全書共分17章，包括基本的PID控制、PID控制器的整定、時滯系統PID控制、基於微分器的PID控制、基於觀測器的PID控制、自抗擾控制器及其PID控制、PD魯棒自適應控制、專家PID控制和模糊PD控制、神經網絡PID控制、基於差分進化的PID控制、伺服系統PID控制、迭代學習PID控制、撓性及奇異攝動系統的PD控制、機械手PID控制、飛行器雙閉環PD控制、倒立擺系統的控制及GUI動畫演示，以及其他控制方法的設計。每種方法都給出了算法推導、實例分析和相應的MATLAB仿真設計程序。劉金琨，遼寧人，1965年生。分別於1989年7月，1994年3月和1997年3月獲東北大學工學學士、工學碩士和工學博士學位。1997年3月至1998年12月在浙江大學工業控制技術研究所做博士后研究工作。1999年1月至1999年7月在香港科技大學從事合作研究。1999年11月至今在北京航空航天大學自動化學院從事教學與科研工作，現任教授，博士導師。主講《智能控制》、《先進控制系統設計》和《系統辨識》等課程。研究方向為控制理論與應用。自從從事研究工作以來，主持國家自然基金等科研項目10余項，以第一作者發表學術論文100余篇。曾出版《智能控制》、《機器人控制系統的設計與Matlab仿真》、《滑模變結構控制Matlab仿真》、《RBF神經網絡自適應控制Matlab仿真》、《系統辨識》和《微分器設計與應用—信號濾波與求導》等着作。

第1章基本的PID控制1 1.1PID控制原理1 1.2連續系統的模擬PID仿真2 1.2.1基本的PID控制2 1.2.2線性時變系統的PID控制8 1.3數字PID控制12 1.3.1位置式PID控制算法12 1.3.2連續系統的數字PID控制仿真13 1.3.3離散系統的數字PID控制仿真18 1.3.4增量式PID控制算法及仿真25 1.3.5積分分離PID控制算法及仿真26 1.3.6抗積分飽和PID控制算法及仿真31 1.3.7梯形積分PID控制算法34 1.3.8變速積分PID算法及仿真34 1.3.9帶濾波器的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帶死區的PID控制算法及仿真51 1.3.13基於前饋補償的PID控制算法及仿真55 1.3.14步進式PID控制算法及仿真57 1.3.15PID控制的方波響應60 1.3.16基於卡爾曼濾波器的PID控制62 1.4S函數介紹71 1.4.1S函數簡介71 1.4.2S函數使用步驟72 1.4.3S函數的基本功能及重要參數設定72 1.4.4實例說明72 1.5PID研究新進展73 參考文獻73 第2章PID控制器的整定75 2.1概述75 2.2基於響應曲線法的PID整定75 2.2.1基本原理75 2.2.2仿真實例76 2.3基於Ziegler—Nichols的頻域響應PID整定79 2.3.1連續Ziegler—Nichols方法的PID整定79 2.3.2仿真實例80 2.3.3離散Ziegler—Nichols方法的PID整定83 2.3.4仿真實例83 2.4基於頻域分析的PD整定87 2.4.1基本原理87 2.4.2仿真實例87 2.5基於相位裕度整定的PI控制89 2.5.1基本原理89 2.5.2仿真實例92 2.6基於極點配置的穩定PD控制94 2.6.1基本原理94 2.6.2仿真實例95 2.7基於臨界比例度法的PID整定97 2.7.1基本原理97 2.7.2仿真實例98 2.8一類非線性整定的PID控制100 2.8.1基本原理100 2.8.2仿真實例102 2.9基於優化函數的PID整定104 2.9.1基本原理104 2.9.2仿真實例104 2.10基於NCD優化的PID整定106 2.10.1基本原理106 2.10.2仿真實例106 2.11基於NCD與優化函數結合的PID整定109 2.11.1基本原理109 2.11.2仿真實例110 2.12傳遞函數的頻域測試111 2.12.1基本原理111 2.12.2仿真實例112 參考文獻115 第3章時滯系統的PID控制116 3.1單回路PID控制系統116 3.2串級PID控制116 3.2.1串級PID控制原理116 3.2.2仿真實例117 3.3純滯后系統的大林控制算法121 3.3.1大林控制算法原理121 3.3.2仿真實例121 3.4純滯后系統的Smith控制算法123 3.4.1連續Smith預估控制123 3.4.2仿真實例125 3.4.3數字Smith預估控制127 3.4.4仿真實例128 參考文獻133 第4章基於微分器的PID控制134 4.1基於全程快速微分器的PD控制134 4.1.1全程快速微分器134 4.1.2仿真實例134 4.2基於Levant微分器的PID控制143 4.2.1Levant微分器143 4.2.2仿真實例144 參考文獻155 第5章基於觀測器的PID控制156 5.1基於慢干擾觀測器補償的PID控制156 5.1.1系統描述156 5.1.2觀測器設計156 5.1.3仿真實例157 5.2基於指數收斂干擾觀測器的PID控制162 5.2.1系統描述163 5.2.2指數收斂干擾觀測器的問題提出163 5.2.3指數收斂干擾觀測器的設計163 5.2.4PID控制器的設計及分析164 5.2.5仿真實例164 5.3基於名義模型干擾觀測器的PID控制171 5.3.1干擾觀測器基本原理171 5.3.2干擾觀測器的性能分析172 5.3.3干擾觀測器魯棒穩定性173 5.3.4低通濾波器Q（s）的設計175 5.3.5仿真實例176 5.4基於擴張觀測器的PID控制181 5.4.1擴張觀測器的設計181 5.4.2擴張觀測器的分析181 5.4.3仿真實例184 5.5基於輸出延遲觀測器的PID控制198 5.5.1系統描述198 5.5.2輸出延遲觀測器的設計198 5.5.3仿真實例199 參考文獻208 第6章自抗擾控制器及其PID控制209 6.1非線性跟蹤微分器209 6.1.1微分器描述209 6.1.2仿真實例209 6.2安排過渡過程及PID控制214 6.2.1安排過渡過程214 6.2.2仿真實例214 6.3基於非線性擴張觀測器的PID控制220 6.3.1系統描述220 6.3.2非線性擴張觀測器220 6.3.3仿真實例221 6.4非線性PID控制233 6.4.1非線性PID控制算法233 6.4.2仿真實例234 6.5自抗擾控制236 6.5.1自抗擾控制結構236 6.5.2仿真實例237 參考文獻246 第7章PD魯棒自適應控制247 7.1穩定的PD控制算法247 7.1.1問題的提出247 7.1.2PD控制律的設計247 7.1.3仿真實例248 7.2基於模型的PI魯棒控制251 7.2.1問題的提出251 7.2.2PD控制律的設計251 7.2.3穩定性分析252 7.2.4仿真實例252 7.3基於名義模型的機械手PI魯棒控制256 7.3.1問題的提出256 7.3.2魯棒控制律的設計257 7.3.3穩定性分析257 7.3.4仿真實例258 7.4基於Anti—windup的PID控制266 7.4.1Anti—windup基本原理266 7.4.2基於Anti—windup的PID控制266 7.4.3仿真實例267 7.5基於PD增益自適應調節的模型參考自適應控制271 7.5.1問題描述271 7.5.2控制律的設計與分析271 7.5.3仿真實例272 參考文獻280 第8章模糊PD控制和專家PID控制281 8.1倒立擺穩定的PD控制281 8.1.1系統描述281 8.1.2控制律設計281 8.1.3仿真實例282 8.2基於自適應模糊補償的倒立擺PD控制285 8.2.1問題描述285 8.2.2自適應模糊控制器設計與分析286 8.2.3穩定性分析287 8.2.4仿真實例288 8.3基於模糊規則表的模糊PD控制295 8.3.1基本原理295 8.3.2仿真實例296 8.4模糊自適應整定PID控制299 8.4.1模糊自適應整定PID控制原理299 8.4.2仿真實例301 8.5專家PID控制307 8.5.1專家PID控制原理307 8.5.2仿真實例308 參考文獻310 第9章神經網絡PID控制311 9.1基於單神經元網絡的PID智能控制311 9.1.1幾種典型的學習規則311 9.1.2單神經元自適應PID控制311 9.1.3改進的單神經元自適應PID控制312 9.1.4仿真實例313 9.2基於二次型性能指標學習算法的單神經元自適應PID控制316 9.2.1控制律的設計316 9.2.2仿真實例317 9.3基於自適應神經網絡補償的PD控制320 9.3.1問題描述320 9.3.2自適應神經網絡設計與分析321 9.3.3仿真實例323 參考文獻328 第10章基於差分進化的PID控制329 10.1差分進化算法的基本原理329 10.1.1差分進化算法的提出329 10.1.2標准差分進化算法329 10.1.3差分進化算法的基本流程330 10.1.4差分進化算法的參數設置331 10.2基於差分進化算法的函數優化332 10.3基於差分進化整定的PD控制335 10.3.1基本原理336 10.3.2基於差分進化的PD整定336 10.4基於摩擦模型辨識和補償的PD控制340 10.4.1摩擦模型的在線參數辨識340 10.4.2仿真實例341 10.5基於最優軌跡規划的PID控制345 10.5.1問題的提出345 10.5.2一個簡單的樣條插值實例345 10.5.3最優軌跡的設計347 10.5.4最優軌跡的優化347 10.5.5仿真實例348 參考文獻354 第11章伺服系統PID控制355 11.1基於Lugre摩擦模型的PID控制355 11.1.1伺服系統的摩擦現象355 11.1.2伺服系統的LuGre摩擦模型355 11.1.3仿真實例356 11.2基於Stribeck摩擦模型的PID控制358 11.2.1Stribeck摩擦模型描述358 11.2.2一個典型伺服系統描述359 11.2.3仿真實例359 11.3伺服系統三環的PID控制367 11.3.1伺服系統三環的PID控制原理367 11.3.2仿真實例368 11.4二質量伺服系統的PID控制371 11.4.1二質量伺服系統的PID控制原理371 11.4.2仿真實例372 11.5伺服系統的模擬PD+數字前饋控制375 11.5.1伺服系統的模擬PD+數字前饋控制原理375 11.5.2仿真實例376 參考文獻377 第12章迭代學習PID控制378 12.1迭代學習控制方法介紹378 12.2迭代學習控制基本原理378 12.3基本的迭代學習控制算法379 12.4基於PID型的迭代學習控制379 12.4.1系統描述379 12.4.2控制器設計379 12.4.3仿真實例380 參考文獻385 第13章撓性及奇異攝動系統的PD控制386 13.1基於輸入成型的撓性機械系統PD控制386 13.1.1系統描述386 13.1.2控制器設計386 13.1.3輸入成型器基本原理386 13.1.4仿真實例388 13.2基於奇異攝動理論的P控制393 13.2.1問題描述394 13.2.2模型分解394 13.2.3控制律設計394 13.2.4仿真實例395 13.3柔性機械臂的偏微分方程動力學建模398 13.3.1柔性機械臂的控制問題398 13.3.2柔性機械臂的偏微分方程建模398 13.4柔性機械臂分布式參數邊界控制402 13.4.1模型描述402 13.4.2邊界PD控制律設計403 13.4.3仿真實例405 參考文獻412 第14章機械手PID控制413 14.1機械手獨立PD控制413 14.1.1控制律設計413 14.1.2收斂性分析413 14.1.3仿真實例413 14.2工作空間中機械手末端軌跡PD控制417 14.2.1工作空間直角坐標與關節角位置的轉換418 14.2.2機械手在工作空間的建模419 14.2.3PD控制器的設計419 14.2.4仿真實例420 14.3工作空間中機械手末端的阻抗PD控制426 14.3.1問題的提出426 14.3.2阻抗模型的建立427 14.3.3控制器的設計428 14.3.4仿真實例428 14.4移動機器人的P+前饋控制438 14.4.1移動機器人運動學模型439 14.4.2位置控制律設計439 14.4.3姿態控制律設計440 14.4.4閉環系統的設計關鍵441 14.4.5仿真實例441 參考文獻448 第15章飛行器雙閉環PD控制450 15.1基於雙環設計的VTOL飛行器軌跡跟蹤PD控制450 15.1.1VTOL模型描述450 15.1.2針對第一個子系統的控制451 15.1.3針對第二個子系統的控制452 15.1.4仿真實例452 15.2基於內外環的四旋翼飛行器的PD控制459 15.2.1四旋翼飛行器動力學模型459 15.2.2位置控制律設計460 15.2.3虛擬姿態角度的求解461 15.2.4姿態控制律設計462 15.2.5閉環系統的設計關鍵463 15.2.6仿真實例464 參考文獻473 第16章小車倒立擺系統的控制及GUI動畫演示474 16.1小車倒立擺的H∞控制474 16.1.1系統描述474 16.1.2H∞控制器要求475 16.1.3基於Riccati方程的H∞控制475 16.1.4LMI及其MATLAB求解476 16.1.5基於LMI的H∞控制477 16.1.6仿真實例477 16.2單級倒立擺控制系統的GUI動畫演示485 16.2.1GUI介紹485 16.2.2演示程序的構成485 16.2.3主程序的實現485 16.2.4演示界面的GUI設計486 16.2.5演示步驟486 參考文獻488 第17章其他控制方法的設計與仿真489 17.1單級倒立擺建模489 17.2倒立擺PD控制490 17.2.1系統描述490 17.2.2仿真實例491 17.3小車倒立擺的全狀態反饋控制494 17.3.1系統描述494 17.3.2全狀態反饋控制494 17.3.3仿真實例495 17.4輸入／輸出反饋線性化503 17.4.1系統描述503 17.4.2控制律設計503 17.4.3仿真實例504 17.5倒立擺反演控制507 17.5.1系統描述508 17.5.2控制律設計508 17.5.3仿真實例509 17.6倒立擺滑模控制512 17.6.1問題描述512 17.6.2控制律設計512 17.6.3仿真實例513 17.7自適應魯棒滑模控制518 17.7.1問題的提出518 17.7.2自適應控制律的設計518 17.7.3仿真實例519 參考文獻526