前言
PID控制系统是经典控制系统和现代控制系统的基本组成部分。从化工过程控制、机械过程控制、机电过程控制、航空飞行器控制到电气传动控制和功率变换器控制，PID控制已广泛应用于大多数工业场景中。对于控制工程师来说，理解这些控制系统并具备设计和实现它们的能力至关重要。
PID控制器能够持续应用有以下几个关键原因。
(1) 设计和分析简单。控制系统中有3个参数需要选择，工程师很容易理解和调整这些参数。
(2) 实现简单。虽然PID控制系统在连续时间内进行设计和分析，但只在离散时间实施，并对控制信号施加限值。
(3) 电气、机械、航空航天、土木工程等领域的大多数物理系统都可以分解为一阶或二阶系统的组成部分。对于这些一阶和二阶系统，PID控制器以其设计和实现简单而自然成为候选控制器。在化工过程控制中，通常采用一阶延迟模型（delay model）来近似表示复杂系统，并采用PID控制器对其进行控制。
本书适用于各领域希望学习PID控制系统的设计、实施、自整定的学生、教师、工程师。本书从PID控制系统的基础知识开始(见第1章)，介绍各种PID控制结构和PID控制器整定规则。第2章介绍闭环稳定性和性能分析的必要工具，并解释了灵敏度函数在扰动抑制、给定值跟踪和测量噪声衰减方面的作用。第3章介绍PID控制器和谐振控制器的极点配置设计方法，这些控制器可以跟踪正弦给定信号并抑制正弦扰动； 同时介绍前馈补偿，给出大量分析实例和两个MATLAB教程来说明设计细节。第4章讨论如何实时实现PID控制器，包括离散化、积分器饱和问题、抗饱和机制和其他实现问题； 给出一种基于MATLAB的实时PID控制器实现机制。第5章以与前几章不同的角度研究PID控制器和谐振控制器的设计，通过扰动估计介绍积分模式和谐振模式； 对于控制系统的实现，当控制信号达到限值时，基于扰动观测器的方法自然包含了抗饱和机制； 利用MATLAB提供的实时函数实现PID控制器和具有抗饱和机制的谐振控制器。第6章讨论非线性系统的PID控制，包括线性化、板球平衡系统的实例分析和实验验证、增益调度PID控制系统和基于扰动观测器的增益调度控制系统。第7章介绍串级PID控制系统，包括串级控制系统的设计，以及它在抑制扰动和克服执行器非线性方面的作用。第8章由频率响应数据设计复杂系统的PID控制器，其中包括由增益和相位裕度设计PID控制器、由两个频率点及期望的灵敏度函数设计PID控制器； 对于具有性能指标和相应的增益、相位裕度测量的情况推导了积分延迟模型PID控制的经验规则； 给出由两个频率响应点计算PID控制器参数的MATLAB函数。第9章介绍利用继电反馈控制的PID控制器自整定，建立继电反馈控制的MATLAB实时函数，并用于Simulink仿真； 采用傅里叶分析和频率采样滤波器模型这两种不同的方法估计控制对象的频率响应，其中数据由继电反馈控制产生； 如第8章所述，自动调谐器将估计值与频域设计的PID控制器相联系； MATLAB函数给出了估计算法和自动调谐器具体步骤。作为案例研究，第10章将PID控制系统设计和自整定器应用于多旋翼无人机，并进行了实验验证。
本书包含MATLAB/Simulink教程，并支持仿真和实验结果。本书着重介绍控制系统的仿真和实验实现，为Simulink仿真编写的MATLAB实时函数可以转换为C程序代码，用于微控制器，以实现控制系统。每小节给出了一些思考题，其中一些很简单，另一些则需要思考。在每章的最后还给出了一系列问题，可以用来实践控制系统的设计和仿真。
王六平(Liuping Wang)
于澳大利亚墨尔本