前言

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于算法简单、鲁棒性好、可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制，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，参数整定方法繁杂，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，参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差。

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和进行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，编写了这本书，以抛砖引玉，供广大读者学习参考。

本书在总结作者多年研究成果的基础上，又经过了进一步理论化、系统化、规范化、实用化，具有的特点如下。

（1）PID控制算法取材新颖，内容先进，重点基于学科交叉部分的前沿研究和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、程序说明和仿真结果。这些程序都可以在线运行，具有很强的可读性，容易转化为其他各种实用语言的程序。

（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，程序设计力求简单明了，便于自学和进一步开发。

本书共18章。第1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说明；第2章介绍PID控制器整定的几种方法；第3章介绍时滞系统的PID控制，包括串级计算机控制系统的PID控制、纯滞后控制系统Dahlin算法和基于Smith预估的PID控制；第4章介绍基于微分器的PID控制，包括基于全程快速微分器和基于Levant微分器的PID控制；第5章介绍基于观测器的PID控制，包括基于干扰观测器、扩张观测器和输出延迟观测器的PID控制；第6章介绍自抗扰控制器及其PID控制，包括非线性跟踪微分器、安排过渡过程及PID控制、基于非线性扩张观测器的PID控制、非线性PID控制和自抗扰控制；第7章介绍几种PID鲁棒自适应控制方法，包括一种稳定的PD控制算法、基于模型的PI鲁棒控制、基于名义模型的机械手PI鲁棒控制、基于Anti-windup的PID抗饱和控制和基于增益自适应调节的模型参考自适应PD控制；第8章介绍模糊PD控制和专家PID控制，其中模糊PD控制包括基于自适应模糊补偿的倒立摆PD控制、基于模糊规则表的模糊PD控制和模糊自适应整定PID控制；第9章介绍神经网络PID控制，包括基于单神经元网络的PID智能控制、基于二次型性能指标学习算法的单神经元自适应PID控制和基于自适应神经网络补偿的倒立摆PD控制；第10章介绍基于差分进化的PID控制，主要包括基于差分进化整定的PID控制和基于差分进化摩擦模型参数辨识的PID控制；第11章介绍伺服系统的PID控制，包括伺服系统在低速摩擦条件下的PID控制、单质量伺服系统PID控制和二质量伺服系统PID控制；第12章介绍迭代学习PID控制，包括迭代学习PID控制基本原理和基本设计方法；第13章介绍挠性及奇异摄动系统的PD控制，包括基于输入成型的挠性机械系统PD控制和基于奇异摄动理论的P控制；第14章介绍机械手PID控制，包括机械手独立PD控制、工作空间中机械手末端轨迹PD控制、工作空间中机械手末端的阻抗PD控制和移动机器人的P+前馈控制；第15章介绍飞行器双闭环PD控制，包括基于双环设计的VTOL飞行器轨迹跟踪PD控制和基于内外环的四旋翼飞行器的PD控制；第16章介绍倒立摆系统的一种控制方法及GUI动画演示；第17章介绍自适应容错PD控制设计和分析方法，包括基于PD的执行器自适应容错控制、执行器和传感器同时容错的自适应PD控制和基于神经网络执行器自适应容错速度跟踪三种方法；第18章介绍基于事件驱动及输入延迟的PID控制设计和分析方法，包括基于事件驱动的P控制、输入延迟补偿PID控制、基于干扰观测器的输入延迟补偿PID控制和基于状态观测器的控制输入延迟控制。

本书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。

本书在编写过程中，北京航空航天大学尔联洁教授在伺服系统设计方面提出了许多宝贵意见，东北大学徐心和教授、薛定宇教授给予了大力支持和帮助，并得益于与研究生在控制系统分析方面的探讨，在此一并向他们表示感谢。

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。

刘金琨

北京航空航天大学

2023年3月1日