控制系統設計指南 Control System Design Guide: Using Your Computer to Understand and Diagnose Feedback Controllers

譯者序
前言
第一部分控制的應用原則
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傳遞函數6
2.2.1s是什麼7
2.2.2線性化、時不變性與傳遞函數7
2.3傳遞函數舉例8
2.3.1控制器單元的傳遞函數8
2.3.2功率變換器的傳遞函數9
2.3.3物理元件的傳遞函數9
2.3.4反饋的傳遞函數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傳遞函數的相位與增益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指令響應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、閉環與階躍響應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域傳遞函數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從傳遞函數到算法53
5.6數字系統的函數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章擾動響應78
7.1擾動78
7.2速度控制器的擾動響應82
7.2.1擾動的時間域響應83
7.2.2擾動的頻率域響應85
7.3擾動解耦法86
7.3.1擾動解耦法的應用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增大功率變換器帶寬與前饋補償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有前饋時的調試與箝位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傳感器的估計器設計129
10.4.2傳感器的濾波作用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狀態變量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脈沖調制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硬件在環仿真技術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、分辨率與響應速度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軟件RDC190
14.3.3旋轉變壓器誤差與多級旋轉變壓器191
14.4位置分辨率、速度估計與噪聲191
14.4.1實驗14A：分辨率噪聲192
14.4.2高增益產生大噪聲193
14.4.3噪聲濾除193
14.5提高分辨率的選擇方法194
14.5.11/T插值法194
14.5.2正弦編碼器195
14.6週期誤差與轉矩/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：週期誤差與轉矩紋波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帶寬與紋波的關係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換相的位置傳感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傳遞函數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位置環的指令響應與擾動響應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應用262
18.1可能從觀測器中獲益的應用262
18.1.1性能需求262
18.1.2可採用的計算資源262
18.1.3位置反饋傳感器262
18.1.4運動控制傳感器中的相位滯後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*303
術語中英對照表312
參考文獻321
後記325