控制系統設計指南（原書第4版）

《控制系統設計指南（原書第4版）》是2018年6月機械工業出版社出版的圖書，作者是喬治.埃利斯。

基本介紹

• 中文名：控制系統設計指南（原書第4版）
• 作者：喬治.埃利斯
• 出版社：機械工業出版社
• 出版時間：2018年6月
• 定價：84 元
• 開本：16 開
• 裝幀：平裝
• ISBN：9787111530930

內容簡介

全書分成三部分，共19章。第 一部分（1章～10章）：控制的套用原則。依次介紹控制理論、頻率域研究法、控制系統的調試、數字控制器中的延遲、z—域研究法、四種控制器、擾動回響、前饋、控制系統中的濾波器、控制系統中的觀測器；第二部分（11章～13章）：建模。依次介紹了時間域與頻率域研究法、時變與非線性、模型開發與驗證；第三部分（14～19章）：運動控制。依次介紹編碼器和旋轉變壓器、電子伺服電機與驅動基礎、柔性與諧振、位置控制迴路、運動控制中的Luenberger觀測器、快速控制原型技術等。本書作者還提供了獨具特色的基於PC機的單機圖形化仿真環境VisualModelQ,讀者可在其中圖形建模，並運行書中提及的控制系統的各類有關實驗。實驗內容豐富而又實用。本書後還提供了藉助於NationalInstruments公司的LabVIEW軟體及相關硬體實施快速控制原型技術的實驗，非常貼近實際的控制系統開發套用。

圖書目錄

譯者序

前言

第一部分控制的套用原則

第1章控制理論簡介3

1.1Visual ModelQ仿真環境3

1.1.1Visual ModelQ的安裝3

1.1.2正誤表4

1.2控制系統4

1.2.1控制器4

1.2.2被控機器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傳遞函式6

2.2.1s是什麼7

2.2.2線性化、時不變性與傳遞函式7

2.3傳遞函式舉例8

2.3.1控制器單元的傳遞函式8

2.3.2功率變換器的傳遞函式9

2.3.3物理元件的傳遞函式9

2.3.4反饋的傳遞函式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傳遞函式的相位與增益14

2.5.2伯德圖：相位、增益與頻率的

關係14

2.6性能測量15

2.6.1指令回響15

2.6.2穩定性17

2.6.3與頻率域對應的時間域18

2.7問題18

第3章控制系統的調試20

3.1閉合控制迴路20

3.2模型的詳細回顧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開環設計法25

3.4穩定裕度25

3.4.1量化PM與GM26

3.4.2實驗3A：理解開環設計法26

3.4.3開環、閉環與階躍回響28

3.5分段調試的步驟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應對變化的增益32

3.7多(級聯)控制迴路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章數字控制器中的延遲40

4.1如何採樣40

4.2數字系統中的延遲源40

4.2.1採樣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：數字控制中延遲的理解43

4.4選擇採樣時間44

4.4.1一般系統的激進假設45

4.4.2基於位置運動系統激進的假設45

4.4.3適度假設與保守假設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域傳遞函式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從傳遞函式到算法53

5.6數字系統的函式55

5.6.1數字積分與微分55

5.6.2數字微分56

5.6.3採樣保持58

5.6.4DAC/ADC：數模相互轉換59

5.7計算延遲的減小60

5.8量化61

5.8.1極限環與抖動61

5.8.2偏置與極限環62

5.9問題63

第6章四種控制器64

6.1本章中的調試64

6.2比例增益的使用65

6.2.1P控制65

6.2.2如何調試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控制中的流行術語73

6.4.6PID的模擬替代方法：超前

滯後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章擾動回響78

7.1擾動78

7.2速度控制器的擾動回響82

7.2.1擾動的時間域回響83

7.2.2擾動的頻率域回響85

7.3擾動解耦法86

7.3.1擾動解耦法的套用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基於被控對象的前饋94

8.2前饋與功率變換器97

8.2.1實驗8B:功率變換器的補償98

8.2.2增大功率變換器頻寬與前饋

補償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：功率變換器的補償與

指令通路上的延遲102

8.3.3有前饋時的調試與鉗位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章控制系統中的濾波器及實現108

9.1控制系統中的濾波器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開關電容濾波器117

9.3.4IIR數字濾波器117

9.3.5FIR數字濾波器118

9.4問題119

第10章控制系統中的觀測器120

10.1觀測器縱覽120

10.1.1觀測器術語121

10.1.2創建一個Luenberger觀測器121

10.2實驗10A～10C:用觀測器提高穩定性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迴路形式與濾波器形式的

比較128

10.4Luenberger觀測器的設計129

10.4.1感測器的估計器設計129

10.4.2感測器的濾波作用130

10.4.3被控對象的估計器設計130

10.4.4設計觀測器補償器133

10.5觀測器補償器的調試概述134

10.5.1步驟1：臨時構建觀測器以供

調試135

10.5.2步驟2：觀測器補償器穩定性

調整135

10.5.3步驟3：把觀測器恢復為標準

Luenberger結構138

10.6問題138第二部分建模

第11章建模入門140

11.1什麼是模型140

11.2頻域建模140

11.3時域建模142

11.3.1狀態變數142

11.3.2建模環境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最壞條件下的穩定性調試155

12.3.3增益調度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脈衝調製167

12.4.10滯環控制器168

12.5問題168

第13章模型開發與校驗170

13.1模型開發的七個步驟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校驗模型175

13.2從仿真到部署:RCP與HIL176

13.2.1RCP技術176

13.2.2RCP:移植的中間步驟176

13.2.3RCP與並行開發177

13.2.4RCP與實時執行178

13.2.5LabVIEW中的實時仿真示例178

13.2.6硬體在環仿真技術182

13.2.7RCP和HIL供貨商183第三部分運 動 控 制

第14章編碼器與旋轉變壓器186

14.1精度、解析度與回響速度187

14.2編碼器188

14.3旋轉變壓器188

14.3.1旋轉變壓器信號變換189

14.3.2軟體RDC190

14.3.3旋轉變壓器誤差與多級旋轉

變壓器191

14.4位置解析度、速度估計與噪聲191

14.4.1實驗14A：解析度噪聲192

14.4.2高增益產生大噪聲193

14.4.3噪聲濾除193

14.5提高解析度的選擇方法194

14.5.11/T插值法194

14.5.2正弦編碼器195

14.6周期誤差與轉矩/速度紋波196

14.6.1速度紋波197

14.6.2轉矩紋波197

14.7實驗14B：周期誤差與轉矩紋波199

14.7.1誤差幅值與紋波的關係199

14.7.2速度與紋波的關係199

14.7.3頻寬與紋波的關係200

14.7.4慣量與紋波的關係200

14.7.5改變誤差諧波的影響200

14.7.6提高旋轉變壓器速度的影響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係200

14.8選擇反饋裝置201

14.8.1供貨商202

14.9問題203

第15章電子伺服電動機與驅動

基礎204

15.1驅動器的定義204

15.2伺服系統的定義205

15.3磁學基礎205

15.3.1電磁學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208

15.4.1轉矩評定等級208

15.4.2旋轉運動與直線運動209

15.4.3直線電動機209

15.5永磁有刷電動機210

15.5.1生成繞組磁通210

15.5.2換相211

15.5.3轉矩的產生211

15.5.4電角與機械角的關係211

15.5.5電動機轉矩常數KT212

15.5.6電動機的電氣模型212

15.5.7永磁有刷電動機的控制213

15.5.8有刷電動機的優點與缺點215

15.6永磁無刷電動機216

15.6.1永磁無刷電動機的繞組216

15.6.2正弦換相216

15.6.3永磁無刷電動機的相位控制217

15.6.4永磁無刷電動機的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永磁無刷電動機的六步控制224

15.7.1換相的位置感測224

15.7.2有刷電動機與無刷電動機的

比較225

15.8感應電動機與磁阻電動機226

15.9問題226

第16章柔性與諧振227

16.1諧振方程228

16.2調諧諧振與慣量減小不穩定性229

16.2.1調諧諧振229

16.2.2慣量減小不穩定性231

16.2.3實驗16A和16B233

16.3整治諧振233

16.3.1增大電動機/負載慣量的比值233

16.3.2增強傳動剛性235

16.3.3增大阻尼237

16.3.4濾波器238

16.4問題239

第17章位置控制迴路241

17.1P/PI位置控制241

17.1.1P/PI傳遞函式242

17.1.2調試P/PI迴路243

17.1.3P/PI迴路中的前饋245

17.1.4調試有速度前饋的P/PI迴路245

17.1.5P/PI迴路中的加速度前饋246

17.1.6調試具有加速度/速度前饋的

P/PI迴路247

17.2PI/P位置控制248

17.2.1調試PI/P迴路249

17.3PID位置控制249

17.3.1PID位置控制器調試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位置環的指令回響與擾動

回響252

17.4位置環的比較253

17.4.1定位、速度與電流驅動器

配置253

17.4.2比較表格254

17.4.3雙環位置控制254

17.5位置輪廓發生器255

17.5.1梯形分段計算256

17.5.2逐點產生256

17.5.3S曲線257

17.5.4多軸協調259

17.6定位系統的伯德圖259

17.6.1採用速度驅動的系統的

伯德圖259

17.6.2採用電流驅動器的系統的

伯德圖260

17.7問題260

第18章Luenberger觀測器在運動

控制中的套用262

18.1可能從觀測器中獲益的套用262

18.1.1性能需求262

18.1.2可採用的計算資源262

18.1.3位置反饋感測器262

18.1.4運動控制感測器中的相位

滯後263

18.2觀測速度，減小相位滯後263

18.2.1消除由簡單差分引入的相位

滯後263

18.2.2消除變換引起的相位滯後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278

19.1為什麼使用RCP278

19.1.1用RCP來改進、驗證模型279

19.1.2用RCP獲取物理元部件訪問權，

並取代模型279

19.2具有硬耦合負載的伺服系統280

19.2.1建立系統模型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具有柔性耦合負載的伺服系統286

19.3.1在Visual ModelQ中建立系統

模型287

19.3.2在LabVIEW中建立系統模型288

19.3.3轉換LabVIEW模型為RCP

系統288

附錄291

附錄A控制器元件的有源模擬實現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數字算法的並行形式300

附錄F基本矩陣論302

附錄G習題答案303

術語中英對照表312

參考文獻321

後記325