Kỹ thuật Hệ thống Điều khiển, Ấn bản thứ 6 - Norman S. Nise (Sách điện tử)

2011

1K
0
0

Phí lưu trữ

0 Point

Tóm tắt

I. Tổng quan về Control Systems Engineering 6th Edition

Control Systems Engineering 6th Edition của Norman S. Nise là giáo trình hàng đầu về kỹ thuật hệ thống điều khiển. Sách được xuất bản bởi John Wiley & Sons. Tác giả giảng dạy tại California State Polytechnic University, Pomona. Ấn bản thứ sáu cung cấp kiến thức toàn diện về lý thuyết và ứng dụng điều khiển tự động. Nội dung bao gồm các mô hình toán học, phân tích đáp ứng thời gian, và thiết kế bộ điều khiển. Cuốn sách sử dụng nhiều ví dụ thực tiễn như hệ thống điều khiển vị trí anten, tàu ngầm không người lái, và xe hybrid. Phương pháp trình bày kết hợp lý thuyết với bài tập thực hành giúp sinh viên nắm vững nguyên tắc cơ bản. Tài liệu đi kèm giải pháp bài tập chi tiết, hỗ trợ quá trình tự học hiệu quả.

1.1. Cấu trúc nội dung sách

Sách được tổ chức theo từng chương, mỗi chương tập trung vào một chủ đề cụ thể. Chương đầu tiên giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển vòng kín và vòng hở. Các chương tiếp theo trình bày mô hình hóa hệ thống, hàm truyền, và đồ thị khối. Phần phân tích bao gồm đáp ứng trạng thái thoáng qua và sai số trạng thái ổn định. Thiết kế bộ bù và điều khiển số được đề cập ở các chương sau. Mỗi chương đều có bài tập và ví dụ minh họa thực tế.

1.2. Đối tượng và mục tiêu học tập

Cuốn sách hướng đến sinh viên kỹ thuật điện, cơ khí, và tự động hóa. Kiến thức nền tảng yêu cầu bao gồm giải tích, đại số tuyến tính, và mạch điện. Mục tiêu chính là hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển phản hồi. Sinh viên học cách xây dựng mô hình toán học từ hệ thống vật lý thực. Kỹ năng phân tích ổn định và đáp ứng tần số cũng được nhấn mạnh. Cuối cùng, khả năng thiết kế bộ điều khiển đáp ứng yêu cầu kỹ thuật là mục tiêu cốt lõi.

II. Phân tích hệ thống điều khiển vị trí anten

Hệ thống điều khiển vị trí anten là ví dụ điển hình trong sách. Hệ thống sử dụng chiết áp để đo góc quay mong muốn và góc thực tế. Tín hiệu sai lệch được khuếch đại qua mạch tiền khuếch đại và khuếch đại công suất. Động cơ điện điều khiển anten thông qua hệ thống bánh răng giảm tốc. Mô hình khối gồm các thành phần: chiết áp, bộ khuếch đại vi sai, động cơ, và tải. Tham số hệ thống thay đổi theo ba cấu hình khác nhau. Cấu hình 1 có điện áp 10V, số vòng quấn 10, và hệ số khuếch đại 100. Mỗi cấu hình cho thấy đáp ứng động học riêng biệt. Phân tích giúp hiểu rõ mối quan hệ giữa các tham số và hiệu suất hệ thống.

2.1. Mô hình toán học của hệ thống anten

2.2. Các cấu hình tham số hệ thống

III. So sánh hệ thống vòng kín và vòng hở

Sách trình bày chi tiết ưu nhược điểm của hai loại hệ thống điều khiển. Hệ thống vòng kín có ưu điểm chính xác hơn nhờ cơ chế đo lường và hiệu chỉnh. Chúng ít nhạy với nhiễu, xáo trộn, và thay đổi môi trường. Đáp ứng thoáng qua và sai số trạng thái ổn định được điều khiển linh hoạt hơn. Việc điều chỉnh đơn giản bằng cách thay đổi độ khuếch đại trong vòng lặp. Đôi khi cần thiết kế lại bộ bù để đáp ứng yêu cầu. Hệ thống vòng hở đơn giản và rẻ hơn như máy nướng bánh mì cơ bản. Máy nướng bánh mì vòng kín phức tạp hơn vì phải đo màu sắc và độ ẩm. Kỹ sư phải cân bằng giữa độ chính xác và chi phí khi lựa chọn kiến trúc hệ thống.

3.1. Ưu điểm của hệ thống vòng kín

3.2. Hạn chế và thách thức

IV. Ứng dụng thực tế và hệ thống điều khiển số

Nội dung sách mở rộng sang nhiều ứng dụng thực tế đa ngành. Hệ thống tàu ngầm không người lái sử dụng điều khiển cao độ và hướng. Xe hybrid kết hợp động cơ đốt trong với động cơ điện để tiết kiệm nhiên liệu. Hệ thống truyền lực song song sử dụng hộp số hành tinh để phân phối công suất. Điều khiển số ngày càng phổ biến với ưu điểm linh hoạt và chính xác. Máy tính kỹ thuật số có thể điều khiển nhiều vòng lặp cùng lúc qua chia sẻ thời gian. Công nghệ này cho phép thay đổi thuật toán điều khiển mà không cần sửa phần cứng. Ứng dụng trong y tế bao gồm hệ thống điều liều lượng thuốc dựa trên nồng độ virus. Tương lai của kỹ thuật điều khiển hướng tới tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy.

4.1. Hệ thống tàu ngầm không người lái

4.2. Xe hybrid và hệ thống truyền lực

21/04/2026

Trích đoạn nội dung tài liệu

Apago PDF Enhancer http://www.com LIBROS UNIVERISTARIOS Y SOLUCIONARIOS DE MUCHOS DE ESTOS LIBROS LOS SOLUCIONARIOS CONTIENEN TODOS LOS EJERCICIOS DEL LIBRO RESUELTOS Y EXPLICADOS DE FORMA CLARA VISITANOS PARA DESARGALOS GRATIS. E1IFC 10/27/2010 17:49:19 Page 1 Antenna Azimuth Position Control System Layout Potentiometer Antenna θ i(t) θ o(t) Desired Azimuth azimuth angle angle input output Differential amplifier and power amplifier Motor Apago PDF Enhancer Potentiometer Schematic +V n-turn potentiometer Fixed Differential Power Motor field –V preamplifier amplifier Ra vi(t) + vp(t) ea(t) K1 vo(t) – K s+a Ja kg-m2 N1 Da N-m s/rad Gear Kb V-s/rad Armature Kt N-m/A N2 JL kg-m2 –V Gear DL N-m-s/rad N3 n-turn potentiometer Gear +V E1OFC 10/27/2010 17:51:36 Page 1 Block Diagram Desired Power Motor azimuth Azimuth Potentiometer Preamplifier amplifier and load Gears angle angle qi(s) Vi(s) + Ve(s) Vp(s) K1 Ea(s) K1 qm(s) qo(s) Kpot K Kg s+a s(s+am) – Potentiometer Kpot Schematic Parameters Parameter Configuration 1 Configuration 2 Configuration 3 V 10 10 10 n 10 1 1 K — — — K1 100 150 100 a 100 150 100 Ra 8 5 5 Ja 0.05 Apago PDF Enhancer 0.5 1 1 N1 25 50 50 N2 250 250 250 N3 250 250 250 JL 1 5 5 DL 1 3 3 Block Diagram Parameters Parameter Configuration 1 Configuration 2 Configuration 3 Kpot 0.1 Note: reader may fill in Configuration 2 and Configuration 3 columns after completing the antenna control Case Study challenge problems in Chapters 2 and 10, respectively. E1IBC 10/27/2010 18:4:22 Page 1 Unmanned Free-Swimming Submersible Vehicle Pitch Control System Commanded Pitch elevator Elevator Elevator Vehicle command Pitch gain deflection actuator deflection dynamics Pitch θc(s) + + δec(s) 2 δe(s) –0.0169) – – Pitch rate sensor –K2s Apago PDF Enhancer Heading Control System Commanded Heading Heading Heading rudder Rudder Rudder Vehicle (yaw) command gain deflection actuator deflection dynamics rate Heading ψc(s) + + δrc(s) 2 δr(s) –0.193) s – – Yaw rate sensor –K2s E1FFIRS 11/04/2010 13:38:31 Page 3 CONTROL SYSTEMS ENGINEERING Sixth Edition Norman S. Nise California State Polytechnic University, Pomona Apago PDF Enhancer John Wiley & Sons, Inc. E1FFIRS 11/04/2010 13:38:32 Page 4 To my wife, Ellen; sons, Benjamin and Alan; and daughter, Sharon, and their families. Vice President & Publisher Don Fowley Publisher Daniel Sayre Senior Editorial Assistant Katie Singleton Associate Director of Marketing Amy Scholz Marketing Manager Christopher Ruel Production Manager Dorothy Sinclair Production Editor Sandra Dumas Creative Director Harry Nolan Cover Designer James O’Shea Cover Photo Jim Stroup, Virginia Tech Photo Department Manager Hilary Newman Photo Editor Sheena Goldstein Executive Media Editor Thomas Kulesa Associate Media Editor Jennifer Mullin Production Management Services Integra Software Services Inc. This book was typeset in 10/12 TimesRoman at Thomson and printed and bound by R. The cover was printed by R. The paper in this book was manufactured by a mill whose forest management programs include sustained yield-harvesting of its timberlands. Sustained yield harvesting principles ensure that the number of trees cut each year does not exceed the amount of new growth. This book is printed on acid-free paper.  1 On the cover: CHARLI, a 5-foot tall autonomous humanoid robot built by Dr. Dennis Hong and his students at RoMeLa (Robotics and Mechanisms Laboratory) in the College of Engineering of Virginia Tech. Apago PDF Enhancer Founded in 1807, John Wiley & Sons, Inc. has been a valued source of knowledge and understanding for more than 200 years, helping people around the world meet their needs and fulfill their aspirations. Our company is built on a foundation of principles that include responsibility to the communities we serve and where we live and work, in 2008, we launched a Corporate Citizenship initiative, a global effort to address the environmental, social, economic, and ethical challenges we face in our business. Among the issues we are addressing are carbon impact, paper specifications and procurement, ethical conduct within our business and among our vendors, and community and charitable support. For more information, please visit our website: www.com/go/citizenship. The software programs available with this book have been included for their instructional value. They have been tested with care but are not guaranteed for any particular purpose. The publisher and author do not offer any warranties or restrictions, nor do they accept any liabilities with respect to the programs. Copyright # 2011, 2006, 2003, 1996 by John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying recording, scanning or otherwise, except as permitted under Sections 107 or 108 of the 1976 United States Copyright Act, without either the prior written permission of the Publisher or authorization through payment of the appropriate per-copy fee to the Copyright Clearance Center, 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, (978) 750-8400, fax (978) 646- 8600. Requests to the Publisher for permission should be addressed to the Permissions Department, John Wiley & Sons, Inc., 111 River Street, Hoboken, NJ 07030-5774, (201) 748-6011, fax (201) 748-6008. Evaluation copies are provided to qualified academics and professionals for review purposes only, for use in their courses during the next academic year. These copies are licensed and may not be sold or transferred to a third party. Upon completion of the review period, please return the evaluation copy to Wiley. Return instructions and a free of charge return shipping label are available at www.com/go/returnlabel. Outside of the United States, please contact your local representative. ISBN 13 978-0470-54756-4 ISBN 13 978-0470-91769-5 Printed in the United States of America. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 E1FTOC 10/27/2010 16:47:4 Page 5 Contents PREFACE, ix Problems, 98 Cyber Exploration Laboratory, 112 1.2 A History of Control Systems, 4 3. MODELING IN THE TIME 1.3 System Configurations, 7 DOMAIN, 117 1.4 Analysis and Design Objectives, 10 3.1 Introduction, 118 Case Study, 12 3.5 The Design Process, 15 3.3 The General State-Space 1.6 Computer-Aided Design, 20 Representation, 123 1.7 The Control Systems Engineer, 21 3.4 Applying the State-Space Summary, 23 Representation, 124 Review Questions, 23 3.5 Converting a Transfer Function Problems, 24 to State Space, 132 Cyber Exploration Laboratory, 30 3.6 Converting from State Space to a Bibliography, 31 Apago PDF Enhancer Transfer Function, 139 2. MODELING IN THE FREQUENCY 3.7 Linearization, 141 DOMAIN, 33 Case Studies, 144 Summary, 148 2.1 Introduction, 34 Review Questions, 149 2.2 Laplace Transform Review, 35 Problems, 149 2.3 The Transfer Function, 44 Cyber Exploration Laboratory, 157 2.4 Electrical Network Transfer Functions, 47 Bibliography, 159 2.5 Translational Mechanical System Transfer Functions, 61 2.6 Rotational Mechanical System 4. TIME RESPONSE, 161 Transfer Functions, 69 4.7 Transfer Functions for Systems 4.2 Poles, Zeros, and System Response, 162 with Gears, 74 4.3 First-Order Systems, 166 2.4 Second-Order Systems: Introduction, 168 Transfer Functions, 79 4.5 The General Second-Order System, 173 2.9 Electric Circuit Analogs, 84 4.6 Underdamped Second-Order Systems, 177 2.7 System Response with 2.11 Linearization, 89 Additional Poles, 186 Case Studies, 94 4.8 System Response With Zeros, 191 Summary, 97 4.9 Effects of Nonlinearities Upon Review Questions, 97 Time Response, 196 v E1FTOC 10/27/2010 16:47:4 Page 6 vi Contents 4.10 Laplace Transform Solution Cyber Exploration Laboratory, 335 of State Equations, 199 Bibliography, 336 4.11 Time Domain Solution of State Equations, 203 7. STEADY-STATE ERRORS, 339 Case Studies, 207 Summary, 213 7.1 Introduction, 340 Review Questions, 214 7.2 Steady-State Error for Unity Problems, 215 Feedback Systems, 343 Cyber Exploration Laboratory, 228 7.3 Static Error Constants Bibliography, 232 and System Type, 349 7.4 Steady-State Error Specifications, 353 5.5 Steady-State Error for Disturbances, 356 MULTIPLE SUBSYSTEMS, 235 7.6 Steady-State Error for Nonunity Feedback Systems, 358 5.8 Steady-State Error for Systems in 5.3 Analysis and Design of State Space, 364 Feedback Systems, 245 Case Studies, 368 5.4 Signal-Flow Graphs, 248 Summary, 371 5.5 Mason’s Rule, 251 Review Questions, 372 5.6 Signal-Flow Graphs of Problems, 373 State Equations, 254 Cyber Exploration Laboratory, 384 5.7 Alternative Representations in State Space, 256 Apago PDF Enhancer Bibliography, 386 5.8 Similarity Transformations, 266 Case Studies, 272 8. ROOT LOCUS TECHNIQUES, 387 Summary, 278 8.1 Introduction, 388 Review Questions, 279 8.2 Defining the Root Locus, 392 Problems, 280 8.3 Properties of the Root Locus, 394 Cyber Exploration Laboratory, 297 8.4 Sketching the Root Locus, 397 Bibliography, 299 8.5 Refining the Sketch, 402 8.7 Transient Response Design 6.1 Introduction, 302 via Gain Adjustment, 415 6.2 Routh-Hurwitz Criterion, 305 8.8 Generalized Root Locus, 419 6.3 Routh-Hurwitz Criterion: 8.9 Root Locus for Positive-Feedback Special Cases, 308 Systems, 421 6.4 Routh-Hurwitz Criterion: 8.10 Pole Sensitivity, 424 Additional Examples, 314 Case Studies, 426 6.5 Stability in State Space, 320 Summary, 431 Case Studies, 323 Review Questions, 432 Summary, 325 Problems, 432 Review Questions, 325 Cyber Exploration Laboratory, 450 Problems, 326 Bibliography, 452 E1FTOC 10/27/2010 16:47:4 Page 7 Contents vii 9. DESIGN VIA ROOT LOCUS, 455 Review Questions, 609 Problems, 610 9.1 Introduction, 456 Cyber Exploration Laboratory, 621 9.2 Improving Steady-State Error via Bibliography, 623 Cascade Compensation, 459 9.3 Improving Transient Response via Cascade Compensation, 469 11. DESIGN VIA FREQUENCY 9.4 Improving Steady-State Error and RESPONSE, 625 Transient Response, 482 11.2 Transient Response via 9.6 Physical Realization of Compensation, 503 Gain Adjustment, 627 Case Studies, 508 11.3 Lag Compensation, 630 Summary, 513 11.4 Lead Compensation, 635 Review Questions, 514 11.5 Lag-Lead Compensation, 641 Problems, 515 Case Studies, 650 Cyber Exploration Laboratory, 530 Summary, 652 Bibliography, 531 Review Questions, 653 Problems, 653 10. FREQUENCY RESPONSE Cyber Exploration Laboratory, 660 TECHNIQUES, 533 Bibliography, 661 10. DESIGN VIA STATE SPACE, 663 Bode Plots, 540 Apago PDF Enhancer 10.3 Introduction to the Nyquist Criterion, 559 12.4 Sketching the Nyquist Diagram, 564 12.5 Stability via the Nyquist Diagram, 569 12.6 Gain Margin and Phase Margin 12.4 Alternative Approaches to via the Nyquist Diagram, 574 Controller Design, 676 10.7 Stability, Gain Margin, and Phase Margin 12.5 Observer Design, 682 via Bode Plots, 576 12.8 Relation Between Closed-Loop Transient 12.7 Alternative Approaches to and Closed-Loop Frequency Observer Design, 693 Responses, 580 12.8 Steady-State Error Design Via 10.9 Relation Between Closed- and Open-Loop Integral Control, 700 Frequency Responses, 583 Case Study, 704 10.10 Relation Between Closed-Loop Transient Summary, 709 and Open-Loop Frequency Responses, 589 Review Questions, 710 10.11 Steady-State Error Characteristics Problems, 711 from Frequency Response, 593 Cyber Exploration Laboratory, 719 10.12 Systems with Time Delay, 597 Bibliography, 721 10.13 Obtaining Transfer Functions 13. DIGITAL CONTROL SYSTEMS, 723 Experimentally, 602 Case Study, 606 13.2 Modeling the Digital Computer, 727 E1FTOC 10/27/2010 16:47:5 Page 8 viii Contents 13.3 The z-Transform, 730 Summary, 885 13.4 Transfer Functions, 735 Bibliography, 886 13.5 Block Diagram Reduction, 739 13.7 Steady-State Errors, 749 Answers to Selected Problems, 897 13.8 Transient Response on the z-Plane, 753 13.9 Gain Design on the z-Plane, 755 Credits, 903 13.10 Cascade Compensation via Index, 907 the s-Plane, 758 13.11 Implementing the Digital Appendix E MATLAB’s GUI Tools Tutorial Compensator, 762 (Online) Case Studies, 765 Summary, 769 Appendix F MATLAB’s Symbolic Review Questions, 770 Math Toolbox Tutorial (Online) Problems, 771 Appendix G Matrices, Determinants, Cyber Exploration Laboratory, 778 and Systems of Equations Bibliography, 780 (Online) Appendix A List of Symbols, 783 Appendix H Control System Computational Aids (Online) Appendix B MATLAB Tutorial, 787 Appendix I Derivation of a Schematic for a B.1 Introduction, 787 DC Motor (Online) B.2 MATLAB Examples, 788 Apago PDF Enhancer Appendix J Derivation of the Time Domain B.3 Command Summary, 833 Solution of State Equations Bibliography, 835 (Online) Appendix C MATLAB’s Simulink Appendix K Solution of State Equations for Tutorial, 836 t0 6¼ 0 (Online) C.1 Introduction, 836 Appendix L Derivation of Similarity C.2 Using Simulink, 836 Transformations (Online) C.3 Examples, 841 Appendix M Root Locus Rules: Derivations Summary, 855 (Online) Bibliography, 856 Control Systems Engineering Toolbox Appendix D LabVIEW Tutorial, 857 (Online) D.1 Introduction, 857 Cyber Exploration Laboratory Experiments D.2 Control Systems Analysis, Design, Covers Sheets (Online) and Simulation, 858 D.3 Using LabVIEW, 859 Lecture Graphics (Online) D.4 Analysis and Design Examples, 862 Solutions to Skill-Assessment Exercises D.5 Simulation Examples, 876 (Online) Online location is www.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ