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全书分成三部分，共19章。第一部分（1章～10章）：控制的应用原则。依次介绍控制理论、频率域研究法、控制系统的调试、数字控制器中的延迟、z—域研究法、四种控制器、扰动响应、前馈、控制系统中的滤波器、控制系统中的观测器；第二部分（11章～13章）：建模。依次介绍了时间域与频率域研究法、时变与非线性、模型开发与验证；第三部分（14～19章）：运动控制。依次介绍编码器和旋转变压器、电子伺服电机与驱动基础、柔性与谐振、位置控制回路、运动控制中的Luenberger观测器、快速控制原型技术等。本书作者还提供了独具特色的基于PC机的单机图形化仿真环境VisualModelQ,读者可在其中图形建模，并运行书中提及的控制系统的各类有关实验。实验内容丰富而又实用。本书最后还提供了借助于NationalInstruments公司的LabVIEW软件及相关硬件实施快速控制原型技术的实验，非常贴近实际的控制系统开发应用。
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| 目錄：
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译者序前言第一部分控制的应用原则第1章控制理论简介311Visual ModelQ仿真环境3111Visual ModelQ的安装3112正误表412控制系统4121控制器4122被控机器413控制工程师5第2章频率域研究法621拉普拉斯变换622传递函数6221s是什么7222线性化、时不变性与传递函数723传递函数举例8231控制器单元的传递函数8232功率变换器的传递函数9233物理元件的传递函数9234反馈的传递函数1024框图11241组合框11242Mason信号流图法1225相位与增益13251传递函数的相位与增益14252伯德图：相位、增益与频率的关系1426性能测量15261指令响应15262稳定性17263与频率域对应的时间域1827问题18第3章控制系统的调试2031闭合控制回路2032模型的详细回顾22321积分器22322功率变换器23323PI控制律23324反馈滤波器2433开环设计法2534稳定裕度25341量化PM与GM26342实验3A：理解开环设计法26343开环、闭环与阶跃响应2835分段调试的步骤29351段一：比例段30352段二：积分段3136被控对象增益的变化31361应对变化的增益3237多级联控制回路3338功率变换器饱和与同步3339相位与增益图36310问题38第4章数字控制器中的延迟4041如何采样4042数字系统中的延迟源40421采样保持延迟40422计算延迟41423速度估计延迟42424延迟之和4243实验4A：数字控制中延迟的理解4344选择采样时间44441一般系统的激进假设45442基于位置运动系统激进的假设45443适度假设与保守假设4545问题46第5章z域研究法4851z域初步48511z的定义48512z域传递函数48513双线性变换4852z域相图4953混叠5054实验5A:混叠52541z域中的伯德图与框图53542直流增益5355从传递函数到算法5356数字系统的函数55561数字积分与微分55562数字微分56563采样保持58564DACADC：数模相互转换5957计算延迟的减小6058量化61581极限环与抖动61582偏置与极限环6259问题63第6章四种控制器6461本章中的调试6462比例增益的使用65621P控制65622如何调试P控制器6563积分增益的使用67631PI控制67632如何调试PI控制器68633模拟PI控制6964微分增益的使用70641PID控制70642如何调试PID控制器70643噪声与微分增益72644ZieglerNichols法72645PID控制中的流行术语73646PID的模拟替代方法：超前滞后7365PD控制7466选择控制器7667实验6A～6D7668问题77第7章扰动响应7871扰动7872速度控制器的扰动响应82721扰动的时间域响应83722扰动的频率域响应8573扰动解耦法86731扰动解耦法的应用87732实验7B：扰动解耦9074问题92第8章前馈9481基于被控对象的前馈9482前馈与功率变换器97821实验8B:功率变换器的补偿98822增大功率变换器带宽与前馈补偿10083延迟指令信号100831实验8C：指令通路上的延迟101832实验8D：功率变换器的补偿与指令通路上的延迟102833有前馈时的调试与钳位10384被控对象与功率变换器运行特性中的变化104841被控对象增益的变化104842功率变换器运行特性的变化10585双积分被控对象的前馈10686问题106第9章控制系统中的滤波器及实现10891控制系统中的滤波器108911控制器中的滤波器108912功率变换器中的滤波器110913反馈中的滤波器11092滤波器的通带110921低通滤波器111922陷波滤波器114923实验9A:模拟滤波器115924双二阶滤波器11593滤波器的实现116931无源模拟滤波器116932有源模拟滤波器116933开关电容滤波器117934IIR数字滤波器117935FIR数字滤波器11894问题119第10章控制系统中的观测器120101观测器纵览1201011观测器术语1211012创建一个Luenberger观测器121102实验10A～10C:用观测器提高稳定性124103Luenberger观测器的滤波器形式1261031低通与高通滤波器1281032滤波器形式的框图1281033回路形式与滤波器形式的比较128104Luenberger观测器的设计1291041传感器的估计器设计1291042传感器的滤波作用1301043被控对象的估计器设计1301044设计观测器补偿器133105观测器补偿器的调试概述1341051步骤1：临时构建观测器以供调试1351052步骤2：观测器补偿器稳定性调整1351053步骤3：把观测器恢复为标准Luenberger结构138106问题138第二部分建模第11章建模入门140111什么是模型140112频域建模140113时域建模1421131状态变量1421132建模环境1441133模型1451134时域模型的频域信息151114问题152第12章非线性特性与时变153121LTI与非LTI153122非LTI特性1531221慢变化1531222快变化154123非线性特性处理1541231更换被控对象1551232最坏条件下的稳定性调试1551233增益调度156124非线性特性十例1571241被控对象的饱和1571242死区1581243逆向漂移1591244视在惯量的变化1611245摩擦力1611246量化1641247确定的反馈误差1641248功率变换器饱和1651249脉冲调制16712410滞环控制器168125问题168第13章模型开发与校验170131模型开发的七个步骤1701311确定建模目的1701312SI单位制模型1711313系统辨识1721314建立框图1741315频域与时域选择1751316写出模型方程1751317校验模型175132从仿真到部署:RCP与HIL1761321RCP技术1761322RCP:移植的中间步骤1761323RCP与并行开发1771324RCP与实时执行1781325LabVIEW中的实时仿真示例1781326硬件在环仿真技术1821327RCP和HIL供货商183第三部分运 动 控 制第14章编码器与旋转变压器186141精度、分辨率与响应速度187142编码器188143旋转变压器1881431旋转变压器信号变换1891432软件RDC1901433旋转变压器误差与多级旋转变压器191144位置分辨率、速度估计与噪声1911441实验14A：分辨率噪声1921442高增益产生大噪声1931443噪声滤除193145提高分辨率的选择方法19414511T插值法1941452正弦编码器195146周期误差与转矩速度纹波1961461速度纹波1971462转矩纹波197147实验14B：周期误差与转矩纹波1991471误差幅值与纹波的关系1991472速度与纹波的关系1991473带宽与纹波的关系2001474惯量与纹波的关系2001475改变误差谐波的影响2001476提高旋转变压器速度的影响2001477实际速度中的纹波与反馈速度中的纹波之间的关系200148选择反馈装置2011481供货商202149问题203第15章电子伺服电动机与驱动基础204151驱动器的定义204152伺服系统的定义205153磁学基础2051531电磁学2071532右手定则2071533形成磁通路207154电子伺服电动机2081541转矩评定等级2081542旋转运动与直线运动2091543直线电动机209155永磁有刷电动机2101551生成绕组磁通2101552换相2111553转矩的产生2111554电角与机械角的关系2111555电动机转矩常数KT2121556电动机的电气模型2121557永磁有刷电动机的控制2131558有刷电动机的优点与缺点215156永磁无刷电动机2161561永磁无刷电动机的绕组2161562正弦换相2161563永磁无刷电动机的相位控制2171564永磁无刷电动机的DQ控制2201565DQ磁方程2221566DQ控制与相控制的比较223157永磁无刷电动机的六步控制2241571换相的位置传感2241572有刷电动机与无刷电动机的比较225158感应电动机与磁阻电动机226159问题226第16章柔性与谐振227161谐振方程228162调谐谐振与惯量减小不稳定性2291621调谐谐振2291622惯量减小不稳定性2311623实验16A和16B233163整治谐振2331631增大电动机负载惯量的比值2331632增强传动刚性2351633增大阻尼2371634滤波器238164问题239第17章位置控制回路241171PPI位置控制2411711PPI传递函数2421712调试PPI回路2431713PPI回路中的前馈2451714调试有速度前馈的PPI回路2451715PPI回路中的加速度前馈2461716调试具有加速度速度前馈的PPI回路247172PIP位置控制2481721调试PIP回路249173PID位置控制2491731PID位置控制器调试2501732速度前馈与PID位置控制器2511733加速度前馈与PID位置控制器2511734PID位置环的指令响应与扰动响应252174位置环的比较2531741定位、速度与电流驱动器配置2531742比较表格2541743双环位置控制254175位置轮廓发生器2551751梯形分段计算2561752逐点产生2561753S曲线2571754多轴协调259176定位系统的伯德图2591761采用速度驱动的系统的伯德图2591762采用电流驱动器的系统的伯德图260177问题260第18章Luenberger观测器在运动控制中的应用262181可能从观测器中获益的应用2621811性能需求2621812可采用的计算资源2621813位置反馈传感器2621814运动控制传感器中的相位滞后263182观测速度，减小相位滞后2631821消除由简单差分引入的相位滞后2631822消除变换引起的相位滞后269183加速度反馈2731831使用观测加速度2741832实验18E：使用观测加速度反馈275184问题276第19章运动控制中的快速控制原型技术278191为什么使用RCP2781911用RCP来改进、验证模型2791912用RCP获取物理元部件访问权，并取代模型279192具有硬耦合负载的伺服系统2801921建立系统模型2811922LabVIEW模型和Visual ModelQ模型的比较2821923将LabVIEW模型转换为RCP控制器2831924验证RCP控制器284193具有柔性耦合负载的伺服系统2861931在Visual ModelQ中建立系统模型2871932在LabVIEW中建立系统模型2881933转换LabVIEW模型为RCP系统288附录291附录A控制器元件的有源模拟实现291附录B欧洲框图符号293附录C龙格库塔法295附录D双线性变换研究299附录E数字算法的并行形式300附录F基本矩阵论302附录G习题答案303术语中英对照表312参考文献321后记325
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控制系统的基础是在20世纪前半叶发展起来的。我们的前辈们用于大炮瞄准和浴池保暖的理念中，许多与我们现在所用的理念是相同的。当然，时间与技术已经促使了很大的进步。数字处理器改变了我们实施控制律的方式，但在许多情况下，并没有改变控制律本身，比例积分微分ProportionaIntegralDifferential，PID控制现在所起的作用与四五十年前是一样的。控制系统应用广泛，因此与教学系统结合紧密。在大多数工程类大学已经开设了这样的课程，有些学校甚至还要求学生从事适量的这个学科方面的训练。由于控制原理存在的时间很长，从事控制原理应用的、训练有素的工程师数量也不少，人们可能认为该行业大多数从业者对控制基础都感到满意。不幸的是，情况往往并非如此。在过去的数年里，我有机会向约1500名工程师进行了一天的研讨班形式的授课，标题为“如何改进伺服系统”。这些工程师富有激情，愿意花时间聆听对他们所面临的问题可能会提供见解的人的讲解。他们大多是服务于工业的、有学位的工程师，大概有一半学过一两门控制课程。在研讨班上，我通常会花上几分钟问：“你们当中有多少人规范用过在学校所学的控制原理？”一般情况下，不会超过110的人举手。很明显，在所教的内容和所应用的东西之间存在一条鸿沟。为什么会形成这样的一条鸿沟呢？可能是由于控制课程的教学过多地把重点放在了数学上。在学生学习如何计算一种接一种的结果，并将其画出来的时候，忽略了直觉方面的信息，通常只是含糊地理解了练习的重要性。多年前，我曾经就是这样的学生当中的一员。我喜欢控制学科，在我的各门控制课的课堂上，我表现得也很好，但我却逐渐变得没有能力设计，甚至无法调试一个简单的PI控制系统。事情并非非要这样不可，你可以培养设计控制系统的直觉！本书致力于帮助你这样做。本书中，控制原理是与实用分析方法一道呈现出来的，用了几十个模型来帮助你对这些材料进行实践，因为实践是达到熟练的最可靠方式。每一章的目标都是为了培养感性认知。本版的新内容第4版《控制系统设计指南》增加了快速控制原型技术Rapid Control Prototyping，RCP，这是一种允许设计者在物理硬件上运行控制律模型的技术。第13章做了扩展，介绍了这个主题；增加了第19章，提供了为数众多的快速控制原型技术示例。此外，每一章都重新审视并做了更新。与文本相配的软件Visual ModelQ也做了更新，包括所有模型的修改。本书的组织安排本书分为三部分：第一部分是控制的应用原理，包含10章。第1章控制理论简介，讨论了工业中控制技术和控制工程师的作用；第2章频率域研究法，复习了控制系统的基础s域研究法；第3章控制系统的调试，给读者一个调试控制系统的实践机会，对于大多数人来说，这是控制系统试车最难的部分；第4章数字控制器中的延迟，精选出了数字控制器与模拟控制器在应用中的重要区别，采样延迟对不稳定所起的作用；第5章z域研究法，讨论z变换这一把s域扩展到数字控制的技术；第6章四种控制器，涵盖了四种不同PID控制的选择方法，以及应用中的实际问题；第7章扰动响应，详细讨论了控制系统如何对指令信号以外的其他输入产生响应；第8章前馈，提出了能根本性地提高指令响应速度的技术；第9章控制系统中的滤波器及实现，讨论了模拟控制器和数字控制器中滤波器的应用；第10章控制系统中的观测器，对观测器做了总体介绍。第二部分是建模，共有3章。第11章建模入门，给出了时间域建模和频率域建模方法的概况；第12章非线性特性与时变，介绍了处理常见非线性效应的方法，不幸的是，虽然明显的非线性效应在工业应用中普遍存在，但大多数有关控制方面的文献中遗漏了这一主题；第13章模型开发与校验，给出了逐步开发模型的步骤。第三部分是运动控制，专注于用电子伺服电动机实现运动控制。第14章编码器与旋转变压器，讨论了伺服电动机中最为常见的反馈传感器；第15章伺服电动机与驱动基础，讨论了现代伺服电动机中转矩的产生；第16章柔性与谐振，专注于运动控制中最为普遍的问题，也就是机械柔性引起的不稳定性；第17章位置控制回路，由于大多数的应用是控制位置，而非速度和转矩，因此讨论的是位置控制；第18章Luenberger观测器在运动控制中的应用，其重点在于运动控制系统中的观测器；第19章运动控制中的快速控制原型技术，用National Instruments LabVIEW证实了建立的系统模型如何在实时控制系统中校验。读者回馈请随时通过电子邮箱geogre.ellis@kollmorgen.com或者qxdesign@msn.com和我联系，第4版的校正将在qxdesign.com网站上公布。致谢撰写一本书是一项艰巨的任务，需要多人的支持。首先，感谢我的母亲，在现实可能让她绝望的时候，她依然确信我可以成长为一个让她感到骄傲的人。同样感谢我的父亲，正由于他长期的坚持，我才完成了我的大学教育，而这样的特权他并没有享受到，他是一个聪明却出生在一个收入不高的家庭的人。我感激弗吉尼亚理工学院给予我的教育，Go Hokies！①正是在大学的几年时间中教授给我的电气工程基础使我掌握了我现在经常应用的概念。感谢Emory Pace先生，他是一位严厉的教授，带领我学习几门微积分学课程，在此过程中，给了我在大学生涯以及从此以后所依靠的信心。特别感激Charles Nunnally博士，从成功的工业生涯转到大学，他最早让我明白了我努力学习的东西的实际用途。感谢我长期的东家Kollmorgen公司在我写这本书的过程中给我不断的支持。特别感谢我多年的导师John Boyland，他是给我鼓励与指导的可依赖源泉。还要感谢Lee Stephens、Erik Brewster、Bob Steele均为Kollmorgen公司职员以及Kevin CraigMarquette公司职员，感谢他们对第4版的反馈意见。另外感谢Christian Fritz和他在National Instruments公司的团队，他们对第13章和第19章的RCP和HIL做出了许多贡献。注①弗吉尼亚理工学院的吉祥物是一只叫作“Hokies”的拟人化火鸡。后来，“Hokies”也代称弗吉尼亚理工学院，或者该校的学生。Go Hokies的大意是“弗吉尼亚理工学，加油！”——译者注。反馈控制是一项普遍应用、功能强大、可实现的技术，咋一看上去，它简单明了，但在原理学习和实践过程中，它是极其复杂而令人捉摸不透的。反馈控制因其在大多数工程课程中的地位，以及其类似数学课程的教学方式，已经成了专家的领地，并且是作为一种几乎没有综合考虑的、现在回想起来只是附加的一部分被应用于多学科交叉的系统设计中。在控制领域中，有一条巨大的、必须弥合的理论实践鸿沟。通过这本书，George Ellis在弥合这条鸿沟，以及让每个见习工程师熟悉控制系统的设计和实施方法上已经迈出了一大步。从这本书的第1版开始，我就开始使用，既用于教学，也用于诸如宝洁（Procter & Gamble）公司和西门子（Siemens）公司等的工作。Ellis的工作在工业实践中享有很高的声誉，这本书以及它的姊妹篇《控制系统中的观测器》展示了现代控制设计如何结合反馈、前馈、观测器一起融入到从设计到系统性能、价格和可靠性的优化整个设计过程中。他的这两本书应该放在每个见习工程师的书架上。我的那两本书由于经常用，都已经磨破了，我现在正在向出版社索要新的版本。Kevin Craig机械工程教授威斯康辛州，密尔沃基市，卡凯特大学工程学院这本书是为那些设计或调试伺服回路，并有急迫问题需要解决的人撰写的。这本书同其他书稿不同，有一种清新的感觉，因为它不教大理论，让读者自己学会如何使用。作者对他的读者的想法有着不可思议的感觉，对帮助他的读者找到答案很有耐心和怜悯之情。例如，他曾多次提醒他们现在身处何处，他们正在带着问题往哪里走，所以他们不曾迷路。此外，作者避免使用行业术语，如果不能，他就不说。我还发现这一版新增加的内容，运动系统的快速控制原型技术，都及时而有效地使得从仿真过渡到嵌入式硬件方案的过程平稳顺利。Zhiqiang Gao副教授、主任俄亥俄州，克利夫兰州立大学，先进控制技术中心
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