控制系统设计指南

《控制系统设计指南》规避了大多数控制理论教材中所采用的题材及其组织方式，也不对深邃繁琐的控制方案进行数学推导，而是遵循在工业界已被接受的习惯与实践中常见的问题处理方法相结合的设计导则。本书优选的特点是从工程需要及实践中会遇到的问题出发，讲述自动控制系统的设计、建模、构建、调试以及故障排除等方法，每章都将重点放在如何应用控制理论来改善控制系统的性能上。
全书分成三部分，共19章。靠前部分（靠前～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及实现、控制系统中的观测器；第二部分（靠前1～13章）：建模，依次介绍了建模入门、非线性特性与时变、模型开发与校验；第三部分（靠前4～19章）：运动控制，依次介绍编码器与旋转变压器、电子伺服电动机与驱动基础、柔性与谐振、位置控制回路、Luenberger观测器在运动控制中的应用、运动控制中的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的单机图形化仿真平台VisualModelQ。读者可在其中进行图形建模，并运行书中提及的控制系统的各类有关实验，实验内容丰富且实用。本书很后还提供了借助于美国国家仪器（National Instruments）公司的LabVIEW软件及相关硬件开展快速控制原型技术的实验，它们很好贴近实际的控制系统开发及应用。
本书可作为高等院校研究生和高年级本科生的教学用书，也适合自动化专业工程技术人员作为控制系统工程设计、调试、运行、维修和实验用的指导性参考书。

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3
1.1Visual ModelQ仿真环境3
1.1.1Visual ModelQ的安装3
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4
1.3控制工程师5
第2章频率域研究法6
2.1拉普拉斯变换6
2.2传递函数6
2.2.1s是什么7
2.2.2线性化、时不变性与传递函数7
2.3传递函数举例8
2.3.1控制器单元的传递函数8
2.3.2功率变换器的传递函数9
2.3.3物理元件的传递函数9
2.3.4反馈的传递函数10
2.4框图11
2.4.1组合框11
2.4.2Mason信号流图法12
2.5相位与增益13
2.5.1传递函数的相位与增益14
2.5.2伯德图：相位、增益与频率的关系14
2.6性能测量15
2.6.1指令响应15
2.6.2稳定性17
2.6.3与频率域对应的时间域18
2.7问题18
第3章控制系统的调试20
3.1闭合控制回路20
3.2模型的详细回顾22
3.2.1积分器22
3.2.2功率变换器23
3.2.3PI控制律23
3.2.4反馈滤波器24
3.3开环设计法25
3.4稳定裕度25
3.4.1量化PM与GM26
3.4.2实验3A：理解开环设计法26
3.4.3开环、闭环与阶跃响应28
3.5分段调试的步骤29
3.5.1段一：比例段30
3.5.2段二：积分段31
3.6被控对象增益的变化31
3.6.1应对变化的增益32
3.7多(级联)控制回路33
3.8功率变换器饱和与同步33
3.9相位与增益图36
3.10问题38
第4章数字控制器中的延迟40
4.1如何采样40
4.2数字系统中的延迟源40
4.2.1采样-保持延迟40
4.2.2计算延迟41
4.2.3速度估计延迟42
4.2.4延迟之和42
4.3实验4A：数字控制中延迟的理解43
4.4选择采样时间44
4.4.1一般系统的激进假设45
4.4.2基于位置运动系统激进的假设45
4.4.3适度假设与保守假设45
4.5问题46
第5章z域研究法48
5.1z域初步48
5.1.1z的定义48
5.1.2z域传递函数48
5.1.3双线性变换48
5.2z域相图49
5.3混叠50
5.4实验5A:混叠52
5.4.1z域中的伯德图与框图53
5.4.2直流增益53
5.5从传递函数到算法53
5.6数字系统的函数55
5.6.1数字积分与微分55
5.6.2数字微分56
5.6.3采样-保持58
5.6.4DAC/ADC：数模相互转换59
5.7计算延迟的减小60
5.8量化61
5.8.1极限环与抖动61
5.8.2偏置与极限环62
5.9问题63
第6章四种控制器64
6.1本章中的调试64
6.2比例增益的使用65
6.2.1P控制65
6.2.2如何调试P控制器65
6.3积分增益的使用67
6.3.1PI控制67
6.3.2如何调试PI控制器68
6.3.3模拟PI控制69
6.4微分增益的使用70
6.4.1PID控制70
6.4.2如何调试PID控制器70
6.4.3噪声与微分增益72
6.4.4Ziegler-Nichols法72
6.4.5PID控制中的流行术语73
6.4.6PID的模拟替代方法：超前-滞后73
6.5PD控制74
6.6选择控制器76
6.7实验6A～6D76
6.8问题77
第7章扰动响应78
7.1扰动78
7.2速度控制器的扰动响应82
7.2.1扰动的时间域响应83
7.2.2扰动的频率域响应85
7.3扰动解耦法86
7.3.1扰动解耦法的应用87
7.3.2实验7B：扰动解耦90
7.4问题92
第8章前馈94
8.1基于被控对象的前馈94
8.2前馈与功率变换器97
8.2.1实验8B:功率变换器的补偿98
8.2.2增大功率变换器带宽与前馈补偿100
8.3延迟指令信号100
8.3.1实验8C：指令通路上的延迟101
8.3.2实验8D：功率变换器的补偿与指令通路上的延迟102
8.3.3有前馈时的调试与钳位103
8.4被控对象与功率变换器运行特性中的变化104
8.4.1被控对象增益的变化104
8.4.2功率变换器运行特性的变化105
8.5双积分被控对象的前馈106
8.6问题106
第9章控制系统中的滤波器及实现108
9.1控制系统中的滤波器108
9.1.1控制器中的滤波器108
9.1.2功率变换器中的滤波器110
9.1.3反馈中的滤波器110
9.2滤波器的通带110
9.2.1低通滤波器111
9.2.2陷波滤波器114
9.2.3实验9A:模拟滤波器115
9.2.4双二阶滤波器115
9.3滤波器的实现116
9.3.1无源模拟滤波器116
9.3.2有源模拟滤波器116
9.3.3开关电容滤波器117
9.3.4IIR数字滤波器117
9.3.5FIR数字滤波器118
9.4问题119
第10章控制系统中的观测器120
10.1观测器纵览120
10.1.1观测器术语121
10.1.2创建一个Luenberger观测器121
10.2实验10A～10C:用观测器提高稳定性124
10.3Luenberger观测器的滤波器形式126
10.3.1低通与高通滤波器128
10.3.2滤波器形式的框图128
10.3.3回路形式与滤波器形式的比较128
10.4Luenberger观测器的设计129
10.4.1传感器的估计器设计129
10.4.2传感器的滤波作用130
10.4.3被控对象的估计器设计130
10.4.4设计观测器补偿器133
10.5观测器补偿器的调试概述134
10.5.1步骤1：临时构建观测器以供调试135
10.5.2步骤2：观测器补偿器稳定性调整135
10.5.3步骤3：把观测器恢复为标准Luenberger结构138
10.6问题138第二部分建模
第11章建模入门140
11.1什么是模型140
11.2频域建模140
11.3时域建模142
11.3.1状态变量142
11.3.2建模环境144
11.3.3模型145
11.3.4时域模型的频域信息151
11.4问题152
第12章非线性特性与时变153
12.1LTI与非LTI153
12.2非LTI特性153
12.2.1慢变化153
12.2.2快变化154
12.3非线性特性处理154
12.3.1更换被控对象155
12.3.2最坏条件下的稳定性调试155
12.3.3增益调度156
12.4非线性特性十例157
12.4.1被控对象的饱和157
12.4.2死区158
12.4.3逆向漂移159
12.4.4视在惯量的变化161
12.4.5摩擦力161
12.4.6量化164
12.4.7确定的反馈误差164
12.4.8功率变换器饱和165
12.4.9脉冲调制167
12.4.10滞环控制器168
12.5问题168
第13章模型开发与校验170
13.1模型开发的七个步骤170
13.1.1确定建模目的170
13.1.2SI单位制模型171
13.1.3系统辨识172
13.1.4建立框图174
13.1.5频域与时域选择175
13.1.6写出模型方程175
13.1.7校验模型175
13.2从仿真到部署:RCP与HIL176
13.2.1RCP技术176
13.2.2RCP:移植的中间步骤176
13.2.3RCP与并行开发177
13.2.4RCP与实时执行178
13.2.5LabVIEW中的实时仿真示例178
13.2.6硬件在环仿真技术182
13.2.7RCP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186
14.1精度、分辨率与响应速度187
14.2编码器188
14.3旋转变压器188
14.3.1旋转变压器信号变换189
14.3.2软件RDC190
14.3.3旋转变压器误差与多级旋转变压器191
14.4位置分辨率、速度估计与噪声191
14.4.1实验14A：分辨率噪声192
14.4.2高增益产生大噪声193
14.4.3噪声滤除193
14.5提高分辨率的选择方法194
14.5.11/T插值法194
14.5.2正弦编码器195
14.6周期误差与转矩/速度纹波196
14.6.1速度纹波197
14.6.2转矩纹波197
14.7实验14B：周期误差与转矩纹波199
14.7.1误差幅值与纹波的关系199
14.7.2速度与纹波的关系199
14.7.3带宽与纹波的关系200
14.7.4惯量与纹波的关系200
14.7.5改变误差谐波的影响200
14.7.6提高旋转变压器速度的影响200
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200
14.8选择反馈装置201
14.8.1供货商202
14.9问题203
第15章电子伺服电动机与驱动基础204
15.1驱动器的定义204
15.2伺服系统的定义205
15.3磁学基础205
15.3.1电磁学207
15.3.2右手定则207
15.3.3形成磁通路207
15.4电子伺服电动机208
15.4.1转矩评定等级208
15.4.2旋转运动与直线运动209
15.4.3直线电动机209
15.5永磁有刷电动机210
15.5.1生成绕组磁通210
15.5.2换相211
15.5.3转矩的产生211
15.5.4电角与机械角的关系211
15.5.5电动机转矩常数KT212
15.5.6电动机的电气模型212
15.5.7永磁有刷电动机的控制213
15.5.8有刷电动机的优点与缺点215
15.6永磁无刷电动机216
15.6.1永磁无刷电动机的绕组216
15.6.2正弦换相216
15.6.3永磁无刷电动机的相位控制217
15.6.4永磁无刷电动机的DQ控制220
15.6.5DQ磁方程222
15.6.6DQ控制与相控制的比较223
15.7永磁无刷电动机的六步控制224
15.7.1换相的位置传感224
15.7.2有刷电动机与无刷电动机的比较225
15.8感应电动机与磁阻电动机226
15.9问题226
第16章柔性与谐振227
16.1谐振方程228
16.2调谐谐振与惯量-减小不稳定性229
16.2.1调谐谐振229
16.2.2惯量-减小不稳定性231
16.2.3实验16A和16B233
16.3整治谐振233
16.3.1增大电动机/负载惯量的比值233
16.3.2增强传动刚性235
16.3.3增大阻尼237
16.3.4滤波器238
16.4问题239
第17章位置控制回路241
17.1P/PI位置控制241
17.1.1P/PI传递函数242
17.1.2调试P/PI回路243
17.1.3P/PI回路中的前馈245
17.1.4调试有速度前馈的P/PI回路245
17.1.5P/PI回路中的加速度前馈246
17.1.6调试具有加速度/速度前馈的P/PI回路247
17.2PI/P位置控制248
17.2.1调试PI/P回路249
17.3PID位置控制249
17.3.1PID位置控制器调试250
17.3.2速度前馈与PID位置控制器251
17.3.3加速度前馈与PID位置控制器251
17.3.4PID位置环的指令响应与扰动响应252
17.4位置环的比较253
17.4.1定位、速度与电流驱动器配置253
17.4.2比较表格254
17.4.3双环位置控制254
17.5位置轮廓发生器255
17.5.1梯形分段计算256
17.5.2逐点产生256
17.5.3S曲线257
17.5.4多轴协调259
17.6定位系统的伯德图259
17.6.1采用速度驱动的系统的伯德图259
17.6.2采用电流驱动器的系统的伯德图260
17.7问题260
第18章Luenberger观测器在运动控制中的应用262
18.1可能从观测器中获益的应用262
18.1.1性能需求262
18.1.2可采用的计算资源262
18.1.3位置反馈传感器262
18.1.4运动控制传感器中的相位滞后263
18.2观测速度，减小相位滞后263
18.2.1消除由简单差分引入的相位滞后263
18.2.2消除变换引起的相位滞后269
18.3加速度反馈273
18.3.1使用观测加速度274
18.3.2实验18E：使用观测加速度反馈275
18.4问题276
第19章运动控制中的快速控制原型技术278
19.1为什么使用RCP278
19.1.1用RCP来改进、验证模型279
19.1.2用RCP获取物理元部件访问权，并取代模型279
19.2具有硬耦合负载的伺服系统280
19.2.1建立系统模型281
19.2.2LabVIEW模型和Visual ModelQ模型的比较282
19.2.3将LabVIEW模型转换为RCP控制器283
19.2.4验证RCP控制器284
19.3具有柔性耦合负载的伺服系统286
19.3.1在Visual ModelQ中建立系统模型287
19.3.2在LabVIEW中建立系统模型288
19.3.3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 

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(ProportionaIntegralDifferential，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1/10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 Craig(Marquette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