先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真

先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真 刘金琨 著 电 子 工 业 出 版 社 内 容 简 介 本书从 MATLAB 仿真角度系统地介绍了 PID 控制的基本理论、基本方法和应用技术，是作者多年来从事控制系统教学和科研工作的结晶，同时融入了国内外同行近年来所取得的新成果。 全书共分十章，包括连续系统和离散系统的 PID 控制，常用数字 PID 控制，专家 PID和模糊 PID 控制，神经 PID 控制，遗传算法 PID 控制，多变量解耦 PID 控制，几种先进的PID 控制，灰色 PID 控制，伺服系统 PID 控制，PID 实时控制，每种方法都通过 MATLAB 仿真程序进行了说明。本书各部分内容既相互联系又相互独立，读者可根据自己需要选择学习。本书适用于从事生产过程自动化、计算机应用、机械电子和电气自动化领域工作的工程技术人员阅读，也可作为大专院校工业自动化、自动控制、机械电子、自动化仪表、计算机应用等专业的教学参考书。 I序 言 在实际的过程控制与运动控制系统中，PID家族占有相当的地位，据统计，工业控制的控制器中PID类控制器占有90%以上（K J ?str?m and T. H?gglund. PID Controllers: Theory, Design and Tuning. Instrument Society of America, 1995）。PID控制器是最早出现的控制器类型，因为其结构简单，各个控制器参数有着明显的物理意义，调整方便，所以这类控制器很受工程技术人员的喜爱。此外，随着控制理论的发展，出现了各种分支，如专家系统、模糊逻辑、神经网络、灰色系统理论等，它们和传统的PID控制策略相结合又派生出各种新型的PID类控制器，形成庞大的PID家族，很多算法大大改进了传统PID控制器的性能。 拜读了刘金琨博士的新作《先进PID控制及其MATLAB仿真》，顿觉耳目一新。国际上近年有大量的文章介绍各种新型的PID控制系统，也出现了一些介绍PID控制的专著，和同类专著相比较，这部力著有如下特色：内容新颖：以新型的PID控制器为主加以介绍，包括一般连续及离散的PID控制器、专家系统整定的PID控制器、模糊逻辑PID控制器、各种神经网络PID控制器、基于遗传算法整定的PID控制器、多变量解耦PID控制器、非线性鲁棒PID控制器、灰色PID控制器，这是PID类专著中较少见的。 系统性强：在介绍各种算法时，首先较好地介绍其理论背景，然后通过例子介绍该PID控制器设计与仿真，展示仿真效果，很有说服力。本书选材较全面，内容深入浅出，易于理解和直接应用。计算机实现直观实用：每种介绍的算法均有MATLAB语言实现，适合于通用化，用户可以对所附的程序稍作修改，就可以直接解决自己的控制器设计与仿真问题，这也往往是其他专著所缺乏的。直接面向工程应用：介绍了MATLAB/Simulink模型的C语言转换和工程应用，很有实际应用的价值。本书作者多年来一直从事PID控制类的研究与教学，积累了大量的经验和第一手材料，取材恰当，叙述清晰，结构合理，适合于工程应用和理论研究。本人在评审博士、硕士论文时经常发现，许多学生往往将自己的控制算法与策略和传统的PID 控制算法相比较，来演示自己算法的优越性。这样的比较有时有些偏颇，因为论文中的算法常常和目前公认的效果不佳的Ziegler-Nichols 整定算法比较，所以本人认为这样的比较很不客观，因为他们比较的对象不是最好的PID 控制器。此外，由于其他新型 PID 控制器实现与仿真的代码十分匮乏，也极大影响了研究者选择适当比较的对象。相信这部著作及其所编写的程序可以作为PID 控制领域的标准，也可以作为论文中算法比较的参照物。 众所周知，MATLAB在控制界之所以成为最受欢迎的语言，除了有其自身在科学运算与可视化方面的优势外，最大的特点还在于其开放性，正因为这个原因，许多控制界的名家编写出各种各样的工具箱，这些工具箱已经成为各自领域的标准。迄今为止，尚没有被广泛认可的关于PID控制器的工具箱，所以可以预见，如果对本书中的程序进行较好的封装，并适当地扩充，将有望形成很有竞争力的PID工具箱，在国际上也将有很大的影响。 综上所述，本书是在PID控制器设计与实现领域的不可多得的优秀著作，故不揣冒昧，为本著作写此序言，乐于将其推荐给国内的同行和学生，望引起国内PID控制的研究者与应用者的注意，推进PID类控制器在我国的实际应用。 薛定宇 谨识 2002年11月2日于东北大学 II前 言 PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。然而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用常规PID 控制器不能达到理想的控制效果，而且在实际生产现场中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规 PID 控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差。 随着计算机技术和智能控制理论的发展，为复杂动态不确定系统的控制提供了新的途径。采用智能控制技术，可设计智能 PID 和 PID 的智能整定。 有关智能 PID 控制等新型 PID 控制理论及其工程应用，近年来已有大量的论文发表。作者多年来一直从事智能控制方面的研究和教学工作，为了促进 PID 控制和自动化技术的进步，反映 PID 控制设计与应用中的最新研究成果，并使广大工程技术人员能了解、掌握和应用这一领域的最新技术，学会用 MATLAB 语言进行 PID 控制器的设计，作者编写了这本书，以抛砖引玉，供广大读者学习参考。 本书是在总结作者多年研究成果的基础上，进一步理论化、系统化、规范化、实用化而成的，其特点是： （1） PID 控制算法取材新颖，内容先进，重点置于学科交叉部分的前沿研究和介绍一些有潜力的新思想、新方法和新技术，取材着重于基本概念、基本理论和基本方法； （2） 针对每种 PID 算法给出了完整的 MATLAB 仿真程序，这些程序都可以在线运行，并给出了程序的说明和仿真结果。具有很强的可读性，很容易转化为其它各种实用语言； （3） 着重从应用领域角度出发，突出理论联系实际，面向广大工程技术人员，具有很强的工程性和实用性。书中有大量应用实例及其结果分析，为读者提供了有益的借鉴； （4） 所给出的各种 PID 算法完整，程序设计结构设计力求简单明了，便于自学和进一步开发。 本书共分十章。第一章介绍连续系统 PID 控制和离散系统数字 PID 控制的几种基本方法，通过仿真和分析进行了说明；第二章介绍了常用的数字 PID 控制系统，主要包括串级计算机控制系统的 PID 控制、纯滞后控制系统 Dahlin 算法、基于 Smith 预估的 PID 控制；第三章介绍了专家 PID 和模糊 PID 整定的基本算法和程序设计方法，其中模糊 PID 包括模糊自适应整定 PID 控制和模糊免疫 PID 控制算法，并进行了仿真分析；第四章介绍了神经 PID 的几种方法，包括单神经网络 PID 的设计、神经网络并行 PID 控制、PID 的几种神经网络整定方法，并通过仿真进行了说明；第五章介绍了基于遗传算法的 PID 控制，主要包括基于遗传算法整定的 PID 控制和基于遗传算法摩擦模型参数辨识的 PID 控制；第六章介绍了多变量解耦 PID控制的几种方法，主要包括 PID 解耦控制、基于单神经元解耦控制和基于 DRNN 神经网络整定的 PID 解耦控制；第七章介绍了几种先进的 PID 控制算法，包括基于干扰观测器的PID 鲁棒控制、基于 NCD 优化的非线性 PID 控制、非线性参数整定的 PID 控制、基于重复控制的ＰＩＤ高精度控制和基于零相差前馈补偿的 PID 控制，每种方法都通过仿真程序进行了说明；第八章介绍了灰色 PID 控制算法和仿真方法，包括基于连续系统的灰色 PID 控制和基于离散系统的灰色 PID 控制；第九章介绍了伺服系统的 PID 控制，包括伺服系统在低速摩擦 -------------------------------------------------------------------------------- Page 5 III条件下的 PID 控制、单质量伺服系统 PID 控制和二质量伺服系统 PID 控制，并进行了仿真说明；第十章介绍了 PID 在实时控制中的应用实例，并给出了 PID 控制的 MATLAB 程序和相应的 Borland Ｃ语言实时控制程序。 本书是基于 MATLAB5.3 环境下开发的 各个章节的内容具有很强的独立性，读者可以结合自己的方向深入地进行研究。 本书由北京航空航天大学尔联洁教授提出了许多宝贵意见，东北大学薛定宇教授给予了大力支持和帮助，在此一并表示感谢。 作者在仿真研究中，得到实验室许多同仁的帮助。在神经网络设计方面得到扈宏杰博士的帮助，在遗传算法和零相差设计方面得到刘强博士的帮助，在灰色系统设计方面得到李水清硕士的帮助，在 PID 实时控制方面得到刘涛硕士的帮助，在此一一表示感谢。 本书的出版得到了电子工业出版社高平同志的大力支持，特别是龚兰方同志对本书进行了细致的编辑，在此深表谢意。 本书的研究工作得到了国家自然科学基金（编号：69874037）和航空基金（编号：00E51022）的资助。 由于作者水平有限，书中难免存在一些不足和错误之处，欢迎广大读者批评指正。 作者： 刘金琨 2002 年 10 月于北京航空航天大学 -------------------------------------------------------------------------------- Page 6 IV目 录 前 言 第 1 章 数字 PID 控制………………………………………………………………(1) 1.1PID 控制原理 ……………………………………………………………………(1) 1.2 连续系统的模拟 PID 仿真…………………………………………………………(2) 1.3 数字 PID 控制……………………………………………………………………(3) 1.3.1 位置式 PID 控制算法……………………………………………………………(3) 1.3.2 连续系统的数字 PID 控制仿真…………………………………………………(4) 1.3.3 离散系统的数字 PID 控制仿真…………………………………………………(8) 1.3.4 增量式 PID 控制算法及仿真…………………………………………………(14) 1.3.5 积分分离 PID 控制算法及仿真…………………………………………………(16) 1.3.6 抗积分饱和 PID 控制算法及仿真………………………………………………(20) 1.3.7 Ｔ型积分 PID 控制算法…�