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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