内容简介
《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。
精彩书摘
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**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
目录
目录
第1章 绪论 1
1.1 控制系统的产生及发展概述 1
1.1.1 早期的控制系统与应用 1
1.1.2 反馈控制理论的产生与发展 1
1.1.3 现代控制理论的产生与发展 2
1.2 本书的主要内容 2
第2章 机电传动系统**控制设计与仿真 4
2.1 引言 4
2.1.1 机电传动系统简介 4
2.1.2 机电传动系统控制方法综述 5
2.1.3 本章主要内容 6
2.2 控制理论基础与概述 6
2.2.1 系数表法 6
2.2.2 反馈型扰动观测器 10
2.2.3 齿隙非线性模型 12
2.2.4 谐振系统的复合控制策略 12
2.3 双惯性谐振系统的控制设计与仿真 13
2.3.1 双惯性谐振系统模型及频率特性 13
2.3.2 双惯性谐振系统的PID控制设计 15
2.3.3 基于反馈补偿的PID-P控制设计 18
2.3.4 基于前馈补偿的PID-P控制设计 20
2.3.5 控制性能仿真与分析 22
2.4 三明治系统的复合控制设计与仿真 24
2.4.1 三明治系统模型及频率特性 24
2.4.2 三明治系统的PID控制设计 27
2.4.3 三明治系统的复合控制设计 28
2.4.4 基于PID的扰动观测器设计 29
2.4.5 基于PID-P的扰动观测器设计 31
2.5 本章小结 32
第3章 鲁棒综合控制的结构化设计与仿真 33
3.1 引言 33
3.1.1 鲁棒综合控制理论的产生与发展 33
3.1.2 鲁棒综合控制理论的应用研究现状 34
3.1.3 本章的主要内容 35
3.2 结构化综合控制理论与仿真 35
3.2.1 标准结构化综合控制 35
3.2.2 多控制器协同的结构化综合控制 36
3.2.3 多参数解耦输出的结构化综合控制 37
3.2.4 结构化控制器MATLAB求解与Simulink仿真 38
3.3 设计与仿真实例 38
3.3.1 飞机纵向运动的结构化综合设计 38
3.3.2 电动助力转向系统的结构化综合设计 42
3.4 本章小结 50
第4章 柔性系统的控制设计与仿真 51
4.1 引言 51
4.1.1 柔性系统的概念及特性 51
4.1.2 柔性系统的控制问题 52
4.1.3 柔性系统控制研究与发展 52
4.1.4 本章的主要内容 56
4.2 典型柔性系统的控制设计与仿真 56
4.2.1 典型柔性系统的频域特性分析 56
4.2.2 基于相位控制的鲁棒控制理论 57
4.2.3 控制设计 59
4.2.4 控制性能与仿真分析 61
4.3 携带柔性部件系统的控制设计与仿真 64
4.3.1 携带柔性部件大型航天器的模型及控制要求 65
4.3.2 基于鲁棒综合理论的PID控制设计 67
4.3.3 鲁棒综合控制器设计 69
4.3.4 控制器性能仿真与对比分析 71
4.4 高精度柔性系统的控制设计与仿真 71
4.4.1 高精度柔性系统的模型及控制目标 71
4.4.2 **控制设计与仿真 73
4.4.3 鲁棒综合设计与仿真 78
4.4.4 结构化综合设计与仿真 87
4.5 本章小结 98
第5章 分数阶控制设计与MATLAB/Simulink仿真 99
5.1 引言 99
5.1.1 分数阶控制器的基本概念 99
5.1.2 分数阶控制的研究现状综述 100
5.1.3 本章的主要内容 101
5.2 分数阶控制理论及仿真 101
5.2.1 分数阶控制器设计及参数整定方法 101
5.2.2 分数阶控制的MATLAB求解及Simulink仿真 105
5.2.3 分数阶控制设计实例 112
5.3 恒张力系统的分数阶控制与仿真 119
5.3.1 恒张力控制系统的结构 119
5.3.2 分数阶PID控制器设计 121
5.3.3 控制器性能仿真结果分析 123
5.4 激光束定点系统的分数阶控制设计与仿真 127
5.4.1 激光指向系统设计 128
5.4.2 分数阶PID控制方法 132
5.4.3 控制器性能仿真结果分析 134
5.5 本章小结 142
第6章 微推进无拖曳控制设计与仿真 143
6.1 引言 143
6.1.1 无拖曳控制的概念 143
6.1.2 无拖曳控制研究现状综述 144
6.1.3 本章的主要内容 145
6.2 无拖曳控制的数学模型 145
6.2.1 无拖曳卫星动力学建模 145
6.2.2 面向引力波探测的无拖曳控制问题与性能要求 154
6.3 适用于无拖曳控制的微推进系统的控制与仿真 155
6.3.1 适用于无拖曳控制的推力器简介与分类 155
6.3.2 会切场离子推力器闭环反馈控制与仿真 159
6.3.3 微波离子推力器的闭环反馈控制与仿真 175
6.4 基于精密推进系统内环反馈的无拖曳控制设计 185
6.4.1 基于会切场推进系统的无拖曳控制设计与仿真 185
6.4.2 基于微波离子推进系统的无拖曳控制设计与仿真 196
6.5 本章小结 208
参考文献 209
试读
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**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
