控制系统设计指南（原书第4版）

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311Visual ModelQ仿真环境3111Visual ModelQ的安装3112正误表412控制系统4121控制器4122被控机器413控制工程师5第2章频率域研究法621拉普拉斯变换622传递函数6221s是什么7222线性化、时不变性与传递函数723传递函数举例8231控制器单元的传递函数8232功率变换器的传递函数9233物理元件的传递函数9234反馈的传递函数1024框图11241组合框11242Mason信号流图法1225相位与增益13251传递函数的相位与增益14252伯德图：相位、增益与频率的关系1426性能测量15261指令响应15262稳定性17263与频率域对应的时间域1827问题18第3章控制系统的调试2031闭合控制回路2032模型的详细回顾22321积分器22322功率变换器23323PI控制律23324反馈滤波器2433开环设计法2534稳定裕度25341量化PM与GM26342实验3A：理解开环设计法26343开环、闭环与阶跃响应2835分段调试的步骤29351段一：比例段30352段二：积分段3136被控对象增益的变化31361应对变化的增益3237多(级联)控制回路3338功率变换器饱和与同步3339相位与增益图36310问题38第4章数字控制器中的延迟4041如何采样4042数字系统中的延迟源40421采样保持延迟40422计算延迟41423速度估计延迟42424延迟之和4243实验4A：数字控制中延迟的理解4344选择采样时间44441一般系统的激进假设45442基于位置运动系统激进的假设45443适度假设与保守假设4545问题46第5章z域研究法4851z域初步48511z的定义48512z域传递函数48513双线性变换4852z域相图4953混叠5054实验5A:混叠52541z域中的伯德图与框图53542直流增益5355从传递函数到算法5356数字系统的函数55561数字积分与微分55562数字微分56563采样保持58564DAC/ADC：数模相互转换5957计算延迟的减小6058量化61581极限环与抖动61582偏置与极限环6259问题63第6章四种控制器6461本章中的调试6462比例增益的使用65621P控制65622如何调试P控制器6563积分增益的使用67631PI控制67632如何调试PI控制器68633模拟PI控制6964微分增益的使用70641PID控制70642如何调试PID控制器70643噪声与微分增益72644ZieglerNichols法72645PID控制中的流行术语73646PID的模拟替代方法：超前滞后7365PD控制7466选择控制器7667实验6A～6D7668问题77第7章扰动响应7871扰动7872速度控制器的扰动响应82721扰动的时间域响应83722扰动的频率域响应8573扰动解耦法86731扰动解耦法的应用87732实验7B：扰动解耦9074问题92第8章前馈9481基于被控对象的前馈9482前馈与功率变换器97821实验8B:功率变换器的补偿98822增大功率变换器带宽与前馈补偿10083延迟指令信号100831实验8C：指令通路上的延迟101832实验8D：功率变换器的补偿与指令通路上的延迟102833有前馈时的调试与钳位10384被控对象与功率变换器运行特性中的变化104841被控对象增益的变化104842功率变换器运行特性的变化10585双积分被控对象的前馈10686问题106第9章控制系统中的滤波器及实现10891控制系统中的滤波器108911控制器中的滤波器108912功率变换器中的滤波器110913反馈中的滤波器11092滤波器的通带110921低通滤波器111922陷波滤波器114923实验9A:模拟滤波器115924双二阶滤波器11593滤波器的实现116931无源模拟滤波器116932有源模拟滤波器116933开关电容滤波器117934IIR数字滤波器117935FIR数字滤波器11894问题119第10章控制系统中的观测器120101观测器纵览1201011观测器术语1211012创建一个Luenberger观测器121102实验10A～10C:用观测器提高稳定性124103Luenberger观测器的滤波器形式1261031低通与高通滤波器1281032滤波器形式的框图1281033回路形式与滤波器形式的比较128104Luenberger观测器的设计1291041传感器的估计器设计1291042传感器的滤波作用1301043被控对象的估计器设计1301044设计观测器补偿器133105观测器补偿器的调试概述1341051步骤1：临时构建观测器以供调试1351052步骤2：观测器补偿器稳定性调整1351053步骤3：把观测器恢复为标准Luenberger结构138106问题138第二部分建模第11章建模入门140111什么是模型140112频域建模140113时域建模1421131状态变量1421132建模环境1441133模型1451134时域模型的频域信息151114问题152第12章非线性特性与时变153121LTI与非LTI153122非LTI特性1531221慢变化1531222快变化154123非线性特性处理1541231更换被控对象1551232最坏条件下的稳定性调试1551233增益调度156124非线性特性十例1571241被控对象的饱和1571242死区1581243逆向漂移1591244视在惯量的变化1611245摩擦力1611246量化1641247确定的反馈误差1641248功率变换器饱和1651249脉冲调制16712410滞环控制器168125问题168第13章模型开发与校验170131模型开发的七个步骤1701311确定建模目的1701312SI单位制模型1711313系统辨识1721314建立框图1741315频域与时域选择1751316写出模型方程1751317校验模型175132从仿真到部署:RCP与HIL1761321RCP技术1761322RCP:移植的中间步骤1761323RCP与并行开发1771324RCP与实时执行1781325LabVIEW中的实时仿真示例1781326硬件在环仿真技术18213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186141精度、分辨率与响应速度187142编码器188143旋转变压器1881431旋转变压器信号变换1891432软件RDC1901433旋转变压器误差与多级旋转变压器191144位置分辨率、速度估计与噪声1911441实验14A：分辨率噪声1921442高增益产生大噪声1931443噪声滤除193145提高分辨率的选择方法19414511/T插值法1941452正弦编码器195146周期误差与转矩/速度纹波1961461速度纹波1971462转矩纹波197147实验14B：周期误差与转矩纹波1991471误差幅值与纹波的关系1991472速度与纹波的关系1991473带宽与纹波的关系2001474惯量与纹波的关系2001475改变误差谐波的影响2001476提高旋转变压器速度的影响2001477实际速度中的纹波与反馈速度中的纹波之间的关系200148选择反馈装置2011481供货商202149问题203第15章电子伺服电动机与驱动基础204151驱动器的定义204152伺服系统的定义205153磁学基础2051531电磁学2071532右手定则2071533形成磁通路207154电子伺服电动机2081541转矩评定等级2081542旋转运动与直线运动2091543直线电动机209155永磁有刷电动机2101551生成绕组磁通2101552换相2111553转矩的产生2111554电角与机械角的关系2111555电动机转矩常数KT2121556电动机的电气模型2121557永磁有刷电动机的控制2131558有刷电动机的优点与缺点215156永磁无刷电动机2161561永磁无刷电动机的绕组2161562正弦换相2161563永磁无刷电动机的相位控制2171564永磁无刷电动机的DQ控制2201565DQ磁方程2221566DQ控制与相控制的比较223157永磁无刷电动机的六步控制2241571换相的位置传感2241572有刷电动机与无刷电动机的比较225158感应电动机与磁阻电动机226159问题226第16章柔性与谐振227161谐振方程228162调谐谐振与惯量减小不稳定性2291621调谐谐振2291622惯量减小不稳定性2311623实验16A和16B233163整治谐振2331631增大电动机/负载惯量的比值2331632增强传动刚性2351633增大阻尼2371634滤波器238164问题239第17章位置控制回路241171P/PI位置控制2411711P/PI传递函数2421712调试P/PI回路2431713P/PI回路中的前馈2451714调试有速度前馈的P/PI回路2451715P/PI回路中的加速度前馈2461716调试具有加速度/速度前馈的P/PI回路247172PI/P位置控制2481721调试PI/P回路249173PID位置控制2491731PID位置控制器调试2501732速度前馈与PID位置控制器2511733加速度前馈与PID位置控制器2511734PID位置环的指令响应与扰动响应252174位置环的比较2531741定位、速度与电流驱动器配置2531742比较表格2541743双环位置控制254175位置轮廓发生器2551751梯形分段计算2561752逐点产生2561753S曲线2571754多轴协调259176定位系统的伯德图2591761采用速度驱动的系统的伯德图2591762采用电流驱动器的系统的伯德图260177问题260第18章Luenberger观测器在运动控制中的应用262181可能从观测器中获益的应用2621811性能需求2621812可采用的计算资源2621813位置反馈传感器2621814运动控制传感器中的相位滞后263182观测速度，减小相位滞后2631821消除由简单差分引入的相位滞后2631822消除变换引起的相位滞后269183加速度反馈2731831使用观测加速度2741832实验18E：使用观测加速度反馈275184问题276第19章运动控制中的快速控制原型技术278191为什么使用RCP2781911用RCP来改进、验证模型2791912用RCP获取物理元部件访问权，并取代模型279192具有硬耦合负载的伺服系统2801921建立系统模型2811922LabVIEW模型和Visual ModelQ模型的比较2821923将LabVIEW模型转换为RCP控制器2831924验证RCP控制器284193具有柔性耦合负载的伺服系统2861931在Visual ModelQ中建立系统模型2871932在LabVIEW中建立系统模型28819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