控制系统设计指南_(美) 乔治·埃利斯著_9787111530930

控制系统设计指南

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本书分成三部分，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。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。

　　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。
　　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。

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