了得網工業技術_控制繫統設計指南(原書第4版)

內容簡介

全書分成三部分，共19章。部分（1章～10章）：控制的應用原則。依次介紹控制理論、頻率域研究法、控制繫統的調試、數字控制器中的延遲、z—域研究法、四種控制器、擾動響應、前饋、控制繫統中的濾波器、控制繫統中的觀測器；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、位置控制回路、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繫統的各類有關實驗。實驗內容豐富而又實用。本書後還提供了借助於NationalInstruments公司的LabVIEW軟件及相關硬件實施快速控制原型技術的實驗，非常貼近實際的控制繫統開發應用。

譯者序前言部分控制的應用原則第1章控制理論簡介311Visual ModelQ仿真環境3111Visual ModelQ的安裝3112正誤表412控制繫統4121控制器4122被控機器413控制工程師5第2章頻率域研究法621拉普拉斯變換622傳遞函數6221s是什麼7222線性化、時不變性與傳遞函數723傳遞函數舉例8231控的傳遞函數8232功率變換器的傳遞函數923件的傳遞函數9234反饋的傳遞函數1024框圖11241組合框11242Mason信號流圖法1225相位與增益13251傳遞函數的相位與增益14252伯德圖：相位、增益與頻率的關繫1426性能測量15261指令響應15262穩定性17263與頻率域對應的時間域1827問題18第3章控制繫統的調試2031閉合控制回路2032模型的詳細回顧22321積分器22322功率變換器23323PI控制律23324反饋濾波器2433開環設計法2534穩定裕度25341量化PM與GM26342實驗3A：理解開環設計法26343開環、閉環與階躍響應2835分段調試的步驟29351段一：比例段30352段二：積分段3136被控對像增益的變化31361應對變化的增益3237多(級聯)控制回路3338功率變換器飽和與同步3339相位與增益圖36310問題38第4章數字控制器中的延遲4041如何采樣4042數字繫統中的延遲源40421采樣保持延遲40422計算延遲41423速度估計延遲42424延遲之和4243實驗4A：數字控制中延遲的理解4344選擇采樣時間44441一般繫統的激進假設45442基於位置運動繫統激進的假設45443適度假設與保守假設4545問題46第5章z域研究法4851z域初步48511z的定義48512z域傳遞函數48513雙線性變換4852z域相圖4953混疊5054實驗5A:混疊52541z域中的伯德圖與框圖53542直流增益5355從傳遞函數到算法5356數字繫統的函數55561數字積分與微分55562數字微分56563采樣保持58564DAC/ADC：數模相互轉換5957計算延遲的減小6058量化61581極限環與抖動61582偏置與極限環6259問題63第6章四種控制器6461本章中的調試6462比例增益的使用65621P控制65622如何調試P控制器6563積分增益的使用67631PI控制67632如何調試PI控制器68633模擬PI控制6964微分增益的使用70641PID控制70642如何調試PID控制器70643噪聲與微分增益72644ZieglerNichols法72645PID控制中的流行術語73646PID的模擬替代方法：超前滯後7365PD控制7466選擇控制器7667實驗6A～6D7668問題77第7章擾動響應7871擾動7872速度控制器的擾動響應82721擾動的時間域響應83722擾動的頻率域響應8573擾動解耦法86731擾動解耦法的應用87732實驗7B：擾動解耦9074問題92第8章前饋9481基於被控對像的前饋9482前饋與功率變換器97821實驗8B:功率變換器的補償98822增大功率變換器帶寬與前饋補償10083延遲指令信號100831實驗8C：指令通路上的延遲101832實驗8D：功率變換器的補償與指令通路上的延遲102833有前饋時的調試與鉗位10384被控對像與功率變換器運行特性中的變化104841被控對像增益的變化104842功率變換器運行特性的變化10585雙積分被控對像的前饋10686問題106第9章控制繫統中的濾波器及實現10891控制繫統中的濾波器108911控制器中的濾波器108912功率變換器中的濾波器110913反饋中的濾波器11092濾波器的通帶110921低通濾波器111922陷波濾波器114923實驗9A:模擬濾波器115924雙二階濾波器11593濾波器的實現116931無源模擬濾波器116932有源模擬濾波器116933開關電容濾波器117934IIR數字濾波器117935FIR數字濾波器11894問題119第10章控制繫統中的觀測器120101觀測器縱覽1201011觀測器術語1211012創建一個Luenberger觀測器121102實驗10A～10C:用觀測器提高穩定性124103Luenberger觀測器的濾波器形式1261031低通與高通濾波器1281032濾波器形式的框圖1281033回路形式與濾波器形式的比較128104Luenberger觀測器的設計1291041傳感器的估計器設計1291042傳感器的濾波作用1301043被控對像的估計器設計1301044設計觀測器補償器133105觀測器補償器的調試概述1341051步驟1：臨時構建觀測器以供調試1351052步驟2：觀測器補償器穩定性調整1351053步驟3：把觀測器恢復為標準Luenberger結構138106問題138第二部分建模第11章建模入門140111什麼是模型140112頻域建模140113時域建模1421131狀態變量1421132建模環境1441133模型1451134時域模型的頻域信息151114問題152第12章非線性特性與時變153121LTI與非LTI153122非LTI特性1531221慢變化1531222快變化154123非線性特性處理1541231更換被控對像1551232壞條件下的穩定性調試1551233增益調度156124非線性特性十例1571241被控對像的飽和1571242死區1581243逆向漂移1591244視在慣量的變化1611245摩擦力1611246量化1641247確定的反饋誤差1641248功率變換器飽和1651249脈衝調制16712410滯環控制器168125問題168第13章模型開發與校驗170131模型開發的七個步驟1701311確定建模目的1701312SI單位制模型1711313繫統辨識1721314建立框圖1741315頻域與時域選擇1751316寫出模型方程1751317校驗模型175132從仿真到部署:RCP與HIL1761321RCP技術1761322RCP:移植的中間步驟1761323RCP與並行開發1771324RCP與實時執行1781325LabVIEW中的實時仿真示例1781326硬件在環仿真技術18213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186141精度、分辨率與響應速度187142編碼器188143旋轉變壓器1881431旋轉變壓器信號變換1891432軟件RDC1901433旋轉變壓器誤差與多級旋轉變壓器191144位置分辨率、速度估計與噪聲1911441實驗14A：分辨率噪聲1921442高增益產生大噪聲1931443噪聲濾除193145提高分辨率的選擇方法19414511/T插值法1941452正弦編碼器195146周期誤差與轉矩/速度紋波1961461速度紋波1971462轉矩紋波197147實驗14B：周期誤差與轉矩紋波1991471誤差幅值與紋波的關繫1991472速度與紋波的關繫1991473帶寬與紋波的關繫2001474慣量與紋波的關繫2001475改變誤差諧波的影響2001476提高旋轉變壓器速度的影響2001477實際速度中的紋波與反饋速度中的紋波之間的關繫200148選擇反饋裝置2011481供貨商202149問題203第15章電子伺服電動機與驅動基礎204151驅動器的定義204152伺服繫統的定義205153磁學基礎2051531電磁學2071532右手定則2071533形成磁通路207154電子伺服電動機2081541轉矩評定等級2081542旋轉運動與直線運動2091543直線電動機209155永磁有刷電動機2101551生成繞組磁通2101552換相2111553轉矩的產生2111554電角與機械角的關繫2111555電動機轉矩常數KT2121556電動機的電氣模型2121557永磁有刷電動機的控制2131558有刷電動機的優點與缺點215156永磁無刷電動機2161561永磁無刷電動機的繞組2161562正弦換相2161563永磁無刷電動機的相位控制2171564永磁無刷電動機的DQ控制2201565DQ磁方程2221566DQ控制與相控制的比較223157永磁無刷電動機的六步控制2241571換相的位置傳感2241572有刷電動機與無刷電動機的比較225158感應電動機與磁阻電動機226159問題226第16章柔性與諧振227161諧振方程228162調諧諧振與慣量減小不穩定性2291621調諧諧振2291622慣量減小不穩定性2311623實驗16A和16B233163整治諧振2331631增大電動機/負載慣量的比值2331632增強傳動剛性2351633增大阻尼2371634濾波器238164問題239第17章位置控制回路241171P/PI位置控制2411711P/PI傳遞函數2421712調試P/PI回路2431713P/PI回路中的前饋2451714調試有速度前饋的P/PI回路2451715P/PI回路中的加速度前饋2461716調試具有加速度/速度前饋的P/PI回路247172PI/P位置控制2481721調試PI/P回路249173PID位置控制2491731PID位置控制器調試2501732速度前饋與PID位置控制器2511733加速度前饋與PID位置控制器2511734PID位置環的指令響應與擾動響應252174位置環的比較2531741定位、速度與電流驅動器配置2531742比較表格2541743雙環位置控制254175位置輪廓發生器2551751梯形分段計算2561752逐點產生2561753S曲線2571754多軸協調259176定位繫統的伯德圖2591761采用速度驅動的繫統的伯德圖2591762采用電流驅動器的繫統的伯德圖260177問題260第18章Luenberger觀測器在運動控制中的應用262181可能從觀測器中獲益的應用2621811性能需求2621812可采用的計算資源2621813位置反饋傳感器2621814運動控制傳感器中的相位滯後263182觀測速度，減小相位滯後2631821消除由簡單差分引入的相位滯後2631822消除變換引起的相位滯後269183加速度反饋2731831使用觀測加速度2741832實驗18E：使用觀測加速度反饋275184問題276第19章運動控制中的快速控制原型技術278191為什麼使用RCP2781911用RCP來改進、驗證模型2791912用RCP獲部件訪問權，並取代模型279192具有硬耦合負載的伺服繫統2801921建立繫統模型2811922LabVIEW模型和Visual ModelQ模型的比較2821923將LabVIEW模型轉換為RCP控制器2831924驗證RCP控制器284193具有柔性耦合負載的伺服繫統2861931在Visual ModelQ中建立繫統模型2871932在LabVIEW中建立繫統模型2881933轉換LabVIEW模型為RCP繫統288附錄291附錄A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

前言

控制繫統的基礎是在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了很大的進步。數字處理器改變了我們實施控制律的方式，但在許多情況下，並沒有改變控制律本身，比例積分微分(ProportionaIntegralDifferential，PID)控制現在所起的作用與四五十年前是一樣的。控制繫統應用廣泛，因此與教學繫統結合緊密。在大多數工程類大學已經開設了這樣的課程，有些學校甚至還要求學生從事適量的這個學科方面的訓練。由於控制原理存在的時間很長，從事控制原理應用的、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制基礎都感到滿意。不幸的是，情況往往並非如此。在過去的數年裡，我有機會向約1500名工程師進行了一天的研討班形式的授課，標題為“如何改進伺服繫統”。這些工程師富有激情，願意花時間聆聽對他們所面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制課程。在研討班上，我通常會花上幾分鐘問：“你們當中有多少人規範用過在學校所學的控制原理？”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？可能是由於控制課程的教學過多地把重點放在了數學上。在學生學習如何計算一種接一種的結果，並將其畫出來的時候，忽略了直覺方面的信息，通常隻是含糊地理解了練習的重要性。多年前，我曾經就是這樣的學生當中的一員。我喜歡控制學科，在我的各門控制課的課堂上，我表現得也很好，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控制繫統。事情並非非要這樣不可，你可以培養設計控制繫統的直覺！本書致力於幫助你這樣做。本書中，控制原理是與實用分析方法一道呈現出來的，用了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可靠方式。每一章的目標都是為了培養感性認知。本版的新內容第4版《控制繫統設計指南》增加了快速控制原型技術(Rapid Control Prototyping，RCP)，這是一種允許設計者在物理硬件上運行控制律模型的技術。第13章做了擴展，介紹了這個主題；增加了第19章，提供了為數眾多的快速控制原型技術示例。此外，每一章都重新審視並做了更新。與文本相配的軟件Visual ModelQ也做了更新，包括所有模型的修改。本書的組織安排本書分為三部分：部分是控制的應用原理，包含10章。第1章控制理論簡介，討論了工業中控制技術和控制工程師的作用；第2章頻率域研究法，復習了控制繫統的基礎s域研究法；第3章控制繫統的調試，給讀者一個調試控制繫統的實踐機會，對於大多數人來說，這是控制繫統試車難的部分；第4章數字控制器中的延遲，精選出了數字控制器與模擬控制器在應用中的重要區別，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域擴展到數字控制的技術；第6章四種控制器，涵蓋了四種不同PID控制的選擇方法，以及應用中的實際問題；第7章擾動響應，詳細討論了控制繫統如何對指令信號以外的其他輸入產生響應；第8章前饋，提出了能根本性地提高指令響應速度的技術；第9章控制繫統中的濾波器及實現，討論了模擬控制器和數字控制器中濾波器的應用；第10章控制繫統中的觀測器，對觀測器做了總體介紹。第二部分是建模，共有3章。第11章建模入門，給出了時間域建模和頻率域建模方法的概況；第12章非線性特性與時變，介紹了處理常見非線性效應的方法，不幸的是，雖然明顯的非線性效應在工業應用中普遍存在，但大多數有關控制方面的文獻中遺漏了這一主題；第13章模型開發與校驗，給出了逐步開發模型的步驟。第三部分是運動控制，專注於用電子伺服電動機實現運動控制。第14章編碼器與旋轉變壓器，討論了伺服電動機中為常見的反饋傳感器；第15章伺服電動機與驅動基礎，討論了現代伺服電動機中轉矩的產生；第16章柔性與諧振，專注於運動控制中為普遍的問題，也就是機械柔性引起的不穩定性；第17章位置控制回路，由於大多數的應用是控制位置，而非速度和轉矩，因此討論的是位置控制；第18章Luenberger觀測器在運動控制中的應用，其重點在於運動控制繫統中的觀測器；第19章運動控制中的快速控制原型技術，用National Instruments LabVIEW證實了建立的繫統模型如何在實時控制繫統中校驗。讀者回饋請隨時通過電子郵箱geogre.ellis@kollmorgen.com或者qxdesign@msn.com和我聯繫，第4版的校正將在qxdesign.com網站上公布。致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，我纔完成了我的大學教育，而這樣的特權他並沒有享受到，他是一個聰明卻出生在一個收入不高的家庭的人。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了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，給了我在大學生涯以及從此以後所依靠的信心。特別感激Charles Nunnally博士，從成功的工業生涯轉到大學，他早讓我明白了我努力學習的東西的實際用途。感謝我長期的東家Kollmorgen公司在我寫這本書的過程中給我不斷的支持。特別感謝我多年的導師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做出了許多貢獻。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。反饋控制是一項普遍應用、功能強大、可實現的技術，咋一看上去，它簡單明了，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。反饋控制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，已經成了專家的領地，並且是作為一種幾乎沒有綜合考慮的、現在回想起來隻是附加的一部分被應用於多學科交叉的繫統設計中。在控制領域中，有一條巨大的、必須彌合的理論實踐鴻溝。通過這本書，George Ellis在彌合這條鴻溝，以及讓每個見習工程師熟悉控制繫統的設計和實施方法上已經邁出了一大步。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《控制繫統中的觀測器》展示了現代控制設計如何結合反饋、前饋、觀測器一起融入到從設計到繫統性能、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，都已經磨破了，我現在正在向出版社索要新的版本。 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回路，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裡走，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，運動繫統的快速控制原型技術，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，克利夫蘭州立大學，先進控制技術中心

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