第一部分 控制的应用原则

第1章 控制理论简介

1.1 Visual ModelQ仿真环境

1.1.1 Visual ModelQ的安装

1.1.2 正误表

1.2 控制系统

1.2.1 控制器

1.2.2 被控机器

1.3 控制工程师

第2章 频率域研究法

2.1 拉普拉斯变换

2.2 传递函数

2.2.1 s是什么

2.2.2 线性化、时不变性与传递函数

2.3 传递函数举例

2.3.1 控制器单元的传递函数

2.3.2 功率变换器的传递函数

2.3.3 物理元件的传递函数

2.3.4 反馈的传递函数

2.4 框图

2.4.1 组合框

2.4.2 Mason信号流图法

2.5 相位与增益

2.5.1 传递函数的相位与增益

2.5.2 伯德图：相位、增益与频率的关系

2.6 性能测量

2.6.1 指令响应

2.6.2 稳定性

2.6.3 与频率域对应的时间域

2.7 问题

第3章 控制系统的调试

3.1 闭合控制回路

3.2 模型的详细回顾

3.2.1 积分器

3.2.2 功率变换器

3.2.3 PI控制律

3.2.4 反馈滤波器

3.3 开环设计法

3.4 稳定裕度

3.4.1 量化PM与GM

3.4.2 实验3A：理解开环设计法

3.4.3 开环、闭环与阶跃响应

3.5 分段调试的步骤

3.5.1 段一：比例段

3.5.2 段二：积分段

3.6 被控对象增益的变化

3.6.1 应对变化的增益

3.7 多（级联）控制回路

3.8 功率变换器饱和与同步

3.9 相位与增益图

3.10 问题

第4章 数字控制器中的延迟

4.1 如何采样

4.2 数字系统中的延迟源

4.2.1 采样-保持延迟

4.2.2 计算延迟

4.2.3 速度估计延迟

4.2.4 延迟之和

4.3 实验4A：数字控制中延迟的理解

4.4 选择采样时间

4.4.1 一般系统的激进假设

4.4.2 基于位置运动系统激进的假设

4.4.3 适度假设与保守假设

4.5 问题

第5章 z域研究法

5.1 z域初步

5.1.1 z的定义

5.1.2 z域传递函数

5.1.3 双线性变换

5.2 z域相图

5.3 混叠

5.4 实验5A：混叠

5.4.1 z域中的伯德图与框图

5.4.2 直流增益

5.5 从传递函数到算法

5.6 数字系统的函数

5.6.1 数字积分与微分

5.6.2 数字微分

5.6.3 采样-保持

5.6.4 DAC/ADC：数模相互转换

5.7 计算延迟的减小

5.8 量化

5.8.1 极限环与抖动

5.8.2 偏置与极限环

5.9 问题

第6章 四种控制器

6.1 本章中的调试

6.2 比例增益的使用

6.2.1 P控制

6.2.2 如何调试P控制器

6.3 积分增益的使用

6.3.1 PI控制

6.3.2 如何调试PI控制器

6.3.3 模拟PI控制

6.4 微分增益的使用

6.4.1 PID控制

6.4.2 如何调试PID控制器

6.4.3 噪声与微分增益

6.4.4 Ziegler-Nichols法

6.4.5 PID控制中的流行术语

6.4.6 PID的模拟替代方法：超前-滞后

6.5 PD控制

6.6 选择控制器

6.7 实验6A～6D

6.8 问题

第7章 扰动响应

7.1 扰动

7.2 速度控制器的扰动响应

7.2.1 扰动的时间域响应

7.2.2 扰动的频率域响应

7.3 扰动解耦法

7.3.1 扰动解耦法的应用

7.3.2 实验7B：扰动解耦

7.4 问题

第8章 前馈

8.1 基于被控对象的前馈

8.2 前馈与功率变换器

8.2.1 实验8B：功率变换器的补偿

8.2.2 增大功率变换器带宽与前馈补偿

8.3 延迟指令信号

8.3.1 实验8C：指令通路上的延迟

8.3.2 实验8D：功率变换器的补偿与指令通路上的延迟

8.3.3 有前馈时的调试与钳位

8.4 被控对象与功率变换器运行特性中的变化

8.4.1 被控对象增益的变化

8.4.2 功率变换器运行特性的变化

8.5 双积分被控对象的前馈

8.6 问题

第9章 控制系统中的滤波器及实现

9.1 控制系统中的滤波器

9.1.1 控制器中的滤波器

9.1.2 功率变换器中的滤波器

9.1.3 反馈中的滤波器

9.2 滤波器的通带

9.2.1 低通滤波器

9.2.2 陷波滤波器

9.2.3 实验9A：模拟滤波器

9.2.4 双二阶滤波器

9.3 滤波器的实现

9.3.1 无源模拟滤波器

9.3.2 有源模拟滤波器

9.3.3 开关电容滤波器

9.3.4 IIR数字滤波器

9.3.5 FIR数字滤波器

9.4 问题

第10章 控制系统中的观测器

10.1 观测器纵览

10.1.1 观测器术语

10.1.2 创建一个Luenberger观测器

10.2 实验10A～10C：用观测器提高稳定性

10.3 Luenberger观测器的滤波器形式

10.3.1 低通与高通滤波器

10.3.2 滤波器形式的框图

10.3.3 回路形式与滤波器形式的比较

10.4 Luenberger观测器的设计

10.4.1 传感器的估计器设计

10.4.2 传感器的滤波作用

10.4.3 被控对象的估计器设计

10.4.4 设计观测器补偿器

10.5 观测器补偿器的调试概述

10.5.1 步骤1：临时构建观测器以供调试

10.5.2 步骤2：观测器补偿器稳定性调整

10.5.3 步骤3：把观测器恢复为标准Luenberger结构

10.6 问题

第二部分 建模

第11章 建模入门

11.1 什么是模型

11.2 频域建模

11.3 时域建模

11.3.1 状态变量

11.3.2 建模环境

11.3.3 模型

11.3.4 时域模型的频域信息

11.4 问题

第12章 非线性特性与时变

12.1 LTI与非LTI

12.2 非LTI特性

12.2.1 慢变化

12.2.2 快变化

12.3 非线性特性处理

12.3.1 更换被控对象

12.3.2 最坏条件下的稳定性调试

12.3.3 增益调度

12.4 非线性特性十例

12.4.1 被控对象的饱和

12.4.2 死区

12.4.3 逆向漂移

12.4.4 视在惯量的变化

12.4.5 摩擦力

12.4.6 量化

12.4.7 确定的反馈误差

12.4.8 功率变换器饱和

12.4.9 脉冲调制

12.4.10 滞环控制器

12.5 问题

第13章 模型开发与校验

13.1 模型开发的七个步骤

13.1.1 确定建模目的

13.1.2 SI单位制模型

13.1.3 系统辨识

13.1.4 建立框图

13.1.5 频域与时域选择

13.1.6 写出模型方程

13.1.7 校验模型

13.2 从仿真到部署：RCP与HIL

13.2.1 RCP技术

13.2.2 RCP：移植的中间步骤

13.2.3 RCP与并行开发

13.2.4 RCP与实时执行

13.2.5 LabVIEW中的实时仿真示例

13.2.6 硬件在环仿真技术

13.2.7 RCP和HIL供货商

第三部分 运动控制

第14章 编码器与旋转变压器

14.1 精度、分辨率与响应速度

14.2 编码器

14.3 旋转变压器

14.3.1 旋转变压器信号变换

14.3.2 软件RDC

14.3.3 旋转变压器误差与多级旋转变压器

14.4 位置分辨率、速度估计与噪声

14.4.1 实验14A：分辨率噪声

14.4.2 高增益产生大噪声

14.4.3 噪声滤除

14.5 提高分辨率的选择方法

14.5.1 1/T插值法

14.5.2 正弦编码器

14.6 周期误差与转矩／速度纹波

14.6.1 速度纹波

14.6.2 转矩纹波

14.7 实验14B：周期误差与转矩纹波

14.7.1 误差幅值与纹波的关系

14.7.2 速度与纹波的关系

14.7.3 带宽与纹波的关系

14.7.4 惯量与纹波的关系

14.7.5 改变误差谐波的影响

14.7.6 提高旋转变压器速度的影响

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

14.8 选择反馈装置

14.8.1 供货商

14.9 问题

第15章 电子伺服电动机与驱动基础

15.1 驱动器的定义

15.2 伺服系统的定义

15.3 磁学基础

15.3.1 电磁学

15.3.2 右手定则

15.3.3 形成磁通路

15.4 电子伺服电动机

15.4.1 转矩评定等级

15.4.2 旋转运动与直线运动

15.4.3 直线电动机

15.5 永磁有刷电动机

15.5.1 生成绕组磁通

15.5.2 换相

15.5.3 转矩的产生

15.5.4 电角与机械角的关系

15.5.5 电动机转矩常数KT

15.5.6 电动机的电气模型

15.5.7 永磁有刷电动机的控制

15.5.8 有刷电动机的优点与缺点

15.6 永磁无刷电动机

15.6.1 永磁无刷电动机的绕组

15.6.2 正弦换相

15.6.3 永磁无刷电动机的相位控制

15.6.4 永磁无刷电动机的DQ控制

15.6.5 DQ磁方程

15.6.6 DQ控制与相控制的比较

15.7 永磁无刷电动机的六步控制

15.7.1 换相的位置传感

15.7.2 有刷电动机与无刷电动机的比较

15.8 感应电动机与磁阻电动机

15.9 问题

第16章 柔性与谐振

16.1 谐振方程

16.2 调谐谐振与惯量-减小不稳定性

16.2.1 调谐谐振

16.2.2 惯量-减小不稳定性

16.2.3 实验16A和16B

16.3 整治谐振

16.3.1 增大电动机／负载惯量的比值

16.3.2 增强传动刚性

16.3.3 增大阻尼

16.3.4 滤波器

16.4 问题

第17章 位置控制回路

17.1 P/PI位置控制

17.1.1 P/PI传递函数

17.1.2 调试P/PI回路

17.1.3 P/PI回路中的前馈

17.1.4 调试有速度前馈的P/PI回路

17.1.5 P/PI回路中的加速度前馈

17.1.6 调试具有加速度／速度前馈的P/PI回路

17.2 PI/P位置控制

17.2.1 调试PI/P回路

17.3 PID位置控制

17.3.1 PID位置控制器调试

17.3.2 速度前馈与PID位置控制器

17.3.3 加速度前馈与PID位置控制器

17.3.4 PID位置环的指令响应与扰动响应

17.4 位置环的比较

17.4.1 定位、速度与电流驱动器配置

17.4.2 比较表格

17.4.3 双环位置控制

17.5 位置轮廓发生器

17.5.1 梯形分段计算

17.5.2 逐点产生

17.5.3 S曲线

17.5.4 多轴协调

17.6 定位系统的伯德图

17.6.1 采用速度驱动的系统的伯德图

17.6.2 采用电流驱动器的系统的伯德图

17.7 问题

第18章 Luenberger观测器在运动控制中的应用

18.1 可能从观测器中获益的应用

18.1.1 性能需求

18.1.2 可采用的计算资源

18.1.3 位置反馈传感器

18.1.4 运动控制传感器中的相位滞后

18.2 观测速度，减小相位滞后

18.2.1 消除由简单差分引入的相位滞后

18.2.2 消除变换引起的相位滞后

18.3 加速度反馈

18.3.1 使用观测加速度

18.3.2 实验18E：使用观测加速度反馈

18.4 问题

第19章 运动控制中的快速控制原型技术

19.1 为什么使用RCP

19.1.1 用RCP来改进、验证模型

19.1.2 用RCP获取物理元部件访问权，并取代模型

19.2 具有硬耦合负载的伺服系统

19.2.1 建立系统模型

19.2.2 LabVIEW模型和Visual ModelQ模型的比较

19.2.3 将LabVIEW模型转换为RCP控制器

19.2.4 验证RCP控制器

19.3 具有柔性耦合负载的伺服系统

19.3.1 在Visual ModelQ中建立系统模型

19.3.2 在LabVIEW中建立系统模型

19.3.3 转换LabVIEW模型为RCP系统

附录

附录A 控制器元件的有源模拟实现

附录B 欧洲框图符号

附录C 龙格-库塔法

附录D 双线性变换研究

附录E 数字算法的并行形式

附录F 基本矩阵论

附录G 习题答案

术语中英对照表

参考文献

后记