控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

前言

自動(dòng)控制廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、航空、航天、航海、核能和國(guó)防建設(shè)等部門，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中起著重要的作用。近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)生了很大的變化，新的控制方法、新的控制思想和新的控制系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，促進(jìn)了控制科學(xué)與工程的發(fā)展。教學(xué)上應(yīng)該將這些最新發(fā)展與進(jìn)步及時(shí)總結(jié)，使學(xué)生既掌握傳統(tǒng)方法，又掌握最新方法和設(shè)計(jì)思想。另外，進(jìn)入21世紀(jì)，計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，加快了信息化的進(jìn)程，提高了現(xiàn)代化的水平，以信息化帶動(dòng)工業(yè)化成為發(fā)展我國(guó)工業(yè)的一種策略，更拓寬了自動(dòng)化專業(yè)的發(fā)展空間。自動(dòng)化類專業(yè)的培養(yǎng)方案在不斷優(yōu)化，課程設(shè)置更加合理、課程內(nèi)容更加先進(jìn)、課程體系更加科學(xué)。寬專業(yè)口徑、強(qiáng)基本理論、重創(chuàng)新能力和工程技能，成為自動(dòng)化類專業(yè)人才的目標(biāo)。為了適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展和教學(xué)改革的需要，結(jié)合作者多年來(lái)的研究經(jīng)歷和教學(xué)實(shí)踐編寫本書。本書主要有以下特色： (1) 密切結(jié)合工程實(shí)際，從應(yīng)用的角度，全面系統(tǒng)論述控制系統(tǒng)的建模、分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和調(diào)試等問(wèn)題。理論深度適中，盡量避免不必要的理論推導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)實(shí)際工程應(yīng)用，尤其突出物理概念、基本理論與實(shí)際應(yīng)用之間的有機(jī)聯(lián)系，使讀者能更好地理解和掌握控制理論知識(shí)，并用于解決實(shí)際控制系統(tǒng)問(wèn)題。(2) 所舉的工程實(shí)例具有典型性、代表性，內(nèi)容既體現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)又體現(xiàn)新技術(shù)的應(yīng)用。例如： 天線指向/跟蹤伺服系統(tǒng)（高精度系統(tǒng)）、火炮方位伺服系統(tǒng)（模擬系統(tǒng)+典型非線性）、飛行仿真伺服系統(tǒng)（數(shù)字系統(tǒng)+典型非線性）。通過(guò)具有不同代表性的多個(gè)典型實(shí)例，介紹不同典型自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理、設(shè)計(jì)和分析方法。(3) 在系統(tǒng)介紹傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，介紹控制系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償、重復(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自抗擾控制等。在介紹理論方法的同時(shí)，適當(dāng)介紹工程實(shí)用方法，例如，控制系統(tǒng)的飛升曲線建模方法、控制系統(tǒng)工程綜合方法等； 并介紹了伺服控制系統(tǒng)的干摩擦及其改善措施、傳動(dòng)間隙對(duì)伺服系統(tǒng)的影響及其補(bǔ)償、機(jī)械諧振對(duì)伺服系統(tǒng)的影響及其補(bǔ)償?shù)葘?shí)際控制系統(tǒng)的典型問(wèn)題及解決方法、控制系統(tǒng)的電磁兼容和可靠性等問(wèn)題。本書由7章組成。第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論，以水溫控制系統(tǒng)、電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)為例介紹控制系統(tǒng)的組成、控制方式、性能指標(biāo)。第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和小功率交流伺服系統(tǒng)為例介紹控制系統(tǒng)機(jī)理建模的各種方法和工程建模方法。第3章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)分析，介紹控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性概念、穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)的能控性、能觀性和魯棒性等。第4章控制系統(tǒng)校正與綜合，介紹模擬及數(shù)字控制系統(tǒng)的校正及綜合，預(yù)期開(kāi)環(huán)頻率特性設(shè)計(jì)、基本串聯(lián)校正規(guī)律設(shè)計(jì)、連續(xù)域控制律離散化方法、數(shù)字PID控制實(shí)現(xiàn)及其改進(jìn)措施、數(shù)字控制系統(tǒng)的離散化設(shè)計(jì)等。第5章伺服系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)，介紹伺服系統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、復(fù)合控制與擾動(dòng)間接測(cè)量補(bǔ)償、伺服系統(tǒng)的魯棒設(shè)計(jì)、伺服系統(tǒng)的電磁兼容性和可靠性。第6章伺服系統(tǒng)的非線性控制，介紹伺服系統(tǒng)的干摩擦及其改善措施、傳動(dòng)間隙對(duì)伺服系統(tǒng)的影響及其補(bǔ)償、機(jī)械諧振對(duì)伺服系統(tǒng)的影響及其補(bǔ)償、伺服系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償、重復(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自抗擾控制等。第7章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例，以天線指向/跟蹤伺服系統(tǒng)（高精度系統(tǒng)）、火炮方位伺服系統(tǒng)（模擬系統(tǒng)+典型非線性）、飛行仿真伺服系統(tǒng)（數(shù)字系統(tǒng)+典型非線性）等為例介紹控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。針對(duì)不同專業(yè)、不同層次的學(xué)生，可以根據(jù)學(xué)生已有的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，采用講授和自學(xué)相結(jié)合的方式有選擇地組織教學(xué)。書中第7章控制系統(tǒng)實(shí)例，具有不同的典型伺服控制系統(tǒng)實(shí)例，可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行選講和自學(xué)。本書由廖曉鐘教授和劉向東教授編寫。本書由胡祐德教授擔(dān)任主審。韋永蘭、陳振、李爽、李黎、黃毅、王效亮、邵力偉參加了部分文字整理和插圖整理工作。本書編寫過(guò)程中得到全國(guó)高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)系列教材編審委員會(huì)的支持。承蒙清華大學(xué)竇曰軒教授認(rèn)真審閱，對(duì)本書提出了許多寶貴意見(jiàn)和建議，在此一并表示衷心的感謝。由于本書作者學(xué)識(shí)和水平有限，雖然盡力而為，但仍難免會(huì)有不妥和錯(cuò)誤之處，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正，并給予諒解。

內(nèi)容概要

　　《控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)》全面系統(tǒng)地介紹了控制系統(tǒng)的構(gòu)成、分析、設(shè)計(jì)及調(diào)試方法。內(nèi)容主要包括控制系統(tǒng)的組成和性能指標(biāo)、控制系統(tǒng)的建模方法、穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)分析、綜合與校正、伺服控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、伺服控制系統(tǒng)的非線性控制、典型控制系統(tǒng)實(shí)例分析和設(shè)計(jì)等。　　《控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)》一方面強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際，在系統(tǒng)介紹控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論方法的同時(shí)，注意結(jié)合典型工程實(shí)例來(lái)闡述控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法，例如控制系統(tǒng)的飛升曲線建模方法、控制系統(tǒng)工程綜合方法、伺服控制系統(tǒng)的干摩擦及其改善措施、傳動(dòng)間隙對(duì)伺服系統(tǒng)的影響及其補(bǔ)償、機(jī)械諧振對(duì)伺服系統(tǒng)的影響及其補(bǔ)償?shù)葘?shí)際控制系統(tǒng)的典型問(wèn)題及解決方法；另一方面注意反映學(xué)科最新研究成果，在系統(tǒng)介紹經(jīng)典方法的同時(shí)，還介紹控制系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償、重復(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自抗擾控制等。

作者簡(jiǎn)介

廖曉鐘，工學(xué)博士，北京理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。主要從事電力電子技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、能源變換控制技術(shù)的教學(xué)與研究工作。發(fā)表研究論文50多篇，主編出版專著和教材5部。劉向東，工學(xué)博士，北京理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。主要從事高精度伺服控制、納米定位、航天器控制的教學(xué)與研究工作。發(fā)表研究論文40多篇，主編出版專著和教材2部。

書籍目錄

第1章　控制系統(tǒng)導(dǎo)論1.1　引言1.2　自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.2.1　開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制1.2.2　恒值控制、程序控制和伺服控制1.2.3　數(shù)字控制系統(tǒng)1.3　控制系統(tǒng)的組成1.4　控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)步驟第2章　控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1　連續(xù)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1.1　控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式2.1.2　非線性方程的線性化2.1.3　連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.1.4　控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程2.2　離散控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.2.1　信號(hào)采樣與保持2.2.2　離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述2.3　控制系統(tǒng)的工程建模方法2.3.1　時(shí)域建模的飛升曲線法2.3.2　頻域建模方法2.3.3　相關(guān)分析建模方法習(xí)題第3章　控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)分析3.1　控制系統(tǒng)穩(wěn)定性概念3.1.1　線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性——BIBO穩(wěn)定性3.1.2　Lyapunov穩(wěn)定性3.2　控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析3.2.1　Lyapunov第一法3.2.2　Lyapunov第二法——穩(wěn)定性分析的直接法3.2.3　線性系統(tǒng)的Lyapunov穩(wěn)定性分析3.3　線性連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)3.3.1　Routh穩(wěn)定判據(jù)3.3.2　Hurwitz穩(wěn)定判據(jù)3.3.3　Nyquist穩(wěn)定判據(jù)3.4　控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性3.4.1　相對(duì)穩(wěn)定性的定義3.4.2　穩(wěn)定裕度的計(jì)算3.5　控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性3.5.1　魯棒性的基本概念3.5.2　參數(shù)不確定系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性3.6　線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析3.7　線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析——可控性和可觀測(cè)性3.7.1　線性系統(tǒng)的可控性3.7.2　線性系統(tǒng)的可觀測(cè)性習(xí)題第4章　控制系統(tǒng)的綜合與校正4.1　控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)4.1.1　典型輸入信號(hào)4.1.2　控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和系統(tǒng)的型別4.1.3　控制系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)4.1.4　控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻域指標(biāo)4.1.5　控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻域指標(biāo)4.2　基本校正方式和控制規(guī)律4.2.1　校正方式4.2.2　基本控制規(guī)律4.2.3　校正裝置4.3　串聯(lián)校正4.3.1　串聯(lián)超前校正4.3.2　串聯(lián)滯后校正4.3.3　串聯(lián)滯后超前校正4.4　期望頻率特性校正法4.4.1　期望頻率特性設(shè)計(jì)4.4.2　常用期望頻率特性4.4.3　工程設(shè)計(jì)法4.5　反饋校正4.6　復(fù)合校正4.7　數(shù)字控制器設(shè)計(jì)4.7.1　數(shù)字PID控制實(shí)現(xiàn)及其改進(jìn)措施4.7.2　數(shù)字控制器的連續(xù)設(shè)計(jì)方法4.7.3　數(shù)字控制器的離散設(shè)計(jì)方法習(xí)題第5章　伺服系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)5.1　伺服系統(tǒng)組成及其分類5.1.1　伺服系統(tǒng)的組成5.1.2　伺服系統(tǒng)的分類5.2　伺服電動(dòng)機(jī)5.3　伺服系統(tǒng)檢測(cè)與信號(hào)轉(zhuǎn)換5.3.1　伺服系統(tǒng)的位移檢測(cè)5.3.2　伺服系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路5.3.3　自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器(SDCRDC)5.3.4　數(shù)字自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換器(DSC／DRC)5.4　伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)5.4.1　負(fù)載分析計(jì)算5.4.2　執(zhí)行電動(dòng)機(jī)選擇5.4.3　檢測(cè)裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換線路、放大裝置及電源設(shè)計(jì)與選擇5.4.4　利用銘牌數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)5.5　伺服系統(tǒng)的電磁兼容性5.5.1　電磁干擾模型分析5.5.2　抑制電磁干擾的方法5.5.3　伺服系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)5.6　伺服系統(tǒng)的可靠性5.6.1　可靠性特征量5.6.2　伺服系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)習(xí)題第6章　伺服系統(tǒng)的非線性控制6.1　伺服系統(tǒng)的干摩擦及其改善6.1.1　低速不平穩(wěn)性6.1.2　減小低速跳動(dòng)的措施6.2　傳動(dòng)間隙對(duì)伺服系統(tǒng)的影響及其補(bǔ)償6.2.1　傳動(dòng)間隙對(duì)伺服系統(tǒng)性能的影響6.2.2　消除間隙影響的措施6.3　機(jī)械諧振對(duì)系統(tǒng)的影響及其補(bǔ)償6.3.1　傳動(dòng)軸變形造成的機(jī)械諧振6.3.2　消除機(jī)械諧振的補(bǔ)償措施6.4　伺服系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償6.4.1　非線性速度阻尼6.4.2　非線性積分器和非線性PI調(diào)節(jié)器6.4.3　自抗擾控制6.4.4　多?？刂萍夹g(shù)6.5　伺服系統(tǒng)的重復(fù)控制6.5.1　重復(fù)控制原理6.5.2　重復(fù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性6.5.3　重復(fù)控制器設(shè)計(jì)6.6　伺服系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制6.6.1　滑模變結(jié)構(gòu)控制原理6.6.2　二階系統(tǒng)開(kāi)關(guān)控制6.6.3　滑動(dòng)模態(tài)習(xí)題第7章　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例7.1　永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)7.1.1　永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)7.1.2　永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型7.1.3　永磁同步電機(jī)矢量控制策略7.1.4　永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.1.5　基于TMS320LF2407A DSP的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)7.2　星載天線伺服控制系統(tǒng)7.2.1　星載天線負(fù)載特性分析與伺服電機(jī)選擇7.2.2　星載天線伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7.2.3　星載天線伺服系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)7.2.4　星載天線伺服系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制7.3　火炮伺服系統(tǒng)7.3.1　火炮伺服系統(tǒng)的基本組成7.3.2　火炮伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.4　飛行仿真頭位跟蹤視景伺服系統(tǒng)7.4.1　飛行仿真頭位跟蹤視景系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)7.4.2　飛行仿真伺服系統(tǒng)的原理以及硬件實(shí)現(xiàn)7.4.3　飛行仿真伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.4.4　控制程序設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章　控制系統(tǒng)導(dǎo)論自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的理論。它的發(fā)展初期是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理。從第二次世界大戰(zhàn)到19世紀(jì)50年代末，由于生產(chǎn)和軍事的需要，自動(dòng)控制技術(shù)開(kāi)始蓬勃發(fā)展，自動(dòng)控制理論逐步形成比較完整的理論體系，并在工程實(shí)踐中得到成功的應(yīng)用。一般把這個(gè)時(shí)期的自動(dòng)控制理論稱為經(jīng)典控制理論。19世紀(jì)50年代以后，宇航技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了高性能、高精度、多結(jié)構(gòu)體、多自由度復(fù)雜控制系統(tǒng)的研究，經(jīng)典控制理論已不能完全滿足要求，計(jì)算機(jī)的發(fā)展又在客觀上提供了必要的技術(shù)手段，使得自動(dòng)控制理論又發(fā)展到一個(gè)新的階段——現(xiàn)代控制理論。目前現(xiàn)代控制理論已成功地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。自動(dòng)控制理論與技術(shù)還處在繼續(xù)發(fā)展過(guò)程中。從經(jīng)典頻域控制理論、基于狀態(tài)空間法的現(xiàn)代控制理論到智能控制，自動(dòng)控制理論正經(jīng)歷著前所未有的百花齊放百家爭(zhēng)鳴的大好局面。從模擬控制到數(shù)字控制、從單環(huán)到多環(huán)、從單變量到多變量多自由度多耦合、從串級(jí)控制、并級(jí)控制、集中分布式控制到網(wǎng)絡(luò)控制，自動(dòng)控制技術(shù)正經(jīng)歷著網(wǎng)絡(luò)化帶來(lái)的一場(chǎng)翻天覆地的技術(shù)變革。微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，不斷推動(dòng)著自動(dòng)控制水平的提高，以適應(yīng)日益復(fù)雜、日益精密、難度愈來(lái)愈大的控制要求。近年來(lái)，控制科學(xué)的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其他許多社會(huì)生活領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，控制科學(xué)和控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會(huì)不可缺少的重要組成部分。1.2　自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)，稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)。它一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。被控對(duì)象是指要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程，例如飛機(jī)、鍋爐、機(jī)床以及化工生產(chǎn)過(guò)程等?？刂蒲b置則是指對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備總體。1.2.1 開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制控制系統(tǒng)按其結(jié)構(gòu)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。1. 開(kāi)環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制是指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程，也就是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量不對(duì)系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)可用圖1.1所示結(jié)構(gòu)圖來(lái)表示。圖中，控制裝置與被控對(duì)象分別用方塊表示，系統(tǒng)中的有關(guān)物理量，如電流、電壓、溫度、力等，稱為信號(hào)。在圖中用箭頭表示信號(hào)的傳遞，進(jìn)入方塊的箭頭表示輸入信號(hào)，也稱輸入量，離開(kāi)方塊的箭頭表示輸出信號(hào)，也稱輸出量。系統(tǒng)的輸出量即是被控制量，它的希望值是系統(tǒng)輸入信號(hào)的函數(shù)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的每一個(gè)輸入信號(hào)，必有一個(gè)固定的工作狀態(tài)和一個(gè)系統(tǒng)輸出量與之對(duì)應(yīng)。例如，一定的時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)電阻絲的通斷狀態(tài)以及相應(yīng)的爐溫。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系調(diào)整越準(zhǔn)確，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的精度便越高。目前，自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)洗衣機(jī)、溫箱、自動(dòng)生產(chǎn)線等自動(dòng)化裝置一般都是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。

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