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第1章　控制理论简介3

1.1　Visual ModelQ环境3

第一部分　控制原理3

1.1.1　Visual ModelQ的安装4

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5

1.3　控制工程师5

2.2　传递函数7

第2章　频率域研究法7

2.1　拉普拉斯变换7

2.2.1　拉普拉斯算子8

2.2.2　线性化、时不变性与传递函数8

2.3　传递函数举例9

2.3.1　控制器单元的传递函数10

2.3.2　功率变换器的传递函数10

2.3.3　物理元件的传递函数10

2.4　框图12

2.4.1　组合框12

2.3.4　反馈的传递函数12

2.4.2　Mason信号流图13

2.5　相位与增益15

2.5.1　传递函数的相位与增益16

2.5.2　Bode图16

2.6　性能测量17

2.6.1　指令响应17

2.6.2　稳定性19

2.6.3　与频率域对应的时间域20

2.7　问题21

3.1　闭合控制回路23

第3章　控制系统的调试23

3.2　模型的详细回顾25

3.2.1　积分器25

3.2.2　功率变换器27

3.2.3　PI控制律27

3.2.4　反馈滤波器28

3.3　开环设计法29

3.4　稳定裕度30

3.4.1　GM与PM的确定30

3.4.2　实验3A：开环设计法的理解31

3.4.3　开环、闭环与阶跃响应32

3.5　分段调试的步骤34

3.5.1　段一：比例段35

3.5.2　段二：积分段36

3.6　被控对象增益的变动36

3.7　多（级联）控制回路38

3.8　饱和与同步39

3.9　问题41

4.2　数字系统中的延迟源43

4.2.1　采样－保持延迟43

4.1　如何采样43

第4章　数字控制器中的延迟43

4.2.2　计算延迟45

4.2.3　速度估计延迟45

4.2.4　延迟之和45

4.3　实验4A：数字控制中延迟的理解46

4.4　采样时间的选择48

4.4.1　一般系统的激进假设48

4.4.2　基于位置运动系统激进的假设49

4.4.3　适度假设与保守假设49

4.5　问题50

5.1.2　z域传递函数51

5.1.1　z的定义51

第5章　z域研究法51

5.1　z域初步51

5.1.3　双线性变换52

5.2　z域相图52

5.3　混叠54

5.4　实验5A：混叠55

5.4.1　z域中的Bode图与框图56

5.4.2　直流（DC）增益56

5.5　从传递函数到算法56

5.6.1　数字积分与微分58

5.6　数字系统的函数58

5.6.2　数字微分60

5.6.3　采样－保持63

5.6.4　数／模相互转换64

5.7　计算延迟的减小65

5.8　选择处理器65

5.8.1　定点与浮点运算66

5.8.6　处理器的选择67

5.8.5　处理器的未来67

5.8.3　其他算法67

5.8.4　编程的难易67

5.8.2　超采样时间运行67

5.9　量化68

5.9.1　极限环与抖动68

5.9.2　偏移与极限环69

5.10　问题70

第6章　控制器72

6.1　本章中的调试72

6.2.1　P控制73

6.2　比例增益的使用73

6.2.2　如何调试P控制器74

6.3　积分增益的使用76

6.3.1　PI控制76

6.3.2　PI＋控制78

6.4　微分增益的使用83

6.4.1 PID控制83

6.4.2 PID控制中的流行术语87

6.4.3 PID的模拟备用：超前－滞后87

6.5　PID＋控制88

6.6　PD控制90

6.7　选择控制器92

6.8　实验6A～6F94

6.9　问题94

第7章　扰动响应95

7.1　扰动95

7.2　速度控制器的扰动响应100

7.2.1　时间域扰动响应101

7.2.2　扰动的频率域响应103

7.3　扰动解耦法105

7.3.1　扰动解耦法的应用105

7.3.2　实验7B：扰动解耦109

7.4　问题112

第8章　前馈114

8.1　基于对象的前馈114

8.2　前馈与功率变换器117

8.2.1　实验8B：功率变换器的补偿118

8.2.2　扩展带宽与前馈补偿121

8.3　延迟指令信号121

8.3.1　实验8C：指令路径上的延迟121

8.3.2　实验8D：功率变换器的补偿与指令路径上的延迟123

8.4.1　被控对象增益的变化125

8.3.3　有前馈时的调试与钳位125

8.4　被控对象与功率变换器运行特性的变化125

8.4.2　功率变换器运行特性的变化126

8.5　双积分被控对象的前馈127

8.6　问题128

第9章　控制系统中的滤波器129

9.1　控制系统中的滤波器129

9.1.1　控制器中的滤波器129

9.1.3　反馈中的滤波132

9.2　滤波器的通带132

9.1.2　功率变换器中的滤波器132

9.2.1　低通滤波器133

9.2.2　陷波滤波器136

9.2.3　实验9A：模拟滤波器137

9.2.4　双二阶滤波器138

9.3　滤波器的实现139

9.3.1　无源模拟滤波器139

9.3.2　有源模拟滤波器139

9.3.3　开关电容滤波器139

9.3.4　IIR数字滤波器140

9.3.5 FIR数字滤波器141

9.4　问题142

第10章　控制系统中的观测器143

10.1　观测器纵览143

10.1.1　观测器术语144

10.1.2 创建一个Luenberger观测器144

10.2　实验10A～10C：用观测器提高稳定性147

10.3　Luenberger观测器的滤波器形式150

10.3.1　低通与高通滤波器151

10.3.3　回路形式与滤波器形式的比较152

10.3.2　滤波器形式的框图152

10.4　Luenberger观测器的设计153

10.4.1　传感器的估计器设计154

10.4.2　传感器的滤波154

10.4.3　被控对象的估计器设计155

10.4.4　设计观测补偿器158

10.5　观测补偿器的调试概述159

10.5.1　步骤1：临时构建观测器以供调试160

10.5.2　步骤2：观测补偿器稳定性调整160

10.6　问题163

10.5.3　步骤3：把观测器恢复为标准Luenberger结构163

第二部分　建模167

第11章　建模入门167

11.1　什么是模型167

11.2　频率域建模167

11.3　时间域建模169

11.3.1　状态变量169

11.3.2　建模环境171

11.3.3　模型173

11.4　问题180

11.3.4　时间域模型的频率信息180

第12章　非线性特性与时变181

12.1　LTI与非LTI181

12.2　非LTI特性181

12.2.1　慢变182

12.2.2　快变182

12.3　非线性特性的处理183

12.3.1　更换被控对象183

12.3.2　最坏条件下的稳定性调试183

12.3.3　增益调度184

12.4.1　被控对象的饱和185

12.4　非线性特性十例185

12.4.2　死区186

12.4.3　逆向移动187

12.4.4　视在惯量的变动188

12.4.5　摩擦力189

12.4.6　量化192

12.4.7　确定性的反馈误差192

12.4.8　功率变换器的饱和193

12.4.9　脉冲调制195

12.4.10　回线控制器196

12.5　问题197

第13章　建立模型的步骤198

13.1　确定建模目的198

13.1.1　训练198

13.1.2　故障检修198

13.1.3　试验199

13.1.4　预测199

13.2　SI单位制模型199

13.3　系统辨识200

13.3.1　被控对象的辨识200

13.3.2　功率变换器的辨识201

13.3.3　反馈辨识202

13.3.4　控制器的辨识202

13.4　建立框图203

13.5　频率域或时间域的选择203

13.6　写出模型方程203

13.7　模型的检验204

第三部分　运动控制207

第14章　编码器与旋转变压器207

14.1　精度、分辨率与响应速度208

14.3　旋转变压器209

14.2　编码器209

14.3.1　旋转变压器的信号变换210

14.3.2　软件旋转变压器－数字变换器211

14.3.3　旋转变压器误差与多速旋转变压器212

14.4　位置分辨率、速度估计与噪声213

14.4.1　实验14A：分辨率噪声214

14.4.2　高增益产生大噪声215

14.4.3　噪声滤除216

14.5　提高分辨率的其他方法217

14.5.1　1/T插值法或时钟脉冲计数法217

14.6　周期误差与转矩／速度纹波218

14.5.2　正弦编码器218

14.6.1　速度纹波220

14.6.2　转矩纹波221

14.7　实验14B：周期误差与转矩纹波222

14.7.1　误差幅值与纹波间的关系223

14.7.2　速度与纹波间的关系223

14.7.3　带宽与纹波间的关系223

14.7.6　提升旋转变压器速度的影响224

14.7.7　实际速度中的纹波与反馈速度中的纹波间的关系224

14.7.5　改变误差谐波的影响224

14.7.4　惯量与纹波间的关系224

14.8　选择反馈装置225

14.9　问题227

第15章 电子伺服电动机及其驱动229

15.1　驱动器的定义230

15.2　伺服系统的定义230

15.3　磁学基础230

15.3.1　电磁学232

15.3.2　右手定则232

15.4　电气伺服电动机233

15.3.3　磁路径的闭合233

15.4.1　转矩的额定值234

15.4.2　旋转运动与直线运动235

15.4.3　直线电动机235

15.5　有刷永磁电动机236

15.5.1　绕组磁通的生成237

15.5.2　换向237

15.5.3　转矩的产生238

15.5.4　电角与机械角的关系238

15.5.6　电动机的电气模型239

15.5.5　电动机转矩常数239

15.5.7　有刷永磁电动机的控制240

15.5.8　有刷电动机的优点与弱点242

15.6　无刷永磁电动机243

15.6.1　无刷永磁电动机的绕组243

15.6.2　正弦换向244

15.6.3　无刷永磁电动机的相位控制244

15.6.4　无刷永磁电动机的DQ控制249

15.6.5　DQ的磁学方程251

15.6.6　DQ控制与相位控制的比较251

15.7　无刷永磁电动机的控制252

15.7.1　用于换向的位置检测253

15.7.2　有刷电动机与无刷电动机的比较254

15.8　感应式电动机与磁阻式电动机255

15.9　问题255

第16章　柔顺性与谐振257

16.1　谐振方程258

16.2　调谐谐振与惯量－减小型不稳定260

16.2.1　调谐谐振260

16.2.2　惯量－减小型不稳定262

16.2.3　实验16A和16B264

16.3　消除谐振265

16.3.1　增大电动机惯量／负载惯量的比值265

16.3.2　加强刚性传动267

16.3.3　增大阻尼269

16.3.4　滤波器270

16.4　问题272

第17章　位置控制回路274

17.1　P/PI位置控制274

17.1.1　P/PI传递函数275

17.1.2　调试P/PI回路276

17.1.3　P/PI回路中的前馈278

17.1.4　调试有速度前馈的P/PI回路279

17.1.5　P/PI回路中的加速度前馈280

17.1.6　具有加速度前馈与速度前馈的系统调试281

17.2　PI/P位置控制282

17.3　PID位置控制284

17.3.1　PID位置控制器的调试284

17.3.2　速度前馈与PID位置控制器286

17.3.4　PID位置环的指令响应与扰动响应287

17.3.3　加速度前馈与PID位置控制器287

17.4　位置环的比较288

17.4.1　位置、速度和电流驱动配置289

17.4.2　比较表289

17.4.3　双环位置控制290

17.5　位置系统的Bode图291

17.5.1　采用速度驱动的系统Bode图291

17.5.2　采用电流驱动的系统Bode图292

17.6　问题293

18.1.2　可采用的计算资源294

18.1.1　性能需求294

18.1　可能从观测器中获益的应用294

第18章　Luenberger观测器在运动控制中的应用294

18.1.3　用户具有的控制知识295

18.1.4　传感器噪声295

18.1.5　运动控制传感器中的相位滞后295

18.2　消除相位滞后295

18.2.1　消除由简单差分引入的相位滞后295

18.2.2　消除由变换产生的相位滞后302

18.3　加速度反馈307

18.3.2　观测加速度反馈的使用309

18.3.1　观测加速度的使用309

18.4　问题311

附录A　控制器元件的有源模拟实现313

附录B　欧洲框图符号317

附录C　龙格－库塔法319

附录D　双线性变换研究324

附录E　数字算法的并行形式326

附录F　基本矩阵运算328

附录G　习题答案330

参考文献341