本书从工程需要与实践中遇到的问题出发来讲述自动控制系统的设计、建模、构建、调试以及故障排除等问题。本书可作为高等院校各类自动化专业或相关专业的研究生和高年级本科生的教学用书，特别适合自动化专业工程技术人员从事控制系统工程设计、调试、运行、维修和实验时用做指导性参考书。

全书分成三部分，共18章。第一部分：控制原理，介绍频率域研究法、控制系统的调试、数字控制器中的延迟、z域研究法、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：建模，介绍时间域与频率域建模的方法、时变与非线性、控制系统建模的七步法。第三部分：运动控制，介绍编码器和旋转变压器、电子伺服电动机与驱动基础、柔顺性与谐振、位置控制回路、运动控制中的Luenberger观测器等。本书还提供了基于PC的单机图形化仿真环境Visual ModelQ，读者可在其中进行图形建模并运行控制系统的各类有关实验。

第一部分 控 制 原 理

第1章 控制理论简介

1.1 Visual ModelQ环境

1.1.1 Visual ModelQ的安装

1.1.2 正误表

1.2 控制系统

1.2.1 控制器

1.2.2 被控机器

1.3 控制工程师

第2章 频率域研究法

2.1 拉普拉斯变换

2.2 传递函数

2.2.1 拉普拉斯算子

2.2.2 线性化、时不变性与传递函数

2.3 传递函数举例

2.3.1 控制器单元的传递函数

2.3.2 功率变换器的传递函数

2.3.3 物理元件的传递函数

2.3.4 反馈的传递函数

2.4 框图

2.4.1 组合框

2.4.2 Mason信号流图

2.5 相位与增益

2.5.1 传递函数的相位与增益

2.5.2 Bode图

2.6 性能测量

2.6.1 指令响应

2.6.2 稳定性

2.6.3 与频率域对应的时间域

2.7 问题

第3章 控制系统的调试

3.1 闭合控制回路

3.2 模型的详细回顾

3.2.1 积分器

3.2.2 功率变换器

3.2.3 PI控制律

3.2.4 反馈滤波器

3.3 开环设计法

3.4 稳定裕度

3.4.1 GM与PM的确定

3.4.2 实验3A：开环设计法的理解

3.4.3 开环、闭环与阶跃响应

3.5 分段调试的步骤

3.5.1 段一：比例段

3.5.2 段二：积分段

3.6 被控对象增益的变动

3.7 多（级联）控制回路

3.8 饱和与同步

3.9 问题

第4章 数字控制器中的延迟

4.1 如何采样

4.2 数字系统中的延迟源

4.2.1 采样-保持延迟

4.2.2 计算延迟

4.2.3 速度估计延迟

4.2.4 延迟之和

4.3 实验4A：数字控制中延迟的理解

4.4 采样时间的选择

4.4.1 一般系统的激进假设

4.4.2 基于位置运动系统激进的假设

4.4.3 适度假设与保守假设

4.5 问题

第5章 z域研究法

5.1 z域初步

5.1.1 z的定义

5.1.2 z域传递函数

5.1.3 双线性变换

5.2 z域相图

5.3 混叠

5.4 实验5A：混叠

5.4.1 z域中的Bode图与框图

5.4.2 直流（DC）增益

5.5 从传递函数到算法

5.6 数字系统的函数

5.6.1 数字积分与微分

5.6.2 数字微分

5.6.3 采样-保持

5.6.4 数/模相互转换

5.7 计算延迟的减小

5.8 选择处理器

5.8.1 定点与浮点运算

5.8.2 超采样时间运行

5.8.3 其他算法

5.8.4 编程的难易

5.8.5 处理器的未来

5.8.6 处理器的选择

5.9 量化

5.9.1 极限环与抖动

5.9.2 偏移与极限环

5.10 问题

第6章 控制器

6.1 本章中的调试

6.2 比例增益的使用

6.2.1 P控制

6.2.2 如何调试P控制器

6.3 积分增益的使用

6.3.1 PI控制

6.3.2 PI+控制

6.4 微分增益的使用

6.4.1 PID控制

6.4.2 PID控制中的流行术语

6.4.3 PID的模拟备用：超前-滞后

6.5 PID+控制

6.6 PD控制

6.7 选择控制器

6.8 实验6A～6F

6.9 问题

第7章 扰动响应

7.1 扰动

7.2 速度控制器的扰动响应

7.2.1 时间域扰动响应

7.2.2 扰动的频率域响应

7.3 扰动解耦法

7.3.1 扰动解耦法的应用

7.3.2 实验7B：扰动解耦

7.4 问题

第8章 前馈

8.1 基于对象的前馈

8.2 前馈与功率变换器

8.2.1 实验8B：功率变换器的补偿

8.2.2 扩展带宽与前馈补偿

8.3 延迟指令信号

8.3.1 实验8C：指令路径上的延迟

8.3.2 实验8D：功率变换器的补偿与指令路径上的延迟

8.3.3 有前馈时的调试与钳位

8.4 被控对象与功率变换器运行特性的变化

8.4.1 被控对象增益的变化

8.4.2 功率变换器运行特性的变化

8.5 双积分被控对象的前馈

8.6 问题

第9章 控制系统中的滤波器

9.1 控制系统中的滤波器

9.1.1 控制器中的滤波器

9.1.2 功率变换器中的滤波器

9.1.3 反馈中的滤波

9.2 滤波器的通带

9.2.1 低通滤波器

9.2.2 陷波滤波器

9.2.3 实验9A：模拟滤波器

9.2.4 双二阶滤波器

9.3 滤波器的实现

9.3.1 无源模拟滤波器

9.3.2 有源模拟滤波器

9.3.3 开关电容滤波器

9.3.4 IIR数字滤波器

9.3.5 FIR数字滤波器

9.4 问题

第10章 控制系统中的观测器

10.1 观测器纵览

10.1.1 观测器术语

10.1.2 创建一个Luenberger观测器

10.2 实验10A～10C：用观测器提高稳定性

10.3 Luenberger观测器的滤波器形式

10.3.1 低通与高通滤波器

10.3.2 滤波器形式的框图

10.3.3 回路形式与滤波器形式的比较

10.4 Luenberger观测器的设计

10.4.1 传感器的估计器设计

10.4.2 传感器的滤波

10.4.3 被控对象的估计器设计

10.4.4 设计观测补偿器

10.5 观测补偿器的调试概述

10.5.1 步骤1：临时构建观测器以供调试

10.5.2 步骤2：观测补偿器稳定性调整

10.5.3 步骤3：把观测器恢复为标准Luenberger结构

10.6 问题

第二部分 建  模

第11章 建模入门

11.1 什么是模型

11.2 频率域建模

11.3 时间域建模

11.3.1 状态变量

11.3.2 建模环境

11.3.3 模型

11.3.4 时间域模型的频率信息

11.4 问题

第12章 非线性特性与时变

12.1 LTI与非LTI

12.2 非LTI特性

12.2.1 慢变

12.2.2 快变

12.3 非线性特性的处理

12.3.1 更换被控对象

12.3.2 最坏条件下的稳定性调试

12.3.3 增益调度

12.4 非线性特性十例

12.4.1 被控对象的饱和

12.4.2 死区

12.4.3 逆向移动

12.4.4 视在惯量的变动

12.4.5 摩擦力

12.4.6 量化

12.4.7 确定性的反馈误差

12.4.8 功率变换器的饱和

12.4.9 脉冲调制

12.4.10 回线控制器

12.5 问题

第13章 建立模型的步骤

13.1 确定建模目的

13.1.1 训练

13.1.2 故障检修

13.1.3 试验

13.1.4 预测

13.2 SI单位制模型

13.3 系统辨识

13.3.1 被控对象的辨识

13.3.2 功率变换器的辨识

13.3.3 反馈辨识

13.3.4 控制器的辨识

13.4 建立框图

13.5 频率域或时间域的选择

13.6 写出模型方程

13.7 模型的检验

第三部分 运 动 控 制

第14章 编码器与旋转变压器

14.1 精度、分辨率与响应速度

14.2 编码器

14.3 旋转变压器

14.3.1 旋转变压器的信号变换

14.3.2 软件旋转变压器-数字变换器

14.3.3 旋转变压器误差与多速旋转变压器

14.4 位置分辨率、速度估计与噪声

14.4.1 实验14A：分辨率噪声

14.4.2 高增益产生大噪声

14.4.3 噪声滤除

14.5 提高分辨率的其他方法

14.5.1 1/T插值法或时钟脉冲计数法

14.5.2 正弦编码器

14.6 周期误差与转矩/速度纹波

14.6.1 速度纹波

14.6.2 转矩纹波

14.7 实验14B: 周期误差与转矩纹波

14.7.1 误差幅值与纹波间的关系

14.7.2 速度与纹波间的关系

14.7.3 带宽与纹波间的关系

14.7.4 惯量与纹波间的关系

14.7.5 改变误差谐波的影响

14.7.6 提升旋转变压器速度的影响

14.7.7 实际速度中的纹波与反馈速度中的纹波间的关系

14.8 选择反馈装置

14.9 问题

第15章 电子伺服电动机及其驱动

15.1 驱动器的定义

15.2 伺服系统的定义

15.3 磁学基础

15.3.1 电磁学

15.3.2 右手定则

15.3.3 磁路径的闭合

15.4 电气伺服电动机

15.4.1 转矩的额定值

15.4.2 旋转运动与直线运动

15.4.3 直线电动机

15.5 有刷永磁电动机

15.5.1 绕组磁通的生成

15.5.2 换向

15.5.3 转矩的产生

15.5.4 电角与机械角的关系

15.5.5 电动机转矩常数

15.5.6 电动机的电气模型

15.5.7 有刷永磁电动机的控制

15.5.8 有刷电动机的优点与弱点

15.6 无刷永磁电动机

15.6.1 无刷永磁电动机的绕组

15.6.2 正弦换向

15.6.3 无刷永磁电动机的相位控制

15.6.4 无刷永磁电动机的DQ控制

15.6.5 DQ的磁学方程

15.6.6 DQ控制与相位控制的比较

15.7 无刷永磁电动机的控制

15.7.1 用于换向的位置检测

15.7.2 有刷电动机与无刷电动机的比较

15.8 感应式电动机与磁阻式电动机

15.9 问题

第16章 柔顺性与谐振

16.1 谐振方程

16.2 调谐谐振与惯量-减小型不稳定

16.2.1 调谐谐振

16.2.2 惯量-减小型不稳定

16.2.3 实验16A和16B

16.3 消除谐振

16.3.1 增大电动机惯量/负载惯量的比值

16.3.2 加强刚性传动

16.3.3 增大阻尼

16.3.4 滤波器

16.4 问题

第17章 位置控制回路

17.1 P/PI位置控制

17.1.1 P/PI传递函数

17.1.2 调试P/PI回路

17.1.3 P/PI回路中的前馈

17.1.4 调试有速度前馈的P/PI回路

17.1.5 P/PI回路中的加速度前馈

17.1.6 具有加速度前馈与速度前馈的系统调试

17.2 PI/P位置控制

17.3 PID位置控制

17.3.1 PID位置控制器的调试

17.3.2 速度前馈与PID位置控制器

17.3.3 加速度前馈与PID位置控制器

17.3.4 PID位置环的指令响应与扰动响应

17.4 位置环的比较

17.4.1 位置、速度和电流驱动配置

17.4.2 比较表

17.4.3 双环位置控制

17.5 位置系统的Bode图

17.5.1 采用速度驱动的系统Bode图

17.5.2 采用电流驱动的系统Bode图

17.6 问题

第18章 Luenberger观测器在运动控制中的应用

18.1 可能从观测器中获益的应用

18.1.1 性能需求

18.1.2 可采用的计算资源

18.1.3 用户具有的控制知识

18.1.4 传感器噪声

18.1.5 运动控制传感器中的相位滞后

18.2 消除相位滞后

18.2.1 消除由简单差分引入的相位滞后

18.2.2 消除由变换产生的相位滞后

18.3 加速度反馈

18.3.1 观测加速度的使用

18.3.2 观测加速度反馈的使用

18.4 问题

附录A 控制器元件的有源模拟实现

附录B 欧洲框图符号

附录C 龙格-库塔法

附录D 双线性变换研究

附录E 数字算法的并行形式

附录F 基本矩阵运算

附录G 习题答案

参考文献