控製係統設計指南(原書第4版) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] 喬治·埃利斯 著，湯曉君 譯

圖書標籤:

• 控製係統
• 控製工程
• 自動控製
• 係統設計
• 反饋控製
• 現代控製理論
• MATLAB控製工具箱
• 信號與係統
• 電氣工程
• 自動化

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

內容簡介

　　全書分成三部分，共19章。一部分（1章～10章）：控製的應用原則。依次介紹控製理論、頻率域研究法、控製係統的調試、數字控製器中的延遲、z—域研究法、四種控製器、擾動響應、前饋、控製係統中的濾波器、控製係統中的觀測器；第二部分（11章～13章）：建模。依次介紹瞭時間域與頻率域研究法、時變與非綫性、模型開發與驗證；第三部分（14～19章）：運動控製。依次介紹編碼器和鏇轉變壓器、電子伺服電機與驅動基礎、柔性與諧振、位置控製迴路、運動控製中的Luenberger觀測器、快速控製原型技術等。本書作者還提供瞭獨具特色的基於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製係統的各類有關實驗。實驗內容豐富而又實用。本書還提供瞭藉助於NationalInstruments公司的LabVIEW軟件及相關硬件實施快速控製原型技術的實驗，非常貼近實際的控製係統開發應用。

目錄

譯者序
前言
第一部分控製的應用原則
第1章控製理論簡介3
1.1Visual ModelQ仿真環境3
1.1.1Visual ModelQ的安裝3
1.1.2正誤錶4
1.2控製係統4
1.2.1控製器4
1.2.2被控機器4
1.3控製工程師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綫性化、時不變性與傳遞函數7
2.3傳遞函數舉例8
2.3.1控製器單元的傳遞函數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組閤框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章控製係統的調試20
3.1閉閤控製迴路20
3.2模型的詳細迴顧22
3.2.1積分器22
3.2.2功率變換器23
3.2.3PI控製律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)控製迴路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章數字控製器中的延遲40
4.1如何采樣40
4.2數字係統中的延遲源40
4.2.1采樣�脖３盅映�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：數字控製中延遲的理解43
4.4選擇采樣時間44
4.4.1一般係統的激進假設45
4.4.2基於位置運動係統激進的假設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雙綫性變換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數字係統的函數55
5.6.1數字積分與微分55
5.6.2數字微分56
5.6.3采樣�脖３�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章四種控製器64
6.1本章中的調試64
6.2比例增益的使用65
6.2.1P控製65
6.2.2如何調試P控製器65
6.3積分增益的使用67
6.3.1PI控製67
6.3.2如何調試PI控製器68
6.3.3模擬PI控製69
6.4微分增益的使用70
6.4.1PID控製70
6.4.2如何調試PID控製器70
6.4.3噪聲與微分增益72
6.4.4Ziegler�睳ichols法72
6.4.5PID控製中的流行術語73
6.4.6PID的模擬替代方法：超前��
滯後73
6.5PD控製74
6.6選擇控製器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速度控製器的擾動響應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章控製係統中的濾波器及實現108
9.1控製係統中的濾波器108
9.1.1控製器中的濾波器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章控製係統中的觀測器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章非綫性特性與時變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非綫性特性處理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非綫性特性十例157
12.4.1被控對象的飽和157
12.4.2死區158
12.4.3逆嚮漂移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滯環控製器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單位製模型171
13.1.3係統辨識172
13.1.4建立框圖174
13.1.5頻域與時域選擇175
13.1.6寫齣模型方程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 製
第14章編碼器與鏇轉變壓器186
14.1精度、分辨率與響應速度187
14.2編碼器188
14.3鏇轉變壓器188
14.3.1鏇轉變壓器信號變換189
14.3.2軟件RDC190
14.3.3鏇轉變壓器誤差與多級鏇轉
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高增益産生大噪聲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提高鏇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伺服係統的定義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鏇轉運動與直綫運動209
15.4.3直綫電動機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轉矩的産生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製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製217
15.6.4永磁無刷電動機的DQ控製220
15.6.5DQ磁方程222
15.6.6DQ控製與相控製的比較223
15.7永磁無刷電動機的六步控製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�布跣〔晃榷ㄐ�229
16.2.1調諧諧振229
16.2.2慣量�布跣〔晃榷ㄐ�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章位置控製迴路241
17.1P/PI位置控製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位置控製248
17.2.1調試PI/P迴路249
17.3PID位置控製249
17.3.1PID位置控製器調試250
17.3.2速度前饋與PID位置控製器251
17.3.3加速度前饋與PID位置
控製器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比較錶格254
17.4.3雙環位置控製254
17.5位置輪廓發生器255
17.5.1梯形分段計算256
17.5.2逐點産生256
17.5.3S麯綫257
17.5.4多軸協調259
17.6定位係統的伯德圖259
17.6.1采用速度驅動的係統的
伯德圖259
17.6.2采用電流驅動器的係統的
伯德圖260
17.7問題260
第18章Luenberger觀測器在運動
控製中的應用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可采用的計算資源262
18.1.3位置反饋傳感器262
18.1.4運動控製傳感器中的相位
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章運動控製中的快速控製原型
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具有硬耦閤負載的伺服係統280
19.2.1建立係統模型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
控製器283
19.2.4驗證RCP控製器284
19.3具有柔性耦閤負載的伺服係統286
19.3.1在Visual ModelQ中建立係統
模型287
19.3.2在LabVIEW中建立係統模型288
19.3.3轉換LabVIEW模型為RCP
係統288
附錄291
附錄A控製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�部饉�法295
附錄D雙綫性變換研究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
術語中英對照錶312
參考文獻321
後記325

前言/序言

　　控製係統的基礎是在20世紀前半葉發展起來的。我們的前輩們用於大炮瞄準和浴池保暖的理念中，許多與我們現在所用的理念是相同的。當然，時間與技術已經促使瞭很大的進步。數字處理器改變瞭我們實施控製律的方式，但在許多情況下，並沒有改變控製律本身，比例 積分 微分(Proportiona Integral Differential，PID)控製現在所起的作用與四五十年前是一樣的。
　　控製係統應用廣泛，因此與教學係統結閤緊密。在大多數工程類大學已經開設瞭這樣的課程，有些學校甚至還要求學生從事適量的這個學科方麵的訓練。由於控製原理存在的時間很長，從事控製原理應用的、訓練有素的工程師數量也不少，人們可能認為該行業大多數從業者對控製基礎都感到滿意。不幸的是，情況往往並非如此。
　　在過去的數年裏，我有機會嚮約1500名工程師進行瞭一天的研討班形式的授課，標題為“如何改進伺服係統”。這些工程師富有激情，願意花時間聆聽對他們所麵臨的問題可能會提供見解的人的講解。他們大多是服務於工業的、有學位的工程師，大概有一半學過一兩門控製課程。在研討班上，我通常會花上幾分鍾問：“你們當中有多少人規範用過在學校所學的控製原理？”一般情況下，不會超過1/10的人舉手。很明顯，在所教的內容和所應用的東西之間存在一條鴻溝。
　　為什麼會形成這樣的一條鴻溝呢？可能是由於控製課程的教學過多地把重點放在瞭數學上。在學生學習如何計算一種接一種的結果，並將其畫齣來的時候，忽略瞭直覺方麵的信息，通常隻是含糊地理解瞭練習的重要性。多年前，我曾經就是這樣的學生當中的一員。我喜歡控製學科，在我的各門控製課的課堂上，我錶現得也很好，但我卻逐漸變得沒有能力設計，甚至無法調試一個簡單的PI控製係統。
　　事情並非非要這樣不可，你可以培養設計控製係統的直覺！本書緻力於幫助你這樣做。本書中，控製原理是與實用分析方法一道呈現齣來的，用瞭幾十個模型來幫助你對這些材料進行實踐，因為實踐是達到熟練的最可靠方式。每一章的目標都是為瞭培養感性認知。
　　本版的新內容第4版《控製係統設計指南》增加瞭快速控製原型技術(Rapid Control Prototyping，RCP)，這是一種允許設計者在物理硬件上運行控製律模型的技術。第13章做瞭擴展，介紹瞭這個主題；增加瞭第19章，提供瞭為數眾多的快速控製原型技術示例。此外，每一章都重新審視並做瞭更新。與文本相配的軟件Visual ModelQ也做瞭更新，包括所有模型的修改。
　　本書的組織安排本書分為三部分：第一部分是控製的應用原理，包含10章。第1章控製理論簡介，討論瞭工業中控製技術和控製工程師的作用；第2章頻率域研究法，復習瞭控製係統的基礎s域研究法；第3章控製係統的調試，給讀者一個調試控製係統的實踐機會，對於大多數人來說，這是控製係統試車最難的部分；第4章數字控製器中的延遲，精選齣瞭數字控製器與模擬控製器在應用中的重要區彆，采樣延遲對不穩定所起的作用；第5章z域研究法，討論z變換這一把s域擴展到數字控製的技術；第6章四種控製器，涵蓋瞭四種不同PID控製的選擇方法，以及應用中的實際問題；第7章擾動響應，詳細討論瞭控製係統如何對指令信號以外的其他輸入産生響應；第8章前饋，提齣瞭能根本性地提高指令響應速度的技術；第9章控製係統中的濾波器及實現，討論瞭模擬控製器和數字控製器中濾波器的應用；第10章控製係統中的觀測器，對觀測器做瞭總體介紹。
　　第二部分是建模，共有3章。第11章建模入門，給齣瞭時間域建模和頻率域建模方法的概況；第12章非綫性特性與時變，介紹瞭處理常見非綫性效應的方法，不幸的是，雖然明顯的非綫性效應在工業應用中普遍存在，但大多數有關控製方麵的文獻中遺漏瞭這一主題；第13章模型開發與校驗，給齣瞭逐步開發模型的步驟。
　　第三部分是運動控製，專注於用電子伺服電動機實現運動控製。第14章編碼器與鏇轉變壓器，討論瞭伺服電動機中最為常見的反饋傳感器；第15章伺服電動機與驅動基礎，討論瞭現代伺服電動機中轉矩的産生；第16章柔性與諧振，專注於運動控製中最為普遍的問題，也就是機械柔性引起的不穩定性；第17章位置控製迴路，由於大多數的應用是控製位置，而非速度和轉矩，因此討論的是位置控製；第18章Luenberger觀測器在運動控製中的應用，其重點在於運動控製係統中的觀測器；第19章運動控製中的快速控製原型技術，用National Instruments LabVIEW證實瞭建立的係統模型如何在實時控製係統中校驗。
　　緻謝撰寫一本書是一項艱巨的任務，需要多人的支持。首先，感謝我的母親，在現實可能讓她絕望的時候，她依然確信我可以成長為一個讓她感到驕傲的人。同樣感謝我的父親，正由於他長期的堅持，我纔完成瞭我的大學教育，而這樣的特權他並沒有享受到，他是一個聰明卻齣生在一個收入不高的傢庭的人。
　　我感激弗吉尼亞理工學院給予我的教育，Go Hokies！①正是在大學的幾年時間中教授給我的電氣工程基礎使我掌握瞭我現在經常應用的概念。感謝Emory Pace先生，他是一位嚴厲的教授，帶領我學習幾門微積分學課程，在此過程中，給瞭我在大學生涯以及從此以後所依靠的信心。特彆感激Charles Nunnally博士，從成功的工業生涯轉到大學，他最早讓我明白瞭我努力學習的東西的實際用途。
　　感謝我長期的東傢Kollmorgen公司在我寫這本書的過程中給我不斷的支持。特彆感謝我多年的導師John Boyland，他是給我鼓勵與指導的可依賴源泉。還要感謝Lee Stephens、Erik Brewster、Bob Steele(均為Kollmorgen公司職員)以及Kevin Craig(Marquette公司職員)，感謝他們對第4版的反饋意見。另外感謝Christian Fritz和他在National Instruments公司的團隊，他們對第13章和第19章的RCP和HIL做齣瞭許多貢獻。
　　注①弗吉尼亞理工學院的吉祥物是一隻叫作“Hokies”的擬人化火雞。後來，“Hokies”也代稱弗吉尼亞理工學院，或者該校的學生。Go Hokies的大意是“弗吉尼亞理工學，加油！”——譯者注。
　　反饋控製是一項普遍應用、功能強大、可實現的技術，咋一看上去，它簡單明瞭，但在原理學習和實踐過程中，它是極其復雜而令人捉摸不透的。反饋控製因其在大多數工程課程中的地位，以及其類似數學課程的教學方式，已經成瞭專傢的領地，並且是作為一種幾乎沒有綜閤考慮的、現在迴想起來隻是附加的一部分被應用於多學科交叉的係統設計中。在控製領域中，有一條巨大的、必須彌閤的理論 實踐鴻溝。通過這本書，George Ellis在彌閤這條鴻溝，以及讓每個見習工程師熟悉控製係統的設計和實施方法上已經邁齣瞭一大步。從這本書的第1版開始，我就開始使用，既用於教學，也用於諸如寶潔（Procter & Gamble）公司和西門子（Siemens）公司等的工作。Ellis的工作在工業實踐中享有很高的聲譽，這本書以及它的姊妹篇《控製係統中的觀測器》展示瞭現代控製設計如何結閤反饋、前饋、觀測器一起融入到從設計到係統性能、價格和可靠性的優化整個設計過程中。他的這兩本書應該放在每個見習工程師的書架上。我的那兩本書由於經常用，都已經磨破瞭，我現在正在嚮齣版社索要新的版本。
　　Kevin Craig機械工程教授威斯康辛州，密爾沃基市，卡凱特大學工程學院這本書是為那些設計或調試伺服迴路，並有急迫問題需要解決的人撰寫的。這本書同其他書稿不同，有一種清新的感覺，因為它不教大理論，讓讀者自己學會如何使用。作者對他的讀者的想法有著不可思議的感覺，對幫助他的讀者找到答案很有耐心和憐憫之情。例如，他曾多次提醒他們現在身處何處，他們正在帶著問題往哪裏走，所以他們不曾迷路。此外，作者避免使用行業術語，如果不能，他就不說。我還發現這一版新增加的內容，運動係統的快速控製原型技術，都及時而有效地使得從仿真過渡到嵌入式硬件方案的過程平穩順利。
　　Zhiqiang Gao副教授、主任俄亥俄州，剋利夫蘭州立大學，先進控製技術中心

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很不错的书

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很实用，跟教科书不一祥，这本书是应用导向，五星推荐

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挺好的，应该还不错，还没翻看阅读。

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书是正版的，非常满意

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京东买书，保真又快。

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比较有用的专业指导书，内容安排很合理。

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很不错的一本书，很实用的，上过译者的课。

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