的PID控制355

11.1.1 伺服系统的摩擦现象355

11.1.2 伺服系统的LuGre摩擦模型355

11.1.3 仿真实例356

11.2 基于Stribeck摩擦模型的PID控制358

11.2.1 Stribeck摩擦模型描述358

11.2.2 一个典型伺服系统描述359

11.2.3 仿真实例359

11.3 伺服系统三环的PID控制367

11.3.1 伺服系统三环的PID控制原理367

11.3.2 仿真实例368

11.4 二质量伺服系统的PID控制371

11.4.1 二质量伺服系统的PID控制原理371

11.4.2 仿真实例372

11.5 伺服系统的模拟PD＋数字前馈控制375

11.5.1 伺服系统的模拟PD＋数字前馈控制原理375

11.5.2 仿真实例376

参考文献377

第12章 迭代学习PID控制378

12.1 迭代学习控制方法介绍378

12.2 迭代学习控制基本原理378

12.3 基本的迭代学习控制算法379

12.4 基于PID型的迭代学习控制379

12.4.1 系统描述379

12.4.2 控制器设计379

12.4.3 仿真实例380

参考文献385

第13章 挠性及奇异摄动系统的PD控制386

13.1 基于输入成型的挠性机械系统PD控制386

13.1.1 系统描述386

13.1.2 控制器设计386

13.1.3 输入成型器基本原理386

13.1.4 仿真实例388

13.2 基于奇异摄动理论的P控制393

13.2.1 问题描述394

13.2.2 模型分解394

13.2.3 控制律设计394

13.2.4 仿真实例395

13.3 柔性机械臂的偏微分方程动力学建模398

13.3.1 柔性机械臂的控制问题398

13.3.2 柔性机械臂的偏微分方程建模398

13.4 柔性机械臂分布式参数边界控制402

13.4.1 模型描述402

13.4.2 边界PD控制律设计403

13.4.3 仿真实例405

参考文献412

第14章 机械手PID控制413

14.1 机械手独立PD控制413

14.1.1 控制律设计413

14.1.2 收敛性分析413

14.1.3 仿真实例413

14.2 工作空间中机械手末端轨迹PD控制417

14.2.1 工作空间直角坐标与关节角位置的转换418

14.2.2 机械手在工作空间的建模419

14.2.3 PD控制器的设计419

14.2.4 仿真实例420

14.3 工作空间中机械手末端的阻抗PD控制426

14.3.1 问题的提出426

14.3.2 阻抗模型的建立427

14.3.3 控制器的设计428

14.3.4 仿真实例428

14.4 移动机器人的P＋前馈控制438

14.4.1 移动机器人运动学模型439

14.4.2 位置控制律设计439

14.4.3 姿态控制律设计440

14.4.4 闭环系统的设计关键441

14.4.5 仿真实例441

参考文献448

第15章 飞行器双闭环PD控制450

15.1 基于双环设计的VTOL飞行器轨迹跟踪PD控制450

15.1.1 VTOL模型描述450

15.1.2 针对第一个子系统的控制451

15.1.3 针对第二个子系统的控制452

15.1.4 仿真实例452

15.2 基于内外环的四旋翼飞行器的PD控制459

15.2.1 四旋翼飞行器动力学模型459

15.2.2 位置控制律设计460

15.2.3 虚拟姿态角度的求解461

15.2.4 姿态控制律设计462

15.2.5 闭环系统的设计关键463

15.2.6 仿真实例464

参考文献473

第16章 小车倒立摆系统的控制及GUI动画演示474

16.1 小车倒立摆的H∞控制474

16.1.1 系统描述474

16.1.2 H∞控制器要求475

16.1.3 基于Riccati方程的H∞控制475

16.1.4 LMI及其MATLAB求解476

16.1.5 基于LMI的H∞控制477

16.1.6 仿真实例477

16.2 单级倒立摆控制系统的GUI动画演示485

16.2.1 GUI介绍485

16.2.2 演示程序的构成485

16.2.3 主程序的实现485

16.2.4 演示界面的GUI设计486

16.2.5 演示步骤486

参考文献488

第17章 其他控制方法的设计与仿真489

17.1 单级倒立摆建模489

17.2 倒立摆PD控制490

17.2.1 系统描述490

17.2.2 仿真实例491

17.3 小车倒立摆的全状态反馈控制494

17.3.1 系统描述494

17.3.2 全状态反馈控制494

17.3.3 仿真实例495

17.4 输入/输出反馈线性化503

17.4.1 系统描述503

17.4.2 控制律设计503

17.4.3 仿真实例504

17.5 倒立摆反演控制507

17.5.1 系统描述508

17.5.2 控制律设计508

17.5.3 仿真实例509

17.6 倒立摆滑模控制512

17.6.1 问题描述512

17.6.2 控制律设计512

17.6.3 仿真实例513

17.7 自适应鲁棒滑模控制518

17.7.1 问题的提出518

17.7.2 自适应控制律的设计518

17.7.3 仿真实例519

参考文献526