先進 PID 控制及其 MATLAB 仿真 劉金琨 著 電 子 工 業 出 版 社 

內 容 簡 介 本書從 MATLAB 仿真角度系統地介紹了 PID 控制的基本理論、基本方法和應用技術，是作者多年來從事控制系統教學和科研工作的結晶，同時融入了國內外同行近年來所取得的新成果。 全書共分十章，包括連續系統和離散系統的 PID 控制，常用數字 PID 控制，專家 PID和模糊 PID 控制，神經 PID 控制，遺傳算法 PID 控制，多變量解耦 PID 控制，幾種先進的PID 控制，灰色 PID 控制，伺服系統 PID 控制，PID 實時控制，每種方法都通過 MATLAB 仿真程序進行了說明。本書各部分內容既相互聯系又相互獨立，讀者可根據自己需要選擇學習。本書適用于從事生產過程自動化、計算機應用、機械電子和電氣自動化領域工作的工程技術人員閱讀，也可作為大專院校工業自動化、自動控制、機械電子、自動化儀表、計算機應用等專業的教學參考書。
I序 言 在實際的過程控制與運動控制系統中，PID家族占有相當的地位，據統計，工業控制的控制器中PID類控制器占有90%以上（K J ?str?m and T. H?gglund. PID Controllers: Theory, Design and Tuning. Instrument Society of America, 1995）。PID控制器是最早出現的控制器類型，因為其結構簡單，各個控制器參數有著明顯的物理意義，調整方便，所以這類控制器很受工程技術人員的喜愛。此外，隨著控制理論的發展，出現了各種分支，如專家系統、模糊邏輯、神經網絡、灰色系統理論等，它們和傳統的PID控制策略相結合又派生出各種新型的PID類控制器，形成龐大的PID家族，很多算法大大改進了傳統PID控制器的性能。 拜讀了劉金琨博士的新作《先進PID控制及其MATLAB仿真》，頓覺耳目一新。國際上近年有大量的文章介紹各種新型的PID控制系統，也出現了一些介紹PID控制的專著，和同類專著相比較，這部力著有如下特色：內容新穎：以新型的PID控制器為主加以介紹，包括一般連續及離散的PID控制器、專家系統整定的PID控制器、模糊邏輯PID控制器、各種神經網絡PID控制器、基于遺傳算法整定的PID控制器、多變量解耦PID控制器、非線性魯棒PID控制器、灰色PID控制器，這是PID類專著中較少見的。 系統性強：在介紹各種算法時，首先較好地介紹其理論背景，然后通過例子介紹該PID控制器設計與仿真，展示仿真效果，很有說服力。本書選材較全面，內容深入淺出，易于理解和直接應用。計算機實現直觀實用：每種介紹的算法均有MATLAB語言實現，適合于通用化，用戶可以對所附的程序稍作修改，就可以直接解決自己的控制器設計與仿真問題，這也往往是其他專著所缺乏的。直接面向工程應用：介紹了MATLAB/Simulink模型的C語言轉換和工程應用，很有實際應用的價值。本書作者多年來一直從事PID控制類的研究與教學，積累了大量的經驗和第一手材料，取材恰當，敘述清晰，結構合理，適合于工程應用和理論研究。本人在評審博士、碩士論文時經常發現，許多學生往往將自己的控制算法與策略和傳統的PID 控制算法相比較，來演示自己算法的優越性。這樣的比較有時有些偏頗，因為論文中的算法常常和目前公認的效果不佳的Ziegler-Nichols 整定算法比較，所以本人認為這樣的比較很不客觀，因為他們比較的對象不是最好的PID 控制器。此外，由于其他新型 PID 控制器實現與仿真的代碼十分匱乏，也極大影響了研究者選擇適當比較的對象。相信這部著作及其所編寫的程序可以作為PID 控制領域的標準，也可以作為論文中算法比較的參照物。 眾所周知，MATLAB在控制界之所以成為最受歡迎的語言，除了有其自身在科學運算與可視化方面的優勢外，最大的特點還在于其開放性，正因為這個原因，許多控制界的名家編寫出各種各樣的工具箱，這些工具箱已經成為各自領域的標準。迄今為止，尚沒有被廣泛認可的關于PID控制器的工具箱，所以可以預見，如果對本書中的程序進行較好的封裝，并適當地擴充，將有望形成很有競爭力的PID工具箱，在國際上也將有很大的影響。 綜上所述，本書是在PID控制器設計與實現領域的不可多得的優秀著作，故不揣冒昧，為本著作寫此序言，樂于將其推薦給國內的同行和學生，望引起國內PID控制的研究者與應用者的注意，推進PID類控制器在我國的實際應用。 薛定宇 謹識 2002年11月2日于東北大學 
II前 言 PID 控制是最早發展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于過程控制和運動控制中，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統。然而實際工業生產過程往往具有非線性、時變不確定性，難以建立精確的數學模型，應用常規PID 控制器不能達到理想的控制效果，而且在實際生產現場中，由于受到參數整定方法煩雜的困擾，常規 PID 控制器參數往往整定不良、性能欠佳，對運行工況的適應性很差。 隨著計算機技術和智能控制理論的發展，為復雜動態不確定系統的控制提供了新的途徑。采用智能控制技術，可設計智能 PID 和 PID 的智能整定。 有關智能 PID 控制等新型 PID 控制理論及其工程應用，近年來已有大量的論文發表。作者多年來一直從事智能控制方面的研究和教學工作，為了促進 PID 控制和自動化技術的進步，反映 PID 控制設計與應用中的最新研究成果，并使廣大工程技術人員能了解、掌握和應用這一領域的最新技術，學會用 MATLAB 語言進行 PID 控制器的設計，作者編寫了這本書，以拋磚引玉，供廣大讀者學習參考。 本書是在總結作者多年研究成果的基礎上，進一步理論化、系統化、規范化、實用化而成的，其特點是： （1） PID 控制算法取材新穎，內容先進，重點置于學科交叉部分的前沿研究和介紹一些有潛力的新思想、新方法和新技術，取材著重于基本概念、基本理論和基本方法； （2） 針對每種 PID 算法給出了完整的 MATLAB 仿真程序，這些程序都可以在線運行，并給出了程序的說明和仿真結果。具有很強的可讀性，很容易轉化為其它各種實用語言； （3） 著重從應用領域角度出發，突出理論聯系實際，面向廣大工程技術人員，具有很強的工程性和實用性。書中有大量應用實例及其結果分析，為讀者提供了有益的借鑒； （4） 所給出的各種 PID 算法完整，程序設計結構設計力求簡單明了，便于自學和進一步開發。 本書共分十章。第一章介紹連續系統 PID 控制和離散系統數字 PID 控制的幾種基本方法，通過仿真和分析進行了說明；第二章介紹了常用的數字 PID 控制系統，主要包括串級計算機控制系統的 PID 控制、純滯后控制系統 Dahlin 算法、基于 Smith 預估的 PID 控制；第三章介紹了專家 PID 和模糊 PID 整定的基本算法和程序設計方法，其中模糊 PID 包括模糊自適應整定 PID 控制和模糊免疫 PID 控制算法，并進行了仿真分析；第四章介紹了神經 PID 的幾種方法，包括單神經網絡 PID 的設計、神經網絡并行 PID 控制、PID 的幾種神經網絡整定方法，并通過仿真進行了說明；第五章介紹了基于遺傳算法的 PID 控制，主要包括基于遺傳算法整定的 PID 控制和基于遺傳算法摩擦模型參數辨識的 PID 控制；第六章介紹了多變量解耦 PID控制的幾種方法，主要包括 PID 解耦控制、基于單神經元解耦控制和基于 DRNN 神經網絡整定的 PID 解耦控制；第七章介紹了幾種先進的 PID 控制算法，包括基于干擾觀測器的PID 魯棒控制、基于 NCD 優化的非線性 PID 控制、非線性參數整定的 PID 控制、基于重復控制的ＰＩＤ高精度控制和基于零相差前饋補償的 PID 控制，每種方法都通過仿真程序進行了說明；第八章介紹了灰色 PID 控制算法和仿真方法，包括基于連續系統的灰色 PID 控制和基于離散系統的灰色 PID 控制；第九章介紹了伺服系統的 PID 控制，包括伺服系統在低速摩擦
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III條件下的 PID 控制、單質量伺服系統 PID 控制和二質量伺服系統 PID 控制，并進行了仿真說明；第十章介紹了 PID 在實時控制中的應用實例，并給出了 PID 控制的 MATLAB 程序和相應的 Borland Ｃ語言實時控制程序。 本書是基于 MATLAB5.3 環境下開發的 各個章節的內容具有很強的獨立性，讀者可以結合自己的方向深入地進行研究。 本書由北京航空航天大學爾聯潔教授提出了許多寶貴意見，東北大學薛定宇教授給予了大力支持和幫助，在此一并表示感謝。 作者在仿真研究中，得到實驗室許多同仁的幫助。在神經網絡設計方面得到扈宏杰博士的幫助，在遺傳算法和零相差設計方面得到劉強博士的幫助，在灰色系統設計方面得到李水清碩士的幫助，在 PID 實時控制方面得到劉濤碩士的幫助，在此一一表示感謝。 本書的出版得到了電子工業出版社高平同志的大力支持，特別是龔蘭方同志對本書進行了細致的編輯，在此深表謝意。 本書的研究工作得到了國家自然科學基金（編號：69874037）和航空基金（編號：00E51022）的資助。 由于作者水平有限，書中難免存在一些不足和錯誤之處，歡迎廣大讀者批評指正。 作者： 劉金琨 2002 年 10 月于北京航空航天大學 
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IV目 錄 前 言 第 1 章 數字 PID 控制………………………………………………………………(1) 1.1PID 控制原理 ……………………………………………………………………(1)
1.2 連續系統的模擬 PID 仿真…………………………………………………………(2)
1.3 數字 PID 控制……………………………………………………………………(3)
1.3.1 位置式 PID 控制算法……………………………………………………………(3)
1.3.2 連續系統的數字 PID 控制仿真…………………………………………………(4)
1.3.3 離散系統的數字 PID 控制仿真…………………………………………………(8)
1.3.4 增量式 PID 控制算法及仿真…………………………………………………(14)
1.3.5 積分分離 PID 控制算法及仿真…………………………………………………(16)
1.3.6 抗積分飽和 PID 控制算法及仿真………………………………………………(20)
1.3.7 Ｔ型積分 PID 控制算法………………………………………………………(24)
1.3.8 變速積分 PID 算法及仿真……………………………………………………(24)
1.3.9 帶濾波器的 PID 控制仿真……………………………………………………(28)
1.3.10 不完全微分 PID 控制算法及仿真……………………………………………(33)
1.3.11 微分先行 PID 控制算法及仿真………………………………………………(37)
1.3.12 帶死區的 PID 控制算法及仿真………………………………………………(42)
1.3.13 基于前饋補償的 PID 控制算法及仿真………………………………………(45)
1.3.14 步進式 PID 控制算法及仿真…………………………………………………(49)
第 2 章 常用的數字 PID 控制系統………………………………………………(53) 
2.1 單回路 PID 控制系統……………………………………………………………(53)
2.2 串級 PID 控制……………………………………………………………………(53)
2.2.1 串級 PID 控制原理……………………………………………………………(53)
2.2.2 仿真程序及分析………………………………………………………………(54)
2.3 純滯后系統的大林控制算法……………………………………………………(57)
2.3.1 大林控制算法原理……………………………………………………………(57)
2.3.2 仿真程序及分析………………………………………………………………(57)
2.4 純滯后系統的 Smith 控制算法…………………………………………………(59)
2.4.1 連續 Smith 預估控制…………………………………………………………(59)
2.4.2 仿真程序及分析………………………………………………………………(61)
2.4.3 數字 Smith 預估控制…………………………………………………………(63)
2.4.4 仿真程序及分析………………………………………………………………(64)
第 3 章 專家 PID 控制和模糊 PID 控制…………………………………………(68) 
3．1 專家 PID 控制…………………………………………………………………(68)