控制系统设计指南 原书第4版【2025|PDF|Epub|mobi|kindle电子书版本百度云盘下载】

控制系统设计指南 原书第4版PDF格式电子书版下载

注意：本站所有压缩包均有解压码： 点击下载压缩包解压工具

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-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～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

9.3.4 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

13.1.2 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HIL176

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

14.5.1 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

15.6.5 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

17.1 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

19.2.2 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