控制系统设计指南(原书第4版)

图书介绍

出版社: 机械工业出版社

ISBN:9787111530930

版次:1

商品编码:11997922

品牌:机工出版

包装:平装

开本:16开

出版时间:2016-07-01

用纸:胶版纸

页数:325

图书描述

内容简介

全书分成三部分,共19章。一部分(1章~10章):控制的应用原则。依次介绍控制理论、频率域研究法、控制系统的调试、数字控制器中的延迟、z—域研究法、四种控制器、扰动响应、前馈、控制系统中的滤波器、控制系统中的观测器;第二部分(11章~13章):建模。依次介绍了时间域与频率域研究法、时变与非线性、模型开发与验证;第三部分(14~19章):运动控制。依次介绍编码器和旋转变压器、电子伺服电机与驱动基础、柔性与谐振、位置控制回路、运动控制中的Luenberger观测器、快速控制原型技术等。本书作者还提供了独具特色的基于PC机的单机图形化仿真环境VisualModelQ,读者可在其中图形建模,并运行书中提及的控制系统的各类有关实验。实验内容丰富而又实用。本书还提供了借助于NationalInstruments公司的LabVIEW软件及相关硬件实施快速控制原型技术的实验,非常贴近实际的控制系统开发应用。

目录

译者序

前言

第一部分控制的应用原则

第1章控制理论简介3

1.1Visual ModelQ仿真环境3

1.1.1Visual 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

2.2.1s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

2.4.2Mason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

3.2.3PI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GM26

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�脖3盅映�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

5.1z域初步48

5.1.1z的定义48

5.1.2z域传递函数48

5.1.3双线性变换48

5.2z域相图49

5.3混叠50

5.4实验5A:混叠52

5.4.1z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�脖3�58

5.6.4DAC/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

6.2.1P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

6.3.1PI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

6.4.1PID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

6.4.4Ziegler�睳ichols法72

6.4.5PID控制中的流行术语73

6.4.6PID的模拟替代方法:超前��

滞后73

6.5PD控制74

6.6选择控制器76

6.7实验6A~6D76

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

9.3.4IIR数字滤波器117

9.3.5FIR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

10.3Luenberger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

10.4Luenberger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

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

12.1LTI与非LTI153

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

13.1.2SI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HIL176

13.2.1RCP技术176

13.2.2RCP:移植的中间步骤176

13.2.3RCP与并行开发177

13.2.4RCP与实时执行178

13.2.5LabVIEW中的实时仿真示例178

13.2.6硬件在环仿真技术182

13.2.7RCP和HIL供货商183第三部分运 动 控 制

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RDC190

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

14.5.11/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KT212

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

15.6.5DQ磁方程222

15.6.6DQ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�布跣〔晃榷ㄐ�229

16.2.1调谐谐振229

16.2.2惯量�布跣〔晃榷ㄐ�231

16.2.3实验16A和16B233

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

17.1P/PI位置控制241

17.1.1P/PI传递函数242

17.1.2调试P/PI回路243

17.1.3P/PI回路中的前馈245

17.1.4调试有速度前馈的P/PI回路245

17.1.5P/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

17.2PI/P位置控制248

17.2.1调试PI/P回路249

17.3PID位置控制249

17.3.1PID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

17.3.4PID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

17.5.3S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RCP278

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

19.2.2LabVIEW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�部馑�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

前言/序言

控制系统的基础是在20世纪前半叶发展起来的。我们的前辈们用于大炮瞄准和浴池保暖的理念中,全职高手2,许多与我们现在所用的理念是相同的。当然,时间与技术已经促使了很大的进步。数字处理器改变了我们实施控制律的方式,但在许多情况下,并没有改变控制律本身,比例 积分 微分(Proportiona Integral Differential,PID)控制现在所起的作用与四五十年前是一样的。

控制系统应用广泛,因此与教学系统结合紧密。在大多数工程类大学已经开设了这样的课程,有些学校甚至还要求学生从事适量的这个学科方面的训练。由于控制原理存在的时间很长,从事控制原理应用的、训练有素的工程师数量也不少,人们可能认为该行业大多数从业者对控制基础都感到满意。不幸的是,情况往往并非如此。

在过去的数年里,我有机会向约1500名工程师进行了一天的研讨班形式的授课,标题为“如何改进伺服系统”。这些工程师富有激情,愿意花时间聆听对他们所面临的问题可能会提供见解的人的讲解。他们大多是服务于工业的、有学位的工程师,大概有一半学过一两门控制课程。在研讨班上,我通常会花上几分钟问:“你们当中有多少人规范用过在学校所学的控制原理?”一般情况下,不会超过1/10的人举手。很明显,在所教的内容和所应用的东西之间存在一条鸿沟。

为什么会形成这样的一条鸿沟呢?可能是由于控制课程的教学过多地把重点放在了数学上。在学生学习如何计算一种接一种的结果,并将其画出来的时候,忽略了直觉方面的信息,通常只是含糊地理解了练习的重要性。多年前,三淼 译 百花文艺出版社,我曾经就是这样的学生当中的一员。我喜欢控制学科,在我的各门控制课的课堂上,我表现得也很好,但我却逐渐变得没有能力设计,甚至无法调试一个简单的PI控制系统。

事情并非非要这样不可,你可以培养设计控制系统的直觉!本书致力于帮助你这样做。本书中,控制原理是与实用分析方法一道呈现出来的,用了几十个模型来帮助你对这些材料进行实践,因为实践是达到熟练的最可靠方式。每一章的目标都是为了培养感性认知。

本版的新内容第4版《控制系统设计指南》增加了快速控制原型技术(Rapid Control Prototyping,RCP),这是一种允许设计者在物理硬件上运行控制律模型的技术。第13章做了扩展,介绍了这个主题;增加了第19章,提供了为数众多的快速控制原型技术示例。此外,每一章都重新审视并做了更新。与文本相配的软件Visual ModelQ也做了更新,包括所有模型的修改。

本书的组织安排本书分为三部分:第一部分是控制的应用原理,包含10章。第1章控制理论简介,讨论了工业中控制技术和控制工程师的作用;第2章频率域研究法,复习了控制系统的基础s域研究法;第3章控制系统的调试,给读者一个调试控制系统的实践机会,对于大多数人来说,这是控制系统试车最难的部分;第4章数字控制器中的延迟,精选出了数字控制器与模拟控制器在应用中的重要区别,采样延迟对不稳定所起的作用;第5章z域研究法,讨论z变换这一把s域扩展到数字控制的技术;第6章四种控制器,涵盖了四种不同PID控制的选择方法,以及应用中的实际问题;第7章扰