控制系統(tǒng)設(shè)計指南（原書第4版）

譯者序
前言
第一部分控制的應(yīng)用原則
第1章控制理論簡介3
1.1Visual ModelQ仿真環(huán)境3
1.1.1Visual ModelQ的安裝3
1.1.2正誤表4
1.2控制系統(tǒng)4
1.2.1控制器4
1.2.2被控機(jī)器4
1.3控制工程師5
第2章頻率域研究法6
2.1拉普拉斯變換6
2.2傳遞函數(shù)6
2.2.1s是什么7
2.2.2線性化、時不變性與傳遞函數(shù)7
2.3傳遞函數(shù)舉例8
2.3.1控制器單元的傳遞函數(shù)8
2.3.2功率變換器的傳遞函數(shù)9
2.3.3物理元件的傳遞函數(shù)9
2.3.4反饋的傳遞函數(shù)10
2.4框圖11
2.4.1組合框11
2.4.2Mason信號流圖法12
2.5相位與增益13
2.5.1傳遞函數(shù)的相位與增益14
2.5.2伯德圖：相位、增益與頻率的
關(guān)系14
2.6性能測量15
2.6.1指令響應(yīng)15
2.6.2穩(wěn)定性17
2.6.3與頻率域?qū)?yīng)的時間域18
2.7問題18
第3章控制系統(tǒng)的調(diào)試20
3.1閉合控制回路20
3.2模型的詳細(xì)回顧22
3.2.1積分器22
3.2.2功率變換器23
3.2.3PI控制律23
3.2.4反饋濾波器24
3.3開環(huán)設(shè)計法25
3.4穩(wěn)定裕度25
3.4.1量化PM與GM26
3.4.2實驗3A：理解開環(huán)設(shè)計法26
3.4.3開環(huán)、閉環(huán)與階躍響應(yīng)28
3.5分段調(diào)試的步驟29
3.5.1段一：比例段30
3.5.2段二：積分段31
3.6被控對象增益的變化31
3.6.1應(yīng)對變化的增益32
3.7多(級聯(lián))控制回路33
3.8功率變換器飽和與同步33
3.9相位與增益圖36
3.10問題38
第4章數(shù)字控制器中的延遲40
4.1如何采樣40
4.2數(shù)字系統(tǒng)中的延遲源40
4.2.1采樣保持延遲40
4.2.2計算延遲41
4.2.3速度估計延遲42
4.2.4延遲之和42
4.3實驗4A：數(shù)字控制中延遲的理解43
4.4選擇采樣時間44
4.4.1一般系統(tǒng)的激進(jìn)假設(shè)45
4.4.2基于位置運動系統(tǒng)激進(jìn)的假設(shè)45
4.4.3適度假設(shè)與保守假設(shè)45
4.5問題46
第5章z域研究法48
5.1z域初步48
5.1.1z的定義48
5.1.2z域傳遞函數(shù)48
5.1.3雙線性變換48
5.2z域相圖49
5.3混疊50
5.4實驗5A:混疊52
5.4.1z域中的伯德圖與框圖53
5.4.2直流增益53
5.5從傳遞函數(shù)到算法53
5.6數(shù)字系統(tǒng)的函數(shù)55
5.6.1數(shù)字積分與微分55
5.6.2數(shù)字微分56
5.6.3采樣保持58
5.6.4DAC/ADC：數(shù)模相互轉(zhuǎn)換59
5.7計算延遲的減小60
5.8量化61
5.8.1極限環(huán)與抖動61
5.8.2偏置與極限環(huán)62
5.9問題63
第6章四種控制器64
6.1本章中的調(diào)試64
6.2比例增益的使用65
6.2.1P控制65
6.2.2如何調(diào)試P控制器65
6.3積分增益的使用67
6.3.1PI控制67
6.3.2如何調(diào)試PI控制器68
6.3.3模擬PI控制69
6.4微分增益的使用70
6.4.1PID控制70
6.4.2如何調(diào)試PID控制器70
6.4.3噪聲與微分增益72
6.4.4ZieglerNichols法72
6.4.5PID控制中的流行術(shù)語73
6.4.6PID的模擬替代方法：超前
滯后73
6.5PD控制74
6.6選擇控制器76
6.7實驗6A～6D76
6.8問題77
第7章擾動響應(yīng)78
7.1擾動78
7.2速度控制器的擾動響應(yīng)82
7.2.1擾動的時間域響應(yīng)83
7.2.2擾動的頻率域響應(yīng)85
7.3擾動解耦法86
7.3.1擾動解耦法的應(yīng)用87
7.3.2實驗7B：擾動解耦90
7.4問題92
第8章前饋94
8.1基于被控對象的前饋94
8.2前饋與功率變換器97
8.2.1實驗8B:功率變換器的補(bǔ)償98
8.2.2增大功率變換器帶寬與前饋
補(bǔ)償100
8.3延遲指令信號100
8.3.1實驗8C：指令通路上的延遲101
8.3.2實驗8D：功率變換器的補(bǔ)償與
指令通路上的延遲102
8.3.3有前饋時的調(diào)試與鉗位103
8.4被控對象與功率變換器運行特性中的
變化104
8.4.1被控對象增益的變化104
8.4.2功率變換器運行特性的變化105
8.5雙積分被控對象的前饋106
8.6問題106
第9章控制系統(tǒng)中的濾波器及實現(xiàn)108
9.1控制系統(tǒng)中的濾波器108
9.1.1控制器中的濾波器108
9.1.2功率變換器中的濾波器110
9.1.3反饋中的濾波器110
9.2濾波器的通帶110
9.2.1低通濾波器111
9.2.2陷波濾波器114
9.2.3實驗9A:模擬濾波器115
9.2.4雙二階濾波器115
9.3濾波器的實現(xiàn)116
9.3.1無源模擬濾波器116
9.3.2有源模擬濾波器116
9.3.3開關(guān)電容濾波器117
9.3.4IIR數(shù)字濾波器117
9.3.5FIR數(shù)字濾波器118
9.4問題119
第10章控制系統(tǒng)中的觀測器120
10.1觀測器縱覽120
10.1.1觀測器術(shù)語121
10.1.2創(chuàng)建一個Luenberger觀測器121
10.2實驗10A～10C:用觀測器提高穩(wěn)定性124
10.3Luenberger觀測器的濾波器形式126
10.3.1低通與高通濾波器128
10.3.2濾波器形式的框圖128
10.3.3回路形式與濾波器形式的
比較128
10.4Luenberger觀測器的設(shè)計129
10.4.1傳感器的估計器設(shè)計129
10.4.2傳感器的濾波作用130
10.4.3被控對象的估計器設(shè)計130
10.4.4設(shè)計觀測器補(bǔ)償器133
10.5觀測器補(bǔ)償器的調(diào)試概述134
10.5.1步驟1：臨時構(gòu)建觀測器以供
調(diào)試135
10.5.2步驟2：觀測器補(bǔ)償器穩(wěn)定性
調(diào)整135
10.5.3步驟3：把觀測器恢復(fù)為標(biāo)準(zhǔn)
Luenberger結(jié)構(gòu)138
10.6問題138第二部分建模
第11章建模入門140
11.1什么是模型140
11.2頻域建模140
11.3時域建模142
11.3.1狀態(tài)變量142
11.3.2建模環(huán)境144
11.3.3模型145
11.3.4時域模型的頻域信息151
11.4問題152
第12章非線性特性與時變153
12.1LTI與非LTI153
12.2非LTI特性153
12.2.1慢變化153
12.2.2快變化154
12.3非線性特性處理154
12.3.1更換被控對象155
12.3.2最壞條件下的穩(wěn)定性調(diào)試155
12.3.3增益調(diào)度156
12.4非線性特性十例157
12.4.1被控對象的飽和157
12.4.2死區(qū)158
12.4.3逆向漂移159
12.4.4視在慣量的變化161
12.4.5摩擦力161
12.4.6量化164
12.4.7確定的反饋誤差164
12.4.8功率變換器飽和165
12.4.9脈沖調(diào)制167
12.4.10滯環(huán)控制器168
12.5問題168
第13章模型開發(fā)與校驗170
13.1模型開發(fā)的七個步驟170
13.1.1確定建模目的170
13.1.2SI單位制模型171
13.1.3系統(tǒng)辨識172
13.1.4建立框圖174
13.1.5頻域與時域選擇175
13.1.6寫出模型方程175
13.1.7校驗?zāi)Ｐ?75
13.2從仿真到部署:RCP與HIL176
13.2.1RCP技術(shù)176
13.2.2RCP:移植的中間步驟176
13.2.3RCP與并行開發(fā)177
13.2.4RCP與實時執(zhí)行178
13.2.5LabVIEW中的實時仿真示例178
13.2.6硬件在環(huán)仿真技術(shù)182
13.2.7RCP和HIL供貨商183第三部分運 動 控 制
第14章編碼器與旋轉(zhuǎn)變壓器186
14.1精度、分辨率與響應(yīng)速度187
14.2編碼器188
14.3旋轉(zhuǎn)變壓器188
14.3.1旋轉(zhuǎn)變壓器信號變換189
14.3.2軟件RDC190
14.3.3旋轉(zhuǎn)變壓器誤差與多級旋轉(zhuǎn)
變壓器191
14.4位置分辨率、速度估計與噪聲191
14.4.1實驗14A：分辨率噪聲192
14.4.2高增益產(chǎn)生大噪聲193
14.4.3噪聲濾除193
14.5提高分辨率的選擇方法194
14.5.11/T插值法194
14.5.2正弦編碼器195
14.6周期誤差與轉(zhuǎn)矩/速度紋波196
14.6.1速度紋波197
14.6.2轉(zhuǎn)矩紋波197
14.7實驗14B：周期誤差與轉(zhuǎn)矩紋波199
14.7.1誤差幅值與紋波的關(guān)系199
14.7.2速度與紋波的關(guān)系199
14.7.3帶寬與紋波的關(guān)系200
14.7.4慣量與紋波的關(guān)系200
14.7.5改變誤差諧波的影響200
14.7.6提高旋轉(zhuǎn)變壓器速度的影響200
14.7.7實際速度中的紋波與反饋速度中的紋波之間的關(guān)系200
14.8選擇反饋裝置201
14.8.1供貨商202
14.9問題203
第15章電子伺服電動機(jī)與驅(qū)動
基礎(chǔ)204
15.1驅(qū)動器的定義204
15.2伺服系統(tǒng)的定義205
15.3磁學(xué)基礎(chǔ)205
15.3.1電磁學(xué)207
15.3.2右手定則207
15.3.3形成磁通路207
15.4電子伺服電動機(jī)208
15.4.1轉(zhuǎn)矩評定等級208
15.4.2旋轉(zhuǎn)運動與直線運動209
15.4.3直線電動機(jī)209
15.5永磁有刷電動機(jī)210
15.5.1生成繞組磁通210
15.5.2換相211
15.5.3轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生211
15.5.4電角與機(jī)械角的關(guān)系211
15.5.5電動機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT212
15.5.6電動機(jī)的電氣模型212
15.5.7永磁有刷電動機(jī)的控制213
15.5.8有刷電動機(jī)的優(yōu)點與缺點215
15.6永磁無刷電動機(jī)216
15.6.1永磁無刷電動機(jī)的繞組216
15.6.2正弦換相216
15.6.3永磁無刷電動機(jī)的相位控制217
15.6.4永磁無刷電動機(jī)的DQ控制220
15.6.5DQ磁方程222
15.6.6DQ控制與相控制的比較223
15.7永磁無刷電動機(jī)的六步控制224
15.7.1換相的位置傳感224
15.7.2有刷電動機(jī)與無刷電動機(jī)的
比較225
15.8感應(yīng)電動機(jī)與磁阻電動機(jī)226
15.9問題226
第16章柔性與諧振227
16.1諧振方程228
16.2調(diào)諧諧振與慣量減小不穩(wěn)定性229
16.2.1調(diào)諧諧振229
16.2.2慣量減小不穩(wěn)定性231
16.2.3實驗16A和16B233
16.3整治諧振233
16.3.1增大電動機(jī)/負(fù)載慣量的比值233
16.3.2增強(qiáng)傳動剛性235
16.3.3增大阻尼237
16.3.4濾波器238
16.4問題239
第17章位置控制回路241
17.1P/PI位置控制241
17.1.1P/PI傳遞函數(shù)242
17.1.2調(diào)試P/PI回路243
17.1.3P/PI回路中的前饋245
17.1.4調(diào)試有速度前饋的P/PI回路245
17.1.5P/PI回路中的加速度前饋246
17.1.6調(diào)試具有加速度/速度前饋的
P/PI回路247
17.2PI/P位置控制248
17.2.1調(diào)試PI/P回路249
17.3PID位置控制249
17.3.1PID位置控制器調(diào)試250
17.3.2速度前饋與PID位置控制器251
17.3.3加速度前饋與PID位置
控制器251
17.3.4PID位置環(huán)的指令響應(yīng)與擾動
響應(yīng)252
17.4位置環(huán)的比較253
17.4.1定位、速度與電流驅(qū)動器
配置253
17.4.2比較表格254
17.4.3雙環(huán)位置控制254
17.5位置輪廓發(fā)生器255
17.5.1梯形分段計算256
17.5.2逐點產(chǎn)生256
17.5.3S曲線257
17.5.4多軸協(xié)調(diào)259
17.6定位系統(tǒng)的伯德圖259
17.6.1采用速度驅(qū)動的系統(tǒng)的
伯德圖259
17.6.2采用電流驅(qū)動器的系統(tǒng)的
伯德圖260
17.7問題260
第18章Luenberger觀測器在運動
控制中的應(yīng)用262
18.1可能從觀測器中獲益的應(yīng)用262
18.1.1性能需求262
18.1.2可采用的計算資源262
18.1.3位置反饋傳感器262
18.1.4運動控制傳感器中的相位
滯后263
18.2觀測速度，減小相位滯后263
18.2.1消除由簡單差分引入的相位
滯后263
18.2.2消除變換引起的相位滯后269
18.3加速度反饋273
18.3.1使用觀測加速度274
18.3.2實驗18E：使用觀測加速度
反饋275
18.4問題276
第19章運動控制中的快速控制原型
技術(shù)278
19.1為什么使用RCP278
19.1.1用RCP來改進(jìn)、驗證模型279
19.1.2用RCP獲取物理元部件訪問權(quán)，
并取代模型279
19.2具有硬耦合負(fù)載的伺服系統(tǒng)280
19.2.1建立系統(tǒng)模型281
19.2.2LabVIEW模型和Visual ModelQ
模型的比較282
19.2.3將LabVIEW模型轉(zhuǎn)換為RCP
控制器283
19.2.4驗證RCP控制器284
19.3具有柔性耦合負(fù)載的伺服系統(tǒng)286
19.3.1在Visual ModelQ中建立系統(tǒng)
模型287
19.3.2在LabVIEW中建立系統(tǒng)模型288
19.3.3轉(zhuǎn)換LabVIEW模型為RCP
系統(tǒng)288
附錄291
附錄A控制器元件的有源模擬實現(xiàn)291
附錄B歐洲框圖符號293
附錄C龍格庫塔法295
附錄D雙線性變換研究299
附錄E數(shù)字算法的并行形式300
附錄F基本矩陣論302
附錄G習(xí)題答案303
術(shù)語中英對照表312
參考文獻(xiàn)321
后記325