白話現代控制工程：經典理論方法與工業實踐

目錄

第1章控制系統和理論簡介1

1.1控制系統和理論概述1

1.1.1控制系統簡介1

1.1.2控制理論和控制工程3

1.1.3運動控制和過程控制5

1.2控制理論和實踐發展簡史7

1.2.1古代時期8

1.2.2工業革命時期10

1.2.320世紀初期12

1.2.4第二次世界大戰時期14

1.2.5冷戰時期與太空競賽17

1.3閱讀指南33

1.3.1經典控制理論的重要性33

1.3.2本書結構35第2章頻域分析基礎與線性系統38

2.1傅裏葉變換38

2.1.1傅裏葉級數38

2.1.2頻域與頻譜41

2.1.3時域與頻域的關系44

2.1.4傅裏葉變換44

2.2離散傅裏葉變換46

2.2.1離散信號46

2.2.2采樣定理和混疊48

2.2.3離散信號的周期和歸一化頻率51

2.2.4離散傅裏葉級數53

2.2.5離散時間傅裏葉變換55

2.2.6離散信號的頻域采樣和重構57

2.2.7離散傅裏葉變換60

2.3頻譜泄漏和窗函數63

2.3.1頻譜泄漏和矩形窗63

2.3.2DFT的頻譜泄漏65

2.3.3窗函數的功能71

2.3.4常用窗函數及其應用74

2.4拉普拉斯變換77

2.4.1傅裏葉變換的限制77

2.4.2拉普拉斯變換78

2.4.3拉普拉斯變換的收斂域79

2.4.4拉普拉斯變換定理81

2.4.5求解線性微分方程 82

2.5線性系統83

2.5.1系統與線性83

2.5.2線性時不變系統85

2.5.3沖激響應和卷積86

2.5.4傳遞函數88

2.5.5狀態空間模型90

2.5.6LTI系統的穩定性93

2.6功率譜密度95

2.6.1能量信號和功率信號96

2.6.2帕塞瓦爾定理96

2.6.3周期信號的頻譜和自功率譜97

2.6.4功率譜密度和周期圖99

2.6.5功率譜密度的估計——Welch方法100

2.7本章小結103第3章控制系統的基礎概念和組成105

3.1控制系統的基礎概念105

3.1.1常見的控制系統105

3.1.2控制系統的定義和基本要素107

3.1.3系統方框圖110

3.1.4單變量系統和多變量系統113

3.1.5開環系統和閉環系統119

3.1.6增益和帶寬123

3.1.7魯棒性和靈敏度126

3.1.8控制問題128

3.1.9前饋控制134

3.1.10控制系統的性能評價139

3.2控制器、濾波器和補償器144

3.2.1控制器的常見形式——單片機145

3.2.2閉環系統的實時控制147

3.2.3控制器的常見形式——PC與服務器150

3.2.4標準控制器PID152

3.2.5控制設計中的濾波器和補償器157

3.3常見執行器: 電動機161

3.3.1有刷直流電機162

3.3.2步進電機166

3.3.3交流伺服電機173

3.3.4無刷直流電機182

3.4反饋元件: 編碼器和旋轉變壓器186

3.4.1編碼器186

3.4.2旋轉變壓器196

3.5伺服驅動器199

3.5.1伺服系統和伺服驅動器概述199

3.5.2雙積分系統和串聯控制回路201

3.5.3三環伺服控制回路204

3.5.4多軸運動控制器206

3.5.5轉矩模式、速度模式和位置模式208

3.6實時以太網EtherCAT210

3.6.1工業通信網絡: 現場總線和工業以太網211

3.6.2OSI參考模型216

3.6.3EtherCAT協議和系統組成219

3.6.4EtherCAT的基本工作原理223

3.6.5物理層和數據鏈路層概述228

3.6.6應用層概述231

3.6.7EtherCAT網絡配置234

3.7本章小結235第4章系統建模與辨識237

4.1控制系統的模型簡介237

4.1.1為何需要模型237

4.1.2常見數學模型概論241

4.2線性模型與非線性現象245

4.2.1LTI系統模型之間的關系246

4.2.2非線性系統概述247

4.2.3典型非線性因素253

4.2.4工作點與線性化260

4.2.5線性化示例: 倒立擺小車系統262

4.2.6保留適當非線性263

4.3描述函數法264

4.3.1LTI系統的頻率響應265

4.3.2典型系統環節的頻率響應267

4.3.3描述函數法示例: 範德波爾振蕩器270

4.3.4描述函數法的使用條件和一般定義271

4.3.5描述函數計算示例: 變增益非線性元件274

4.3.6常見非線性因素的描述函數275

4.3.7擬線性化和描述函數法277

4.4系統建模與辨識概述277

4.4.1機理建模概述278

4.4.2機理建模示例: 二自由度平面機械臂280

4.4.3機理建模的挑戰與困難283

4.4.4系統辨識概述284

4.4.5系統辨識的一般流程287

4.4.6沖激響應法和階躍響應法辨識290

4.5正弦掃頻辨識292

4.5.1LTI系統的非參數辨識與正弦掃頻辨識292

4.5.2正弦掃頻的一般算法294

4.5.3正弦掃頻示例: 二自由度質量彈簧振子系統298

4.5.4頻率響應函數的間接估計方法300

4.5.5其他激勵信號簡介301

4.5.6基於功率譜密度的估計頻率響應函數304

4.5.7相幹性驗證307

4.5.8PRBS仿真辨識示例: 帶有輕微非線性的二階系統308

4.6最小二乘法和回歸方法309

4.6.1經典最小二乘法310

4.6.2最小二乘法示例: 計算正弦信號的幅值和相位311

4.6.3最小二乘法示例: 電動機機械模型的參數辨識312

4.6.4正則化、嶺回歸和Lasso回歸簡介313

4.6.5Lasso回歸示例: 電機機械模型的參數辨識317

4.7本章小結321第5章LTI系統的時域和頻域響應322

5.1LTI系統的時域響應322

5.1.1時域分析的意義322

5.1.2一階LTI系統的時域響應323

5.1.3二階LTI系統的時域響應325

5.1.4一般LTI系統的時域響應332

5.1.5LTI系統的穩態誤差333

5.1.6LTI系統穩定性的經驗判據334

5.2LTI系統的頻域響應336

5.2.1頻域分析的意義336

5.2.2伯德圖簡介337

5.2.3相位與響應時滯338

5.2.4一階系統的頻率響應339

5.2.5二階系統的頻率響應340

5.2.6共振帶寬和品質因子343

5.2.7高階系統的頻率響應346

5.2.8零點的影響349

5.2.9傳輸延遲和近似方法355

5.3頻域穩定性判據359

5.3.1奈奎斯特圖359

5.3.2奈奎斯特絕對穩定性判據360

5.3.3相對穩定性: 幅值裕度和相位裕度364

5.3.4相對穩定性: 圓盤裕度373

5.3.5特殊的圓盤裕度: 模裕度379

5.4尼科爾斯圖和穩定性邊界382

5.4.1尼科爾斯圖382

5.4.2穩定性邊界385

5.5本章小結391第6章數字控制基礎393

6.1數字控制系統的基本概念393

6.1.1為什麼使用數字控制系統393

6.1.2數字控制系統基本構成394

6.1.3信號轉換396

6.1.4數字控制系統的時間延遲400

6.2z變換和z域分析402

6.2.1差分方程402

6.2.2z變換403

6.2.3z變換性質和定理406

6.2.4離散傳遞函數406

6.2.5零階保持器的離散模型409

6.2.6采樣保持電路的離散模型411

6.2.7數字系統的動態響應412

6.2.8數字系統的穩定性418

6.3數字控制器的近似設計方法419

6.3.1數字控制器的設計思路419

6.3.2離散傳遞函數的頻率響應421

6.3.3沖激不變法422

6.3.4零階保持器等效法424

6.3.5前向歐拉法和後向歐拉法426

6.3.6匹配零極點法429

6.3.7雙線性變換法432

6.4本章小結437第7章控制系統中的濾波器和補償器439

7.1數字濾波器439

7.1.1數字濾波器的實現439

7.1.2數字濾波器設計簡介444

7.2用於控制設計的濾波器和補償器449

7.2.1低通濾波器450

7.2.2雙二階濾波器454

7.2.3陷波濾波器和反陷波濾波器456

7.2.4超前滯後補償器460

7.3本章小結462第8章實用控制器設計與伺服控制回路463

8.1反饋控制設計基礎463

8.1.1反饋系統分析基礎463

8.1.2穩定裕度與靈敏度函數467

8.1.3內部穩定性467

8.1.4魯棒穩定性468

8.2PID控制器476

8.2.1PID控制器的頻率響應476

8.2.2積分飽和與抗積分飽和策略478

8.2.3數字PID控制器482

8.2.4PID控制器設計概述484

8.2.5齊格勒尼科爾斯（ZN）整定法487

8.2.6基於極點配置的PID控制設計489

8.2.7內模控制設計491

8.2.8模型簡化494

8.2.9史密斯預估器498

8.2.10IMC控制器設計示例: 非最小相位系統500

8.3SISO系統設計的固有限制501

8.3.1為什麼考慮固有限制501

8.3.2插值約束502

8.3.3時域約束503

8.3.4伯德積分509

8.3.5伯德增益相位關系514

8.3.6執行器速率約束516

8.4回路整形設計518

8.4.1回路整形設計概述519

8.4.2閉環性能和理想伯德圖曲線521

8.4.3基於模型的開環傳遞函數設計524

8.4.4回路整形設計示例: 基於模型528

8.4.5回路整形設計的一般流程536

8.4.6基於頻率響應曲線的回路整形設計541

8.5前饋控制543

8.5.1前饋控制的意義543

8.5.2前饋控制與雙自由度控制545

8.5.3前饋控制的類型546

8.5.4基於機理模型的前饋控制設計551

8.6伺服控制回路設計552

8.6.1伺服控制結構概述552

8.6.2位置速度電流三環串級控制556

8.6.3電流環的矢量控制: 磁場定向控制558

8.6.4電流環參數整定579

8.6.5速度環和位置環參數整定580

8.6.6轉矩前饋設計585

8.6.7增益調度簡介589

8.6.8SISO伺服控制設計示例592

8.7本章小結604第9章延伸話題606

9.1控制專業的典型崗位和行業606

9.1.1石油與化工行業606

9.1.2半導體設備制造業608

9.1.3醫療器械行業612

9.2成為優秀工程師的一些建議616

9.2.1改掉“學生心態”616

9.2.2理性地質疑和溝通617

9.2.3安全、安全，還是安全618

9.2.4權衡技術與成本619參考文獻621