PID控制系統設計——使用MATLAB和Simulink仿真與分析( 簡體 字) | |
| 作者：[澳]王六平（Liuping Wang）著 于春梅 王順利 譯 | 類別：1. -> 工程繪圖與工程計算 -> Matlab |
| 出版社：清華大學出版社 |  3dWoo書號： 56193詢問書籍請說出此書號！ 缺書 NT售價： 445 元 |
| 出版日：1/1/2023 | |
| 頁數：263 | |
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| 印刷：黑白印刷 | 語系： ( 簡體 字 ) |
| ISBN：9787302612018 | 加入購物車 │加到我的最愛 (請先登入會員) |
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第1章PID控制基礎
1.1引言 1.2PID控制器的結構 1.2.1比例控制器 1.2.2比例微分控制器 1.2.3比例積分控制器 1.2.4PID控制器 1.2.5商用PID控制器結構 1.2.6進一步思考 1.3PID控制器的經典整定規則 1.3.1基于ZieglerNichols振蕩的整定規則 1.3.2基于一階延遲模型的整定 1.3.3進一步思考 1.4基于模型的PID控制器的整定規則 1.4.1IMCPID控制器整定規則 1.4.2PadulaVisioli整定規則 1.4.3WangCluett整定規則 1.4.4進一步思考 1.5整定規則評估示例 1.5.1評估整定規則的示例 1.5.2火焰加熱器控制示例 1.6小結 1.7進一步閱讀 問題 第2章閉環性能和穩定性 2.1簡介 2.2RouthHurwitz穩定性判據 2.2.1閉環極點的確定 2.2.2穩定性判據 2.2.3進一步思考 2.3奈奎斯特穩定性判據 2.3.1奈奎斯特圖 2.3.2基于整定規則的PID控制器修改 2.3.3進一步思考 2.4控制系統結構和靈敏度函數 2.4.1一自由度控制系統結構 2.4.2二自由度設計 2.4.3反饋控制中的靈敏度函數 2.4.4進一步思考 2.5給定值跟蹤和擾動抑制 2.5.1閉環帶寬 2.5.2PID控制器的給定值跟蹤與擾動抑制 2.5.3基于諧振控制器的給定值跟蹤與擾動抑制 2.5.4進一步思考 2.6擾動抑制和噪聲衰減 2.6.1擾動抑制與噪聲衰減的矛盾 2.6.2擾動抑制與噪聲衰減PID控制器 2.6.3進一步思考 2.7魯棒穩定性和魯棒性能 2.7.1模型誤差 2.7.2魯棒穩定性 2.7.3案例研究：聚合物反應器的魯棒控制 2.7.4進一步思考 2.8小結 2.9進一步閱讀 問題 第3章基于模型的PID和諧振控制器設計 3.1引言 3.2PI控制器設計 3.2.1期望閉環性能指標 3.2.2模型和控制器結構 3.2.3不同結構的閉環傳遞函數 3.2.4進一步思考 3.3PID控制器的經典整定規則 3.3.1PD控制器設計 3.3.2存在零極點對消的理想PID分析實例 3.3.3帶濾波器的PID控制器分析實例 3.3.4無零極點對消的PID控制器設計 3.3.5求解帶濾波器PID控制器的MATLAB教程 3.3.6進一步思考 3.4諧振控制器設計 3.4.1諧振控制器設計 3.4.2穩態誤差分析 3.4.3諧振控制器設計中的零極點對消 3.4.4進一步思考 3.5前饋控制 3.5.1前饋控制的基本思想 3.5.2三彈簧雙質塊系統 3.5.3進一步思考 3.6小結 3.7進一步閱讀 問題 第4章PID控制器的實現 4.1引言 4.2PID控制器應用方案 4.3位置式PID控制器實現 4.3.1穩態信息 4.3.2PID控制器的離散化 4.3.3進一步思考 4.4速度式PID控制器的實現 4.4.1PI控制器的離散化 4.4.2速度式PID控制器的離散化 4.4.3低采樣頻率下的精度提升 4.4.4進一步思考 4.5位置形式的抗飽和實現 4.5.1積分器飽和情況 4.5.2位置式PI控制器的抗飽和機制 4.5.3進一步思考 4.6速度形式的抗飽和機制 4.6.1控制信號幅值的抗飽和機制 4.6.2控制信號變化率限制 4.6.3進一步思考 4.7PID抗飽和實現教程 4.8其他問題的處理 4.8.1控制對象的啟動 4.8.2PID控制器實現中量化誤差的處理 4.9小結 4.10進一步閱讀 問題 第5章基于擾動觀測器的PID和諧振控制器 5.1引言 5.2基于擾動觀測器的PI控制器 5.2.1帶有控制的擾動估計 5.2.2PI控制器的等價 5.2.3通過估計實現PI控制器的MATLAB教程 5.2.4基于估計器的PI控制器示例 5.2.5進一步思考 5.3基于擾動觀測器的PID控制器 5.3.1比例微分控制 5.3.2增加積分作用 5.3.3PID控制器的等價 5.3.4基于擾動觀測器的PID控制器實現的MATLAB教程 5.3.5基于擾動觀測器的PID控制器示例 5.3.6進一步思考 5.4基于擾動觀測器的諧振控制器 5.4.1諧振控制器設計 5.4.2諧振控制器的實現 5.4.3諧振控制器的等價 5.4.4基于擾動觀測器的諧振控制器實現的MATLAB教程 5.4.5基于擾動觀測器的諧振控制器示例 5.4.6進一步思考 5.5多頻諧振控制器 5.5.1在諧振控制器中加入積分作用 5.5.2增加更多周期分量 5.5.3進一步思考 5.6小結 5.7進一步閱讀 問題 第6章非線性系統的PID控制 6.1引言 6.2非線性模型的線性化 6.2.1非線性函數的近似 6.2.2非線性微分方程的線性化 6.2.3案例研究：耦合水箱模型的線性化 6.2.4案例研究：感應電動機模型的線性化 6.2.5進一步思考 6.3案例研究:板球平衡系統 6.3.1板球平衡系統的動態特性 6.3.2非線性模型的線性化 6.3.3PID控制器設計 6.3.4實現與實驗結果 6.3.5進一步思考 6.4增益調度的PID控制系統 6.4.1權重參數 6.4.2由PID速度形式實現增益調度 6.4.3使用基于估計器的PID控制器實現增益調度 6.4.4進一步思考 6.5小結 6.6進一步閱讀 問題 第7章串級PID控制系統 7.1引言 7.2串級PID控制系統的設計 7.2.1串級PID控制系統的設計步驟 7.2.3簡單的設計舉例 7.2.3在串級結構中實現閉環性能不變性(近似) 7.2.4進一步思考 7.3輸入擾動抑制的串級控制系統 7.3.1擾動抑制的頻率特性 7.3.2仿真研究 7.3.3進一步思考 7.4執行器非線性的串級控制系統 7.4.1帶死區的執行器串級控制 7.4.2執行器存在量化誤差的串級控制 7.4.3執行器存在間隙非線性的串級控制 7.4.4進一步思考 7.5小結 7.6進一步閱讀 問題 第8章復雜系統的PID控制器設計 8.1引言 8.2基于增益和相位裕度的PI控制器設計 8.2.1基于增益裕度和相位裕度指標的PI控制器設計 8.2.2設計示例 8.2.3進一步思考 8.3基于兩個頻率點的PID控制器設計 8.3.1PID控制器參數的求解 8.3.2使用兩個頻率點的期望閉環性能指標 8.3.3設計示例 8.3.4由兩個頻率點設計PID控制器的MATLAB教程 8.3.5啤酒過濾過程的PID控制器設計 8.3.6進一步思考 8.4積分系統的PID控制器設計 8.4.1近似模型 8.4.2期望閉環性能的選擇 8.4.3參數的歸一化和經驗規則 8.4.4增益和相位裕度 8.4.5仿真示例 8.4.6進一步思考 8.5小結 8.6進一步閱讀 問題 第9章PID控制器的自整定 9.1引言 9.2繼電反饋控制 9.2.1帶滯環的繼電控制 9.2.2帶積分器的繼電控制 9.2.3進一步思考 9.3采用快速傅里葉變換估算頻率響應 9.3.1FFT估算 9.3.2使用FFT進行估計的MATLAB教程 9.3.3蒙特卡羅模擬研究 9.3.4進一步思考 9.4使用頻率采樣濾波器估計頻率響應 9.4.1頻率采樣濾波器模型 9.4.2使用FSF模型進行估計的MATLAB教程 9.4.3利用FSF估計的蒙特卡羅模擬 9.4.4進一步思考 9.5蒙特卡羅模擬研究 9.5.1未知恒值擾動的影響 9.5.2未知低頻擾動的影響 9.5.3穩態值的估計 9.5.4進一步思考 9.6穩定控制對象的自動調諧器設計 9.6.1用于穩定控制對象的自動調諧器的MATLAB教程 9.6.2穩定控制對象自動調諧器的評估 9.6.3比較研究 9.6.4進一步思考 9.7積分控制對象自動調諧器的設計 9.7.1積分延遲模型的估計 9.7.2積分系統的自動調諧器 9.7.3串級控制系統的自整定 9.7.4進一步思考 9.8小結 9.9進一步閱讀 問題 第10章多旋翼無人機的PID控制 10.1介紹 10.2多旋翼動力學模型 10.2.1姿態控制的動力學模型 10.2.2四旋翼無人機驅動器動力學特性 10.2.3六旋翼飛行器驅動器動力學模型 10.2.4進一步思考 10.3多旋翼無人機的串級姿態控制 10.3.1副控制對象的線性化模型 10.3.2主控制對象的線性化模型 10.3.3進一步思考 10.4姿態控制系統的自整定 10.4.1多旋翼無人機串級PI控制器自整定試驗臺 10.4.2四旋翼無人機的實驗結果 10.4.3六旋翼飛行器的實驗結果 10.4.4進一步思考 10.5小結 10.6進一步閱讀 問題 思考題參考答案 參考文獻 本書為學生、研究者和工業實踐者提供了可供選擇的主題，他們希望學習具有操作約束的PID控制系統的設計和實現。這本書由三部分組成。第一部分介紹了PID控制系統的結構、經典的整定規則和基于模型的設計方法。第二部分介紹了作者的先進設計、分析和實現材料，包括基于頻域的設計、帶運算約束和量化誤差的實現、增益調度PID控制、串級PID控制、前饋PID控制等，PID控制的自動整定。在所有的高級設計材料中也會強調處理操作限制。第3部分說明了應用程序的設計和實現過程，包括板上球、無人機（四旋翼機控制、固定翼飛機控制）。
PID控制系統是經典控制系統和現代控制系統的基本組成部分。從化工過程控制、機械過程控制、機電過程控制、航空飛行器控制到電氣傳動控制和功率變換器控制，PID控制已廣泛應用于大多數工業場景中。對于控制工程師來說，理解這些控制系統并具備設計和實現它們的能力至關重要。
PID控制器能夠持續應用有以下幾個關鍵原因。 (1) 設計和分析簡單。控制系統中有3個參數需要選擇，工程師很容易理解和調整這些參數。 (2) 實現簡單。雖然PID控制系統在連續時間內進行設計和分析，但只在離散時間實施，并對控制信號施加限值。 (3) 電氣、機械、航空航天、土木工程等領域的大多數物理系統都可以分解為一階或二階系統的組成部分。對于這些一階和二階系統，PID控制器以其設計和實現簡單而自然成為候選控制器。在化工過程控制中，通常采用一階延遲模型（delay model）來近似表示復雜系統，并采用PID控制器對其進行控制。 本書適用于各領域希望學習PID控制系統的設計、實施、自整定的學生、教師、工程師。本書從PID控制系統的基礎知識開始(見第1章)，介紹各種PID控制結構和PID控制器整定規則。第2章介紹閉環穩定性和性能分析的必要工具，并解釋了靈敏度函數在擾動抑制、給定值跟蹤和測量噪聲衰減方面的作用。第3章介紹PID控制器和諧振控制器的極點配置設計方法，這些控制器可以跟蹤正弦給定信號并抑制正弦擾動； 同時介紹前饋補償，給出大量分析實例和兩個MATLAB教程來說明設計細節。第4章討論如何實時實現PID控制器，包括離散化、積分器飽和問題、抗飽和機制和其他實現問題； 給出一種基于MATLAB的實時PID控制器實現機制。第5章以與前幾章不同的角度研究PID控制器和諧振控制器的設計，通過擾動估計介紹積分模式和諧振模式； 對于控制系統的實現，當控制信號達到限值時，基于擾動觀測器的方法自然包含了抗飽和機制； 利用MATLAB提供的實時函數實現PID控制器和具有抗飽和機制的諧振控制器。第6章討論非線性系統的PID控制，包括線性化、板球平衡系統的實例分析和實驗驗證、增益調度PID控制系統和基于擾動觀測器的增益調度控制系統。第7章介紹串級PID控制系統，包括串級控制系統的設計，以及它在抑制擾動和克服執行器非線性方面的作用。第8章由頻率響應數據設計復雜系統的PID控制器，其中包括由增益和相位裕度設計PID控制器、由兩個頻率點及期望的靈敏度函數設計PID控制器； 對于具有性能指標和相應的增益、相位裕度測量的情況推導了積分延遲模型PID控制的經驗規則； 給出由兩個頻率響應點計算PID控制器參數的MATLAB函數。第9章介紹利用繼電反饋控制的PID控制器自整定，建立繼電反饋控制的MATLAB實時函數，并用于Simulink仿真； 采用傅里葉分析和頻率采樣濾波器模型這兩種不同的方法估計控制對象的頻率響應，其中數據由繼電反饋控制產生； 如第8章所述，自動調諧器將估計值與頻域設計的PID控制器相聯系； MATLAB函數給出了估計算法和自動調諧器具體步驟。作為案例研究，第10章將PID控制系統設計和自整定器應用于多旋翼無人機，并進行了實驗驗證。 本書包含MATLAB/Simulink教程，并支持仿真和實驗結果。本書著重介紹控制系統的仿真和實驗實現，為Simulink仿真編寫的MATLAB實時函數可以轉換為C程序代碼，用于微控制器，以實現控制系統。每小節給出了一些思考題，其中一些很簡單，另一些則需要思考。在每章的最后還給出了一系列問題，可以用來實踐控制系統的設計和仿真。 王六平(Liuping Wang) 于澳大利亞墨爾本 | |
