控制系统设计指南 原书第4版PDF电子书下载

第一部分 控制的应用原则 3

第1章 控制理论简介 3

1.1 Visual ModelQ仿真环境 3

1.1.1 Visual ModelQ的安装 3

1.1.2 正误表 4

1.2 控制系统 4

1.2.1 控制器 4

1.2.2 被控机器 4

1.3 控制工程师 5

第2章 频率域研究法 6

2.1 拉普拉斯变换 6

2.2 传递函数 6

2.2.1 s是什么 7

2.2.2 线性化、时不变性与传递函数 7

2.3 传递函数举例 8

2.3.1 控制器单元的传递函数 8

2.3.2 功率变换器的传递函数 9

2.3.3 物理元件的传递函数 9

2.3.4 反馈的传递函数 10

2.4 框图 11

2.4.1 组合框 11

2.4.2 Mason信号流图法 12

2.5 相位与增益 13

2.5.1 传递函数的相位与增益 14

2.5.2 伯德图：相位、增益与频率的关系 14

2.6 性能测量 15

2.6.1 指令响应 15

2.6.2 稳定性 17

2.6.3 与频率域对应的时间域 18

2.7 问题 18

第3章 控制系统的调试 20

3.1 闭合控制回路 20

3.2 模型的详细回顾 22

3.2.1 积分器 22

3.2.2 功率变换器 23

3.2.3 PI控制律 23

3.2.4 反馈滤波器 24

3.3 开环设计法 25

3.4 稳定裕度 25

3.4.1 量化PM与GM 26

3.4.2 实验3A：理解开环设计法 26

3.4.3 开环、闭环与阶跃响应 28

3.5 分段调试的步骤 29

3.5.1 段一：比例段 30

3.5.2 段二：积分段 31

3.6 被控对象增益的变化 31

3.6.1 应对变化的增益 32

3.7 多（级联）控制回路 33

3.8 功率变换器饱和与同步 33

3.9 相位与增益图 36

3.10 问题 38

第4章 数字控制器中的延迟 40

4.1 如何采样 40

4.2 数字系统中的延迟源 40

4.2.1 采样-保持延迟 40

4.2.2 计算延迟 41

4.2.3 速度估计延迟 42

4.2.4 延迟之和 42

4.3 实验4A：数字控制中延迟的理解 43

4.4 选择采样时间 44

4.4.1 一般系统的激进假设 45

4.4.2 基于位置运动系统激进的假设 45

4.4.3 适度假设与保守假设 45

4.5 问题 46

第5章 z域研究法 48

5.1 z域初步 48

5.1.1 z的定义 48

5.1.2 z域传递函数 48

5.1.3 双线性变换 48

5.2 z域相图 49

5.3 混叠 50

5.4 实验5A：混叠 52

5.4.1 z域中的伯德图与框图 53

5.4.2 直流增益 53

5.5 从传递函数到算法 53

5.6 数字系统的函数 55

5.6.1 数字积分与微分 55

5.6.2 数字微分 56

5.6.3 采样-保持 58

5.6.4 DAC/ADC：数模相互转换 59

5.7 计算延迟的减小 60

5.8 量化 61

5.8.1 极限环与抖动 61

5.8.2 偏置与极限环 62

5.9 问题 63

第6章 四种控制器 64

6.1 本章中的调试 64

6.2 比例增益的使用 65

6.2.1 P控制 65

6.2.2 如何调试P控制器 65

6.3 积分增益的使用 67

6.3.1 PI控制 67

6.3.2 如何调试PI控制器 68

6.3.3 模拟PI控制 69

6.4 微分增益的使用 70

6.4.1 PID控制 70

6.4.2 如何调试PID控制器 70

6.4.3 噪声与微分增益 72

6.4.4 Ziegler-Nichols法 72

6.4.5 PID控制中的流行术语 73

6.4.6 PID的模拟替代方法：超前-滞后 73

6.5 PD控制 74

6.6 选择控制器 76

6.7 实验6A～6D 76

6.8 问题 77

第7章 扰动响应 78

7.1 扰动 78

7.2 速度控制器的扰动响应 82

7.2.1 扰动的时间域响应 83

7.2.2 扰动的频率域响应 85

7.3 扰动解耦法 86

7.3.1 扰动解耦法的应用 87

7.3.2 实验7B：扰动解耦 90

7.4 问题 92

第8章 前馈 94

8.1 基于被控对象的前馈 94

8.2 前馈与功率变换器 97

8.2.1 实验8B：功率变换器的补偿 98

8.2.2 增大功率变换器带宽与前馈补偿 100

8.3 延迟指令信号 100

8.3.1 实验8C：指令通路上的延迟 101

8.3.2 实验8D：功率变换器的补偿与指令通路上的延迟 102

8.3.3 有前馈时的调试与钳位 103

8.4 被控对象与功率变换器运行特性中的变化 104

8.4.1 被控对象增益的变化 104

8.4.2 功率变换器运行特性的变化 105

8.5 双积分被控对象的前馈 106

8.6 问题 106

第9章 控制系统中的滤波器及实现 108

9.1 控制系统中的滤波器 108

9.1.1 控制器中的滤波器 108

9.1.2 功率变换器中的滤波器 110

9.1.3 反馈中的滤波器 110

9.2 滤波器的通带 110

9.2.1 低通滤波器 111

9.2.2 陷波滤波器 114

9.2.3 实验9A：模拟滤波器 115

9.2.4 双二阶滤波器 115

9.3 滤波器的实现 116

9.3.1 无源模拟滤波器 116

9.3.2 有源模拟滤波器 116

9.3.3 开关电容滤波器 117

9.3.4 IIR数字滤波器 117

9.3.5 FIR数字滤波器 118

9.4 问题 119

第10章 控制系统中的观测器 120

10.1 观测器纵览 120

10.1.1 观测器术语 121

10.1.2 创建一个Luenberger观测器 121

10.2 实验10A～10C：用观测器提高稳定性 124

10.3 Luenberger观测器的滤波器形式 126

10.3.1 低通与高通滤波器 128

10.3.2 滤波器形式的框图 128

10.3.3 回路形式与滤波器形式的比较 128

10.4 Luenberger观测器的设计 129

10.4.1 传感器的估计器设计 129

10.4.2 传感器的滤波作用 130

10.4.3 被控对象的估计器设计 130

10.4.4 设计观测器补偿器 133

10.5 观测器补偿器的调试概述 134

10.5.1 步骤1：临时构建观测器以供调试 135

10.5.2 步骤2：观测器补偿器稳定性调整 135

10.5.3 步骤3：把观测器恢复为标准Luenberger结构 138

10.6 问题 138

第二部分 建模 140

第11章 建模入门 140

11.1 什么是模型 140

11.2 频域建模 140

11.3 时域建模 142

11.3.1 状态变量 142

11.3.2 建模环境 144

11.3.3 模型 145

11.3.4 时域模型的频域信息 151

11.4 问题 152

第12章 非线性特性与时变 153

12.1 LTI与非LTI 153

12.2 非LTI特性 153

12.2.1 慢变化 153

12.2.2 快变化 154

12.3 非线性特性处理 154

12.3.1 更换被控对象 155

12.3.2 最坏条件下的稳定性调试 155

12.3.3 增益调度 156

12.4 非线性特性十例 157

12.4.1 被控对象的饱和 157

12.4.2 死区 158

12.4.3 逆向漂移 159

12.4.4 视在惯量的变化 161

12.4.5 摩擦力 161

12.4.6 量化 164

12.4.7 确定的反馈误差 164

12.4.8 功率变换器饱和 165

12.4.9 脉冲调制 167

12.4.10 滞环控制器 168

12.5 问题 168

第13章 模型开发与校验 170

13.1 模型开发的七个步骤 170

13.1.1 确定建模目的 170

13.1.2 SI单位制模型 171

13.1.3 系统辨识 172

13.1.4 建立框图 174

13.1.5 频域与时域选择 175

13.1.6 写出模型方程 175

13.1.7 校验模型 175

13.2 从仿真到部署：RCP与HIL 176

13.2.1 RCP技术 176

13.2.2 RCP：移植的中间步骤 176

13.2.3 RCP与并行开发 177

13.2.4 RCP与实时执行 178

13.2.5 LabVIEW中的实时仿真示例 178

13.2.6 硬件在环仿真技术 182

13.2.7 RCP和HIL供货商 183

第三部分 运动控制 186

第14章 编码器与旋转变压器 186

14.1 精度、分辨率与响应速度 187

14.2 编码器 188

14.3 旋转变压器 188

14.3.1 旋转变压器信号变换 189

14.3.2 软件RDC 190

14.3.3 旋转变压器误差与多级旋转变压器 191

14.4 位置分辨率、速度估计与噪声 191

14.4.1 实验14A：分辨率噪声 192

14.4.2 高增益产生大噪声 193

14.4.3 噪声滤除 193

14.5 提高分辨率的选择方法 194

14.5.1 1/T插值法 194

14.5.2 正弦编码器 195

14.6 周期误差与转矩／速度纹波 196

14.6.1 速度纹波 197

14.6.2 转矩纹波 197

14.7 实验14B：周期误差与转矩纹波 199

14.7.1 误差幅值与纹波的关系 199

14.7.2 速度与纹波的关系 199

14.7.3 带宽与纹波的关系 200

14.7.4 惯量与纹波的关系 200

14.7.5 改变误差谐波的影响 200

14.7.6 提高旋转变压器速度的影响 200

14.7.7 实际速度中的纹波与反馈速度中的纹波之间的关系 200

14.8 选择反馈装置 201

14.8.1 供货商 202

14.9 问题 203

第15章 电子伺服电动机与驱动基础 204

15.1 驱动器的定义 204

15.2 伺服系统的定义 205

15.3 磁学基础 205

15.3.1 电磁学 207

15.3.2 右手定则 207

15.3.3 形成磁通路 207

15.4 电子伺服电动机 208

15.4.1 转矩评定等级 208

15.4.2 旋转运动与直线运动 209

15.4.3 直线电动机 209

15.5 永磁有刷电动机 210

15.5.1 生成绕组磁通 210

15.5.2 换相 211

15.5.3 转矩的产生 211

15.5.4 电角与机械角的关系 211

15.5.5 电动机转矩常数KT 212

15.5.6 电动机的电气模型 212

15.5.7 永磁有刷电动机的控制 213

15.5.8 有刷电动机的优点与缺点 215

15.6 永磁无刷电动机 216

15.6.1 永磁无刷电动机的绕组 216

15.6.2 正弦换相 216

15.6.3 永磁无刷电动机的相位控制 217

15.6.4 永磁无刷电动机的DQ控制 220

15.6.5 DQ磁方程 222

15.6.6 DQ控制与相控制的比较 223

15.7 永磁无刷电动机的六步控制 224

15.7.1 换相的位置传感 224

15.7.2 有刷电动机与无刷电动机的比较 225

15.8 感应电动机与磁阻电动机 226

15.9 问题 226

第16章 柔性与谐振 227

16.1 谐振方程 228

16.2 调谐谐振与惯量-减小不稳定性 229

16.2.1 调谐谐振 229

16.2.2 惯量-减小不稳定性 231

16.2.3 实验16A和16B 233

16.3 整治谐振 233

16.3.1 增大电动机／负载惯量的比值 233

16.3.2 增强传动刚性 235

16.3.3 增大阻尼 237

16.3.4 滤波器 238

16.4 问题 239

第17章 位置控制回路 241

17.1 P/PI位置控制 241

17.1.1 P/PI传递函数 242

17.1.2 调试P/PI回路 243

17.1.3 P/PI回路中的前馈 245

17.1.4 调试有速度前馈的P/PI回路 245

17.1.5 P/PI回路中的加速度前馈 246

17.1.6 调试具有加速度／速度前馈的P/PI回路 247

17.2 PI/P位置控制 248

17.2.1 调试PI/P回路 249

17.3 PID位置控制 249

17.3.1 PID位置控制器调试 250

17.3.2 速度前馈与PID位置控制器 251

17.3.3 加速度前馈与PID位置控制器 251

17.3.4 PID位置环的指令响应与扰动响应 252

17.4 位置环的比较 253

17.4.1 定位、速度与电流驱动器配置 253

17.4.2 比较表格 254

17.4.3 双环位置控制 254

17.5 位置轮廓发生器 255

17.5.1 梯形分段计算 256

17.5.2 逐点产生 256

17.5.3 S曲线 257

17.5.4 多轴协调 259

17.6 定位系统的伯德图 259

17.6.1 采用速度驱动的系统的伯德图 259

17.6.2 采用电流驱动器的系统的伯德图 260

17.7 问题 260

第18章 Luenberger观测器在运动控制中的应用 262

18.1 可能从观测器中获益的应用 262

18.1.1 性能需求 262

18.1.2 可采用的计算资源 262

18.1.3 位置反馈传感器 262

18.1.4 运动控制传感器中的相位滞后 263

18.2 观测速度，减小相位滞后 263

18.2.1 消除由简单差分引入的相位滞后 263

18.2.2 消除变换引起的相位滞后 269

18.3 加速度反馈 273

18.3.1 使用观测加速度 274

18.3.2 实验18E：使用观测加速度反馈 275

18.4 问题 276

第19章 运动控制中的快速控制原型技术 278

19.1 为什么使用RCP 278

19.1.1 用RCP来改进、验证模型 279

19.1.2 用RCP获取物理元部件访问权，并取代模型 279

19.2 具有硬耦合负载的伺服系统 280

19.2.1 建立系统模型 281

19.2.2 LabVIEW模型和Visual ModelQ模型的比较 282

19.2.3 将LabVIEW模型转换为RCP控制器 283

19.2.4 验证RCP控制器 284

19.3 具有柔性耦合负载的伺服系统 286

19.3.1 在Visual ModelQ中建立系统模型 287

19.3.2 在LabVIEW中建立系统模型 288

19.3.3 转换LabVIEW模型为RCP系统 288

附录 291

附录A 控制器元件的有源模拟实现 291

附录B 欧洲框图符号 293

附录C 龙格-库塔法 295

附录D 双线性变换研究 299

附录E 数字算法的并行形式 300

附录F 基本矩阵论 302

附录G 习题答案 303

术语中英对照表 312

参考文献 321

后记 325