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| 內容簡介： |
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《控制系统设计与仿真》介绍典型控制系统的性能要求及控制设计的基本方法，并给出相应的仿真与分析。《控制系统设计与仿真》共6章，第1～4章从**控制设计和鲁棒综合控制策略这类可推广至常见的二阶系统的控制设计方法开始，以柔性系统的特性与特殊控制问题为例，向读者展示两种控制方案在类似柔性系统设计中的应用。第5、6章介绍一种非线性控制方案，给出一种高精度要求的空间实验卫星的控制设计，并结合推进系统内环反馈进行一体化设计，给出的设计不仅采用第1～4章介绍的**控制方案和鲁棒综合控制，还包括分数阶控制、自抗扰控制、自适应控制等多种控制方案，读者可在这两章中掌握内容丰富的控制系统设计策略与仿真分析的方法。
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目录第1章 绪论 11.1 控制系统的产生及发展概述 11.1.1 早期的控制系统与应用 11.1.2 反馈控制理论的产生与发展 11.1.3 现代控制理论的产生与发展 21.2 本书的主要内容 2第2章 机电传动系统**控制设计与仿真 42.1 引言 42.1.1 机电传动系统简介 42.1.2 机电传动系统控制方法综述 52.1.3 本章主要内容 62.2 控制理论基础与概述 62.2.1 系数表法 62.2.2 反馈型扰动观测器 102.2.3 齿隙非线性模型 122.2.4 谐振系统的复合控制策略 122.3 双惯性谐振系统的控制设计与仿真 132.3.1 双惯性谐振系统模型及频率特性 132.3.2 双惯性谐振系统的PID控制设计 152.3.3 基于反馈补偿的PID-P控制设计 182.3.4 基于前馈补偿的PID-P控制设计 202.3.5 控制性能仿真与分析 222.4 三明治系统的复合控制设计与仿真 242.4.1 三明治系统模型及频率特性 242.4.2 三明治系统的PID控制设计 272.4.3 三明治系统的复合控制设计 282.4.4 基于PID的扰动观测器设计 292.4.5 基于PID-P的扰动观测器设计 312.5 本章小结 32第3章 鲁棒综合控制的结构化设计与仿真 333.1 引言 333.1.1 鲁棒综合控制理论的产生与发展 333.1.2 鲁棒综合控制理论的应用研究现状 343.1.3 本章的主要内容 353.2 结构化综合控制理论与仿真 353.2.1 标准结构化综合控制 353.2.2 多控制器协同的结构化综合控制 363.2.3 多参数解耦输出的结构化综合控制 373.2.4 结构化控制器MATLAB求解与Simulink仿真 383.3 设计与仿真实例 383.3.1 飞机纵向运动的结构化综合设计 383.3.2 电动助力转向系统的结构化综合设计 423.4 本章小结 50第4章 柔性系统的控制设计与仿真 514.1 引言 514.1.1 柔性系统的概念及特性 514.1.2 柔性系统的控制问题 524.1.3 柔性系统控制研究与发展 524.1.4 本章的主要内容 564.2 典型柔性系统的控制设计与仿真 564.2.1 典型柔性系统的频域特性分析 564.2.2 基于相位控制的鲁棒控制理论 574.2.3 控制设计 594.2.4 控制性能与仿真分析 614.3 携带柔性部件系统的控制设计与仿真 644.3.1 携带柔性部件大型航天器的模型及控制要求 654.3.2 基于鲁棒综合理论的PID控制设计 674.3.3 鲁棒综合控制器设计 694.3.4 控制器性能仿真与对比分析 714.4 高精度柔性系统的控制设计与仿真 714.4.1 高精度柔性系统的模型及控制目标 714.4.2 **控制设计与仿真 734.4.3 鲁棒综合设计与仿真 784.4.4 结构化综合设计与仿真 874.5 本章小结 98第5章 分数阶控制设计与MATLAB/Simulink仿真 995.1 引言 995.1.1 分数阶控制器的基本概念 995.1.2 分数阶控制的研究现状综述 1005.1.3 本章的主要内容 1015.2 分数阶控制理论及仿真 1015.2.1 分数阶控制器设计及参数整定方法 1015.2.2 分数阶控制的MATLAB求解及Simulink仿真 1055.2.3 分数阶控制设计实例 1125.3 恒张力系统的分数阶控制与仿真 1195.3.1 恒张力控制系统的结构 1195.3.2 分数阶PID控制器设计 1215.3.3 控制器性能仿真结果分析 1235.4 激光束定点系统的分数阶控制设计与仿真 1275.4.1 激光指向系统设计 1285.4.2 分数阶PID控制方法 1325.4.3 控制器性能仿真结果分析 1345.5 本章小结 142第6章 微推进无拖曳控制设计与仿真 1436.1 引言 1436.1.1 无拖曳控制的概念 1436.1.2 无拖曳控制研究现状综述 1446.1.3 本章的主要内容 1456.2 无拖曳控制的数学模型 1456.2.1 无拖曳卫星动力学建模 1456.2.2 面向引力波探测的无拖曳控制问题与性能要求 1546.3 适用于无拖曳控制的微推进系统的控制与仿真 1556.3.1 适用于无拖曳控制的推力器简介与分类 1556.3.2 会切场离子推力器闭环反馈控制与仿真 1596.3.3 微波离子推力器的闭环反馈控制与仿真 1756.4 基于精密推进系统内环反馈的无拖曳控制设计 1856.4.1 基于会切场推进系统的无拖曳控制设计与仿真 1856.4.2 基于微波离子推进系统的无拖曳控制设计与仿真 1966.5 本章小结 208参考文献 209
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第1章 绪论 1.1 控制系统的产生及发展概述 1.1.1 早期的控制系统与应用 *早的自动控制系统是瓦特的离心调速器，这个离心调速器有两个飞球，当它旋转起来的时候，飞球就会因为离心力而向外胀，飞球胀开以后，其套筒随之往上升，套筒的移动带动执行机构动作，这就是早期的离心调速器，通常称为瓦特离心调速器，但它实际上不是瓦特的发明，瓦特是在他发明的蒸汽机上使用了这样的一个调速器，但是现在很多人都把这个离心调速器称为瓦特离心调速器。 直到进入20世纪，自动控制系统才得到了更广泛的发展和应用。1925～1940年，斯佩雷发明了陀螺，他把陀螺做成一个自动驾驶仪，于是出现了飞机。飞机的出现增加了防空火力控制的需求，*早的防空火力控制的核心部分是火控指挥仪。火控指挥仪是根据飞机的方位角、高低角、前置角来控制火炮，这个控制系统由三个人分别负责方位角、高低角以及引信。引信就是一个定时器，用来控制爆炸时间。当时的火炮附近有许多人围着指挥仪，这是很危险的。从控制的角度来讲，这个时期的火炮控制部分并不是完全的自动控制，当时的术语是人工伺服系统。1940年以后，火力控制系统发生了很大的变化，贝尔实验室的一个年轻工程师帕金森，试图用电位计控制的记录笔来控制火炮的发射，这就促进了后期自动控制技术的发展。例如，目前仍广泛应用的硬盘驱动系统、汽车的防侧滑系统等跟人们生活息息相关的一些控制系统。 1.1.2 反馈控制理论的产生与发展 早期蒸汽机的离心调速器，在调节过程中常常出现不稳定情况，这是因为当时还没有形成反馈的概念，将问题都集中在调速器本身，包括调速器重量、弹簧弹性等，还考虑摩擦力的影响，总之就是看成单个孤立的控制器，没有从系统反馈的角度来考虑调节问题，这导致这个调节器面临着无法使用的问题。1876年，俄国的维斯聂格拉斯基采用一种直接作用调速器，结合蒸汽机的特性，指出调节参数应该如何选择才能保证稳定。维斯聂格拉斯基结合工业实际，解决了当时调速器不稳定的问题。同时，麦克斯韦把这个系统看作调速器，跟调节对象合在一起，形成了*初的系统反馈概念，并用微分方程来进行研究，指出微分方程的特征根在左半面或右半面与稳定性的关系。虽然麦克斯韦提出了这个理论，但是依然解决不了稳定性判别的问题，也只能做到三阶系统的判别，相当于停留在理论上。 1877年，劳斯代数判据给反馈系统的设计带来了曙光，这个代数判据是行列式的形式，获得了当年的亚当奖。1895年，赫尔维茨也在不同的情况下，给出了反馈系统稳定的判据，这两项工作是平行的。赫尔维茨还用他的稳定性理论解决了瑞士达沃斯电厂的一台蒸汽机的调速系统的设计问题，被认为是真正将反馈控制理论用到控制系统设计的第一个例子。控制系统采用负反馈是1927年布莱克*先提出来的，他在此之前，一直从事电子振荡器的研究，电子振荡器是用正反馈工作的，他发现了正反馈的问题，并提出负反馈控制的概念，在20世纪40年代，维布什在麻省理工学院设计了微分分析仪，尼科尔斯运用这个微分分析仪做了大量的仿真实验，提出了比例积分微分(proportional integral derivative，PID)的整定法，并列出PID的整定表，PID控制作为**控制理论中行之有效的控制算法，一直被沿用到今天，无论是航空航天还是工业系统中，都能看到PID控制算法的应用。至此，**的反馈控制理论思想形成并逐渐成熟起来，人们习惯上将这个时期形成的反馈控制理论称为**控制理论。 1.1.3 现代控制理论的产生与发展 **的控制理论是采用拉普拉斯变换，在频域上讨论控制系统的性能，主要是针对单输入单输出的系统进行设计。20世纪60年代出现了状态空间法，产生了在时域上进行系统分析的现代控制理论，现代控制理论直接对微分方程进行处理，适用于很多空间控制问题，同时状态空间法也对控制系统的一些概念给出了数学上的解释，这对深入了解控制系统的性能是极为有用的理论，但状态空间法对多输入多输出系统的设计依然无力。 针对多变量系统的设计，20世纪70年代采用的是逆奈奎斯特阵列法，这使得频域方法又一次得到了蓬勃发展，也就是现代频域法。但这种解耦设计只关注系统的输入和输出关系，实际上并不是反馈控制，也就无法保证系统的稳定性。除了要解决上述多变量系统的设计问题，人们发现系统的不确定性也给设计带来诸多问题，基于此，鲁棒综合控制应运而生，其采用矩阵的非奇异值来描述多输入多输出系统的性能，在保证系统具有鲁棒性的同时，考虑系统多方面的性能输出要求，求解*优控制器的控制理论，在控制系统设计中被广泛应用，得到了长足的发展。 1.2 本书的主要内容 本书介绍一些典型系统的设计方案，并给出仿真方法，以这些设计实例作为类似系统设计的范例，可以帮助学生将学习到的基础知识进行应用，拥有完成实际工程系统控制设计的能力。 全书共6章，由浅入深地介绍常见典型系统的控制问题及控制器设计的基本方法与仿真分析。其中，第2章的机电传动系统为典型的动力系统，采用的**控制设计方案可推广应用于这类二阶系统的控制设计中。第3章针对具有多重性能要求的系统设计问题，介绍鲁棒综合控制的结构化设计方案，并给出设计案例，这种新的结构化设计可以预设控制器结构，解决传统鲁棒控制器结构复杂且设计不透明的问题，更加适合实际工程应用。第4章介绍柔性系统的特性与特殊控制问题，采用前两章介绍的**控制设计和鲁棒综合控制策略，通过对比分析给读者展示两种控制方案在类似柔性系统设计中的应用。第5章介绍一种非线性控制方案，这种基于分数阶的控制器能够在很大程度上提高系统的控制性能，解决高性能要求的系统采用线性控制时必须采用高增益等问题。第6章介绍空间卫星无拖曳控制，此类超静精稳的控制系统，对执行机构的性能也有极高的要求，需要结合微推进系统内环反馈进行一体化设计，本章给出的设计中采用本书前面介绍的鲁棒综合控制、分数阶控制，还包含自抗扰控制、自适应控制等多种控制方案，结合内环与外环进行一体化分析和设计，读者可掌握内容丰富的控制系统设计策略与仿真分析的方法。 第2章 机电传动系统**控制设计与仿真 2.1 引言 2.1.1 机电传动系统简介 机电传动系统是一类对电机输出的转速、力矩等信号进行传递、跟踪的自动控制系统。控制的目标是当给定信号发生变化时，传动系统的输出能够快速、准确地跟踪指令信号的变化。机电传动系统往往由控制电机、传动轴、变速装置等环节组成，控制电机输出一定的转速或转矩，经过传动轴、变速器进行转速和转矩的调整，进而输出合适的转矩驱动轮胎或者其他装置运动。常见的变速装置一般由齿轮组成，在理想的使用情况下，齿轮环节的输入和输出应该呈线性关系，即传动比为一恒值。但在实际加工、使用过程中，轮齿难免会由于磨损或其他外界因素产生各种形状上和位置上的误差。另外，轮齿之间不啮合的非工作齿面之间也需要留下一定的间隙来储存润滑油，并且要为齿轮弹性形变造成的齿轮尺寸变化留下一定的空间裕量，防止主从齿轮在运动时信息传递中断或者发生卡死现象，所以在现实的机电传动系统中，相互啮合的一对齿轮总是存在轮齿侧间隙，因此传动装置中齿轮的输入和输出呈非线性关系。同时，机电传动系统中存在弹性元件，当传动轴刚度较低时，容易出现机械谐振现象，使传动轴的转矩传递性能变差。 在机电传动系统中，如果通过柔性轴将电机与负载连接起来，电机驱动系统就成为一个机械谐振系统，称为双惯性谐振系统。双惯性谐振系统的弱阻尼挠性模态容易引起传动轴振荡，使系统转矩传递性能变差。当双惯性谐振系统中存在齿轮时，电机驱动系统就变为三惯量谐振系统，又称为三明治系统。相比于双惯性谐振系统的单个弱阻尼挠性模态，三明治系统受两个相邻的弱阻尼挠性模态以及齿隙非线性因素影响，机电传动系统的控制性能会大幅降低，容易引起系统振荡使其稳定性变差。同时，因为齿隙本身具有不可微、不连续的特性，这增加了控制器设计的挑战性和复杂程度。 随着自动控制理论的日趋成熟，机电传动系统应用的广度和深度不断增加，几乎遍及社会生活的各个领域。例如，运输行业里汽车、磁悬浮的传动控制；机械制造行业的机械手臂、数控机床的轨迹跟踪控制；航天器的姿态调整控制；军事上各种火塔炮控系统的自动控制瞄准等。随着控制理论的持续发展，各行业对机电传动系统的控制性能要求越来越高。例如，汽车、磁悬浮的传动控制要求快速、平顺性好；航天领域的飞行器控制不仅要求精度高，还要求较强的鲁棒性和稳定性。因此，开展合理有效地消除或抑制影响传动系统控制性能的各类因素的方法研究是一项非常具有价值的工作。 2.1.2 机电传动系统控制方法综述 机电传动系统研究的关键问题是寻求一种高效、简便、可实施的控制策略以解决传动系统中由各弹性传动部件和非线性环节引起的系统抖振问题。对于机电传动系统的高性能控制方法，从20世纪40年代开始就引起了广泛关注。为解决传动系统中弹性部件引起的抖振问题，国内学者提出了许多控制方法，例如，采用新型扰动观测器的滑模速度控制器，提高了永磁同步机电传动系统的控制性能；通过辨识伺服运行过程中不断变化的转动惯量，减小控制参数不匹配时出现的抖振现象。不过，这些方法仅适用于单惯量系统。在机电传动系统中，如果通过柔性轴将电机与负载连接起来，机电传动系统就变成了双惯量系统，如果考虑柔性因素，则系统就成为双惯性谐振系统，此类系统需要设计带有前馈加反馈控制的双自由度速度控制器和全状态反馈控制器，以解决双惯性谐振系统的低频谐振问题。 机电传动系统中往往会存在死区、间隙等非光滑的非线性特性，若双惯性谐振系统中引入齿轮环节，则构成三明治系统。对于三明治系统的研究，国内以上海师范大学的谭永红教授团队为主，所研究的三明治系统多是前端子系统—非线性环节—后端子系统三层结构依次串联的单一结构，即三明治系统中非线性特性的前端和后端两个子系统无关联。但实际上，无论是在*初提出三明治系统这一概念时研究的机械手的定点控制，还是在后续研究中的三明治系统的控制设计，研究的对象都是前后两个子系统间有反馈信号连接的系统。这样的三明治系统是普遍真实存在的，如火炮炮塔传动系统、汽车传动系统、挠性关节机械手等。因此开展此类三明治系统的控制方法研究更具有实际意义。 针对机电传动系统中弹性环节引起的抖振，可以采用**控制方法进行校正。而传动系统中对于齿轮间隙的建模和补偿是控制器设计的难题。为了描述齿轮间隙现象，研究人员提出了许多的数学模型，如迟滞模型、死区模型等，因为在信息传递过程中，齿隙位移无法利用传感器测量，所以对齿隙的位置进行估计补偿以及转矩控制具有实际意义。因为齿隙的死区模型的输入和输出是前后端子系统的相对角度差，输出的是二者之间的传递力矩，相比于其他模型更符合齿轮环节的实际传动情况，所以死区模型被广泛应用在齿隙非线性的补偿中，无抖振全阶终端滑模控制补偿策略被提出。基于此，各种控制方法被广泛研究，例如，利用模糊PID进行控制，使齿轮测量的通用性和精度得到提高；利用动态传输误差进行非线性补偿；采用自适应鲁棒控制器实现了跟踪误差有界等。上述控制策略都能够实现对系统的高精度控制，但设计的控制器往往较为复杂，设计的控制器阶次较高且系统的开环增益较大，在实际应用时较为困难。反而，一些基于**控制的设计方法避免了上述难题，很好地解决了三明治传动系统存在的控制难题。 2.1.3 本章主要内容 本章以上述两类常见机电传动系统为例，介绍此类系统的**控制设计方案。2.3节和2.4节分别介绍双惯性谐振系统和三明治系统的**控制方案。其中，2.3节是双惯性谐振系统的**设计方案，针对弱阻尼挠性模态引起的谐振问题，设计PID加前馈比例环节或中间反馈环节的PID-P控制器，并给出一种新的控制器参数确定方法，这种PID-P控制器设计用较小的增益就能获得期望的传递性能。2.4节在双惯性谐振系统的基础上引入齿轮环节，构成三明治系统，针对机械谐
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