控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

前言

　　控制工程領(lǐng)域涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、金融、交通運(yùn)輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)等幾乎所有的國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和國(guó)防領(lǐng)域，與國(guó)家的經(jīng)濟(jì)水平、科技水平、社會(huì)環(huán)境乃至意識(shí)形態(tài)都有著密切的關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)是控制工程的主要專業(yè)方向，自動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防部門，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中起著重要的作用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)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)。教學(xué)上應(yīng)該及時(shí)總結(jié)這些最新發(fā)展與進(jìn)步，幫助學(xué)生既掌握傳統(tǒng)方法，又掌握最新方法和設(shè)計(jì)思想。此外，“強(qiáng)基本理論、重工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力”已成為控制工程領(lǐng)域人才的目標(biāo)。為了適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展和教育教學(xué)的需要，作者結(jié)合自己多年來的研究經(jīng)歷和教學(xué)改革編寫了本書?！　”緯饕幸韵绿厣骸　。?）密切結(jié)合工程實(shí)際，從應(yīng)用的角度介紹控制系統(tǒng)的構(gòu)成、分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等問題。本書實(shí)例較多，理論深度適中，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理論知識(shí)，并將其用于解決實(shí)際控制系統(tǒng)問題。作為工程碩士研究生教材，本書選材上考慮了與本科生知識(shí)的銜接和拓展?！　。?）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，空間機(jī)械臂一體化關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)（數(shù)字系統(tǒng)）、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)（基于總線的數(shù)字系統(tǒng)）。通過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?！　。?）在系統(tǒng)介紹傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，又介紹了控制系統(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。結(jié)合伺服控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，介紹了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)的典型問題及解決方法、控制系統(tǒng)的電磁兼容和可靠性等問題。實(shí)例中重點(diǎn)介紹數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及工程實(shí)現(xiàn)的問題，例如數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)、數(shù)字定標(biāo)和定點(diǎn)運(yùn)算、標(biāo)幺化系統(tǒng)及控制器設(shè)計(jì)等。

內(nèi)容概要

本書結(jié)合電氣運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工程實(shí)例，全面系統(tǒng)地介紹了控制系統(tǒng)的構(gòu)成，分析和設(shè)計(jì)方法。內(nèi)容主要包括控制系統(tǒng)組成及性能指標(biāo)、伺服系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)、控制系統(tǒng)的綜合與校正、伺服系統(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?！　”緯鴱?qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際，在介紹理論方法時(shí)，列舉了較多的應(yīng)用例子，便于讀者理解和應(yīng)用。本書介紹了多個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)例的分析和設(shè)計(jì)，特別是數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，例如校正環(huán)節(jié)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)、數(shù)字定標(biāo)和定點(diǎn)運(yùn)算、標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)及控制器設(shè)計(jì)等。本書還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)的典型問題及解決方法。此外，本書在系統(tǒng)介紹經(jīng)典方法的同時(shí)，還介紹了控制系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償、重復(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自抗擾控制和它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。　　本書可作為控制工程領(lǐng)域工程碩士專業(yè)學(xué)位碩士研究生和控制科學(xué)與工程專業(yè)研究生選修課教材，也可作為自動(dòng)化專業(yè)、電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)、機(jī)電一體化專業(yè)的高年級(jí)本科生專業(yè)選修課教材，還可作為相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的參考書。教師可以根據(jù)不同專業(yè)需求選擇本書中的相應(yīng)內(nèi)容采用講授與自學(xué)相結(jié)合的方式組織教學(xué)。本書也可以作為從事設(shè)計(jì)、分析、調(diào)試控制系統(tǒng)的科學(xué)研究與工程設(shè)計(jì)的人員的參考書。

書籍目錄

第1章　控制系統(tǒng)組成及性能指標(biāo)　1.1　引言　1.2　自動(dòng)控制系統(tǒng)組成　1.3　控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)　　1.3.1　控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和系統(tǒng)的型別　　1.3.2　控制系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)　　1.3.3　控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻域指標(biāo)　　1.3.4　控制系統(tǒng)的開環(huán)頻域指標(biāo)　1.4　控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)步驟第2章　伺服系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)　2.1　伺服電機(jī)　2.2　伺服系統(tǒng)檢測(cè)與信號(hào)轉(zhuǎn)換　　2.2.1　伺服系統(tǒng)的位移檢測(cè)　　2.2.2　伺服系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路　　2.2.3　自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（SDG-RDC）　　2.2.4　數(shù)字-自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換器（DSC/DRC）　2.3　伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)　　2.3.1　負(fù)載分析計(jì)算　　2.3.2　執(zhí)行電機(jī)選擇　　2.3.3　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　2.4　伺服系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)　　2.4.1　電磁干擾模型分析　　2.4.2　抑制電磁干擾的方法　　2.4.3　伺服系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)　2.5　伺服系統(tǒng)的可靠性　　2.5.1　可靠性特征量　　2.5.2　伺服系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)　第2章習(xí)題第3章　控制系統(tǒng)的綜合與校正　3.1　控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型　　3.1.1　伺服控制系統(tǒng)的機(jī)理建模方法　　3.1.2　時(shí)域建模的飛升曲線法　3.2　串聯(lián)校正　　3.2.1　串聯(lián)超前校正　　3.2.2　串聯(lián)滯后校正　　3.2.3　串聯(lián)滯后-超前校正　3.3　期望頻率特性法　　3.3.1　期望頻率特性設(shè)計(jì)　　3.3.2　常用期望頻率特性　　3.3.3　期望頻率特性設(shè)計(jì)舉例　3.4　反饋校正　3.5　復(fù)合校正　3.6　綜合校正環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)　　3.6.1　綜合校正環(huán)節(jié)的模擬實(shí)現(xiàn)方式　　3.6.2　綜合校正環(huán)節(jié)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式　第3章習(xí)題第4章　伺服系統(tǒng)的非線性控制　4.1　伺服系統(tǒng)的干摩擦及其改善　　4.1.1　低速不平穩(wěn)性　　4.1.2　減小低速跳動(dòng)的措施　4.2　傳動(dòng)間隙對(duì)伺服系統(tǒng)的影響及其補(bǔ)償　　4.2.1　傳動(dòng)間隙對(duì)伺服系統(tǒng)性能的影響　　4.2.2　消除間隙影響的措施　4.3　機(jī)械諧振對(duì)系統(tǒng)的影響及其補(bǔ)償　　4.3.1　傳動(dòng)軸變形造成的機(jī)械諧振　　4.3.2　消除機(jī)械諧振的補(bǔ)償措施　4.4　伺服系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償　　4.4.1　非線性速度阻尼　　4.4.2　非線性積分器和非線性PI調(diào)節(jié)器　　4.4.3　自抗擾控制　　4.4.4　多模控制技術(shù)　4.5　伺服系統(tǒng)的重復(fù)控制　　4.5.1　重復(fù)控制原理　　4.5.2　重復(fù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性　　4.5.3　重復(fù)控制器設(shè)計(jì)　4.6　伺服系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制　　4.6.1　滑模變結(jié)構(gòu)控制原理　　4.6.2　二階系統(tǒng)開關(guān)控制　　4.6.3　滑動(dòng)模態(tài)　第4章習(xí)題第5章　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例　5.1　永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)　　5.1.1　永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型　　5.1.2　永磁同步電機(jī)矢量控制策略　　5.1.3　永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)　5.2　異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)　　5.2.1　異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型　　5.2.2　異步電機(jī)的矢量控制策略　　5.2.3　異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)自抗擾控制器設(shè)計(jì)　5.3　空間機(jī)械臂一體化關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)　　5.3.1　空間機(jī)械臂一體化關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計(jì)　　5.3.2　數(shù)字控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)　　5.3.3　數(shù)字定標(biāo)與定點(diǎn)運(yùn)算　　5.3.4　標(biāo)幺化系統(tǒng)及控制器設(shè)計(jì)　　5.3.5　空間機(jī)械臂一體化關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)　5.4　星載天線伺服控制系統(tǒng)　　5.4.1　星載天線負(fù)載特性分析與伺服電機(jī)選擇　　5.4.2　星載天線伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)　　5.4.3　星載天線伺服系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)　　5.4.4　星載天線伺服系統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制　5.5　火炮伺服系統(tǒng)　　5.5.1　火炮伺服系統(tǒng)的基本組成　　5.5.2　火炮伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)　5.6　飛行仿真頭位跟蹤視景伺服系統(tǒng)　　5.6.1　飛行仿真頭位跟蹤視景系統(tǒng)原理　　5.6.2　飛行仿真頭位跟蹤伺服系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)　　5.6.3　飛行仿真頭位跟蹤伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)　　5.6.4　飛行仿真頭位跟蹤伺服系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)　

章節(jié)摘錄

　　一般說來，盡管閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制任務(wù)各不相同，使用元件的結(jié)構(gòu)和能源形式也均有所不同，但從其信號(hào)的傳遞和變換的職能來看，都可抽象成圖1.2所示的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。　　從輸入端沿箭頭方向到達(dá)輸出端的傳輸通道稱為前向通道；系統(tǒng)輸出量經(jīng)由測(cè)量裝置反饋到輸入端的傳輸通道稱為主反饋通道；前向通道與主反饋通道構(gòu)成主回路。此外還有局部反饋通道以及由它組成的內(nèi)回路。只有一個(gè)反饋通道的系統(tǒng)稱為單回路系統(tǒng)，有兩個(gè)以上反饋通道的系統(tǒng)稱為多回路系統(tǒng)?！　∫话憧刂葡到y(tǒng)受到兩種外部信號(hào)的作用：給定信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)。它們都是系統(tǒng)的輸入信號(hào)。通常所說的系統(tǒng)輸入信號(hào)一般是指給定信號(hào)，系統(tǒng)的給定信號(hào)決定系統(tǒng)被控制量的變化規(guī)律。擾動(dòng)信號(hào)是系統(tǒng)不希望的外作用，它破壞有用信號(hào)對(duì)系統(tǒng)輸出量的控制。在實(shí)際系統(tǒng)中，擾動(dòng)總是不可避免的，它可以作用于系統(tǒng)中的任何部位。電源電壓的波動(dòng)，環(huán)境溫度、壓力的變化，飛行中氣流的擾動(dòng)以及負(fù)載的變化等都是現(xiàn)實(shí)中存在的擾動(dòng)。

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