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