控制系统设计指南PDF电子书下载

第1章　控制理论简介 3

1.1　Visual ModelQ环境 3

第一部分　控制原理 3

1.1.1　Visual ModelQ的安装 4

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 5

1.3　控制工程师 5

2.2　传递函数 7

第2章　频率域研究法 7

2.1　拉普拉斯变换 7

2.2.1　拉普拉斯算子 8

2.2.2　线性化、时不变性与传递函数 8

2.3　传递函数举例 9

2.3.1　控制器单元的传递函数 10

2.3.2　功率变换器的传递函数 10

2.3.3　物理元件的传递函数 10

2.4　框图 12

2.4.1　组合框 12

2.3.4　反馈的传递函数 12

2.4.2　Mason信号流图 13

2.5　相位与增益 15

2.5.1　传递函数的相位与增益 16

2.5.2　Bode图 16

2.6　性能测量 17

2.6.1　指令响应 17

2.6.2　稳定性 19

2.6.3　与频率域对应的时间域 20

2.7　问题 21

3.1　闭合控制回路 23

第3章　控制系统的调试 23

3.2　模型的详细回顾 25

3.2.1　积分器 25

3.2.2　功率变换器 27

3.2.3　PI控制律 27

3.2.4　反馈滤波器 28

3.3　开环设计法 29

3.4　稳定裕度 30

3.4.1　GM与PM的确定 30

3.4.2　实验3A：开环设计法的理解 31

3.4.3　开环、闭环与阶跃响应 32

3.5　分段调试的步骤 34

3.5.1　段一：比例段 35

3.5.2　段二：积分段 36

3.6　被控对象增益的变动 36

3.7　多（级联）控制回路 38

3.8　饱和与同步 39

3.9　问题 41

4.2　数字系统中的延迟源 43

4.2.1　采样－保持延迟 43

4.1　如何采样 43

第4章　数字控制器中的延迟 43

4.2.2　计算延迟 45

4.2.3　速度估计延迟 45

4.2.4　延迟之和 45

4.3　实验4A：数字控制中延迟的理解 46

4.4　采样时间的选择 48

4.4.1　一般系统的激进假设 48

4.4.2　基于位置运动系统激进的假设 49

4.4.3　适度假设与保守假设 49

4.5　问题 50

5.1.2　z域传递函数 51

5.1.1　z的定义 51

第5章　z域研究法 51

5.1　z域初步 51

5.1.3　双线性变换 52

5.2　z域相图 52

5.3　混叠 54

5.4　实验5A：混叠 55

5.4.1　z域中的Bode图与框图 56

5.4.2　直流（DC）增益 56

5.5　从传递函数到算法 56

5.6.1　数字积分与微分 58

5.6　数字系统的函数 58

5.6.2　数字微分 60

5.6.3　采样－保持 63

5.6.4　数／模相互转换 64

5.7　计算延迟的减小 65

5.8　选择处理器 65

5.8.1　定点与浮点运算 66

5.8.6　处理器的选择 67

5.8.5　处理器的未来 67

5.8.3　其他算法 67

5.8.4　编程的难易 67

5.8.2　超采样时间运行 67

5.9　量化 68

5.9.1　极限环与抖动 68

5.9.2　偏移与极限环 69

5.10　问题 70

第6章　控制器 72

6.1　本章中的调试 72

6.2.1　P控制 73

6.2　比例增益的使用 73

6.2.2　如何调试P控制器 74

6.3　积分增益的使用 76

6.3.1　PI控制 76

6.3.2　PI＋控制 78

6.4　微分增益的使用 83

6.4.1 PID控制 83

6.4.2 PID控制中的流行术语 87

6.4.3 PID的模拟备用：超前－滞后 87

6.5　PID＋控制 88

6.6　PD控制 90

6.7　选择控制器 92

6.8　实验6A～6F 94

6.9　问题 94

第7章　扰动响应 95

7.1　扰动 95

7.2　速度控制器的扰动响应 100

7.2.1　时间域扰动响应 101

7.2.2　扰动的频率域响应 103

7.3　扰动解耦法 105

7.3.1　扰动解耦法的应用 105

7.3.2　实验7B：扰动解耦 109

7.4　问题 112

第8章　前馈 114

8.1　基于对象的前馈 114

8.2　前馈与功率变换器 117

8.2.1　实验8B：功率变换器的补偿 118

8.2.2　扩展带宽与前馈补偿 121

8.3　延迟指令信号 121

8.3.1　实验8C：指令路径上的延迟 121

8.3.2　实验8D：功率变换器的补偿与指令路径上的延迟 123

8.4.1　被控对象增益的变化 125

8.3.3　有前馈时的调试与钳位 125

8.4　被控对象与功率变换器运行特性的变化 125

8.4.2　功率变换器运行特性的变化 126

8.5　双积分被控对象的前馈 127

8.6　问题 128

第9章　控制系统中的滤波器 129

9.1　控制系统中的滤波器 129

9.1.1　控制器中的滤波器 129

9.1.3　反馈中的滤波 132

9.2　滤波器的通带 132

9.1.2　功率变换器中的滤波器 132

9.2.1　低通滤波器 133

9.2.2　陷波滤波器 136

9.2.3　实验9A：模拟滤波器 137

9.2.4　双二阶滤波器 138

9.3　滤波器的实现 139

9.3.1　无源模拟滤波器 139

9.3.2　有源模拟滤波器 139

9.3.3　开关电容滤波器 139

9.3.4　IIR数字滤波器 140

9.3.5 FIR数字滤波器 141

9.4　问题 142

第10章　控制系统中的观测器 143

10.1　观测器纵览 143

10.1.1　观测器术语 144

10.1.2 创建一个Luenberger观测器 144

10.2　实验10A～10C：用观测器提高稳定性 147

10.3　Luenberger观测器的滤波器形式 150

10.3.1　低通与高通滤波器 151

10.3.3　回路形式与滤波器形式的比较 152

10.3.2　滤波器形式的框图 152

10.4　Luenberger观测器的设计 153

10.4.1　传感器的估计器设计 154

10.4.2　传感器的滤波 154

10.4.3　被控对象的估计器设计 155

10.4.4　设计观测补偿器 158

10.5　观测补偿器的调试概述 159

10.5.1　步骤1：临时构建观测器以供调试 160

10.5.2　步骤2：观测补偿器稳定性调整 160

10.6　问题 163

10.5.3　步骤3：把观测器恢复为标准Luenberger结构 163

第二部分　建模 167

第11章　建模入门 167

11.1　什么是模型 167

11.2　频率域建模 167

11.3　时间域建模 169

11.3.1　状态变量 169

11.3.2　建模环境 171

11.3.3　模型 173

11.4　问题 180

11.3.4　时间域模型的频率信息 180

第12章　非线性特性与时变 181

12.1　LTI与非LTI 181

12.2　非LTI特性 181

12.2.1　慢变 182

12.2.2　快变 182

12.3　非线性特性的处理 183

12.3.1　更换被控对象 183

12.3.2　最坏条件下的稳定性调试 183

12.3.3　增益调度 184

12.4.1　被控对象的饱和 185

12.4　非线性特性十例 185

12.4.2　死区 186

12.4.3　逆向移动 187

12.4.4　视在惯量的变动 188

12.4.5　摩擦力 189

12.4.6　量化 192

12.4.7　确定性的反馈误差 192

12.4.8　功率变换器的饱和 193

12.4.9　脉冲调制 195

12.4.10　回线控制器 196

12.5　问题 197

第13章　建立模型的步骤 198

13.1　确定建模目的 198

13.1.1　训练 198

13.1.2　故障检修 198

13.1.3　试验 199

13.1.4　预测 199

13.2　SI单位制模型 199

13.3　系统辨识 200

13.3.1　被控对象的辨识 200

13.3.2　功率变换器的辨识 201

13.3.3　反馈辨识 202

13.3.4　控制器的辨识 202

13.4　建立框图 203

13.5　频率域或时间域的选择 203

13.6　写出模型方程 203

13.7　模型的检验 204

第三部分　运动控制 207

第14章　编码器与旋转变压器 207

14.1　精度、分辨率与响应速度 208

14.3　旋转变压器 209

14.2　编码器 209

14.3.1　旋转变压器的信号变换 210

14.3.2　软件旋转变压器－数字变换器 211

14.3.3　旋转变压器误差与多速旋转变压器 212

14.4　位置分辨率、速度估计与噪声 213

14.4.1　实验14A：分辨率噪声 214

14.4.2　高增益产生大噪声 215

14.4.3　噪声滤除 216

14.5　提高分辨率的其他方法 217

14.5.1　1/T插值法或时钟脉冲计数法 217

14.6　周期误差与转矩／速度纹波 218

14.5.2　正弦编码器 218

14.6.1　速度纹波 220

14.6.2　转矩纹波 221

14.7　实验14B：周期误差与转矩纹波 222

14.7.1　误差幅值与纹波间的关系 223

14.7.2　速度与纹波间的关系 223

14.7.3　带宽与纹波间的关系 223

14.7.6　提升旋转变压器速度的影响 224

14.7.7　实际速度中的纹波与反馈速度中的纹波间的关系 224

14.7.5　改变误差谐波的影响 224

14.7.4　惯量与纹波间的关系 224

14.8　选择反馈装置 225

14.9　问题 227

第15章 电子伺服电动机及其驱动 229

15.1　驱动器的定义 230

15.2　伺服系统的定义 230

15.3　磁学基础 230

15.3.1　电磁学 232

15.3.2　右手定则 232

15.4　电气伺服电动机 233

15.3.3　磁路径的闭合 233

15.4.1　转矩的额定值 234

15.4.2　旋转运动与直线运动 235

15.4.3　直线电动机 235

15.5　有刷永磁电动机 236

15.5.1　绕组磁通的生成 237

15.5.2　换向 237

15.5.3　转矩的产生 238

15.5.4　电角与机械角的关系 238

15.5.6　电动机的电气模型 239

15.5.5　电动机转矩常数 239

15.5.7　有刷永磁电动机的控制 240

15.5.8　有刷电动机的优点与弱点 242

15.6　无刷永磁电动机 243

15.6.1　无刷永磁电动机的绕组 243

15.6.2　正弦换向 244

15.6.3　无刷永磁电动机的相位控制 244

15.6.4　无刷永磁电动机的DQ控制 249

15.6.5　DQ的磁学方程 251

15.6.6　DQ控制与相位控制的比较 251

15.7　无刷永磁电动机的控制 252

15.7.1　用于换向的位置检测 253

15.7.2　有刷电动机与无刷电动机的比较 254

15.8　感应式电动机与磁阻式电动机 255

15.9　问题 255

第16章　柔顺性与谐振 257

16.1　谐振方程 258

16.2　调谐谐振与惯量－减小型不稳定 260

16.2.1　调谐谐振 260

16.2.2　惯量－减小型不稳定 262

16.2.3　实验16A和16B 264

16.3　消除谐振 265

16.3.1　增大电动机惯量／负载惯量的比值 265

16.3.2　加强刚性传动 267

16.3.3　增大阻尼 269

16.3.4　滤波器 270

16.4　问题 272

第17章　位置控制回路 274

17.1　P/PI位置控制 274

17.1.1　P/PI传递函数 275

17.1.2　调试P/PI回路 276

17.1.3　P/PI回路中的前馈 278

17.1.4　调试有速度前馈的P/PI回路 279

17.1.5　P/PI回路中的加速度前馈 280

17.1.6　具有加速度前馈与速度前馈的系统调试 281

17.2　PI/P位置控制 282

17.3　PID位置控制 284

17.3.1　PID位置控制器的调试 284

17.3.2　速度前馈与PID位置控制器 286

17.3.4　PID位置环的指令响应与扰动响应 287

17.3.3　加速度前馈与PID位置控制器 287

17.4　位置环的比较 288

17.4.1　位置、速度和电流驱动配置 289

17.4.2　比较表 289

17.4.3　双环位置控制 290

17.5　位置系统的Bode图 291

17.5.1　采用速度驱动的系统Bode图 291

17.5.2　采用电流驱动的系统Bode图 292

17.6　问题 293

18.1.2　可采用的计算资源 294

18.1.1　性能需求 294

18.1　可能从观测器中获益的应用 294

第18章　Luenberger观测器在运动控制中的应用 294

18.1.3　用户具有的控制知识 295

18.1.4　传感器噪声 295

18.1.5　运动控制传感器中的相位滞后 295

18.2　消除相位滞后 295

18.2.1　消除由简单差分引入的相位滞后 295

18.2.2　消除由变换产生的相位滞后 302

18.3　加速度反馈 307

18.3.2　观测加速度反馈的使用 309

18.3.1　观测加速度的使用 309

18.4　问题 311

附录A　控制器元件的有源模拟实现 313

附录B　欧洲框图符号 317

附录C　龙格－库塔法 319

附录D　双线性变换研究 324

附录E　数字算法的并行形式 326

附录F　基本矩阵运算 328

附录G　习题答案 330

参考文献 341