Automatyka i Robotyka

Spis treści

Przedmowa
O Autorach

ROZDZIAŁ 1 Wprowadzenie do systemów sterowania 1
1.1. Wstęp 2
1.2. Krótka historia sterowania automatycznego 6
1.3. Przykłady systemów sterowania 12
1.4. Projektowanie inżynieryjne 18
1.5. Projektowanie systemów sterowania 20
1.6. Systemy mechatroniczne 23
1.7. Zielona inżynieria 27
1.8. Przyszła ewolucja systemów sterowania 29
1.9. Przykłady projektowania 30
1.10. Przykład projektowania sekwencyjnego: system odczytujący dysku twardego 35
1.11. Podsumowanie 37
Sprawdzenie umiejętności 37 • Ćwiczenia 40 • Zadania 42 • Zadania zaawansowane 47 • Zadania projektowe 49 • Pojęcia i określenia 52

ROZDZIAŁ 2 Modele matematyczne systemów 53
2.1. Wstęp 54
2.2. Równania różniczkowe systemów fizycznych 54
2.3. Przybliżenia liniowe systemów fizycznych 59
2.4. Przekształcenie Laplace’a 62
2.5. Transmitancja systemu liniowego 69
2.6. Modele w postaci schematów blokowych 82
2.7. Modele w postaci grafów przepływu sygnałów 87
2.8. Przykłady projektowania 94
2.9. Symulacja systemów przy pomocy oprogramowania do projektowania sterowania 112
2.10. Przykład projektowania sekwencyjnego: system odczytujący dysku twardego 125
2.11. Podsumowanie 128
Sprawdzenie umiejętności 128 • Ćwiczenia 133 • Zadania 139 • Zadania zaawansowane 150 • Zadania projektowe 152 • Zadania komputerowe 154 • Pojęcia i określenia 157

ROZDZIAŁ 3 Modele w przestrzeni stanów 159
3.1. Wstęp 160
3.2. Zmienne stanu systemu dynamicznego 160
3.3. Różniczkowe równanie stanu 163
3.4. Modele w postaci grafów przepływu sygnałów i schematów blokowych 168
3.5. Alternatywne modele w postaci grafów przepływu sygnałów i schematów blokowych 179
3.6. Transmitancja z równania stanu 183
3.7. Odpowiedź czasowa i macierz tranzycji stanu 184
3.8. Przykłady projektowania 188
3.9. Analiza modeli w przestrzeni stanów przy pomocy oprogramowania do projektowania sterowania 201
3.10. Przykład projektowania sekwencyjnego: system odczytujący dysku twardego 205
3.11. Podsumowanie 208
Sprawdzenie umiejętności 209 • Ćwiczenia 213 • Zadania 215 • Zadania zaawansowane 223 • Zadania projektowe 225 • Zadania komputerowe 226 • Pojęcia i określenia 228

ROZDZIAŁ 4 Własności systemów sterowania ze sprzężeniem zwrotnym 229
4.1. Wstęp 230
4.2. Analiza sygnału błędu 232
4.3. Wrażliwość systemów sterowania na zmiany parametrów 234
4.4. Sygnały zakłócające w systemach ze sprzężeniem zwrotnym 237
4.5. Kształtowanie odpowiedzi przejściowej 242
4.6. Błąd ustalony 245
4.7. Koszt sprzężenia zwrotnego 247
4.8. Przykłady projektowania 247
4.9. Określanie własności systemów sterowania przy pomocy oprogramowania do projektowania sterowania 258
4.10. Przykład projektowania sekwencyjnego: system odczytujący dysku twardego 265
4.11. Podsumowanie 268
Sprawdzenie umiejętności 268 • Ćwiczenia 273 • Zadania 276 • Zadania zaawansowane 283 • Zadania projektowe 286 • Zadania komputerowe 290 • Pojęcia i określenia 292

ROZDZIAŁ 5 Jakość działania systemów sterowania ze sprzężeniem zwrotnym 293
5.1. Wstęp 294
5.2. Testowe sygnały wejściowe 295
5.3. Jakość działania systemów drugiego rzędu 297
5.4. Wpływ trzeciego bieguna i miejsca zerowegov na odpowiedź systemu drugiego rzędu 302
5.5. Położenie pierwiastków na płaszczyźnie zmiennej s i odpowiedź przejściowa 308
5.6. Błąd ustalony w systemach sterowania ze sprzężeniem zwrotnym 310 
5.7. Wskaźniki jakości 316
5.8. Upraszczanie systemów liniowych 322
5.9. Przykłady projektowania 324
5.10. Badanie jakości działania systemów przy pomocy oprogramowania do projektowania sterowania 337
5.11. Przykład projektowania sekwencyjnego: system odczytujący dysku twardego 342
5.12. Podsumowanie 345
Sprawdzenie umiejętności 345 • Ćwiczenia 349 • Zadania 352 • Zadania zaawansowane 358 • Zadania projektowe 360 • Zadania komputerowe 363 • Pojęcia i określenia 366

ROZDZIAŁ 6 Stabilność systemów liniowych ze sprzężeniem zwrotnym 367
6.1. Pojęcie stabilności 368
6.2. Kryterium stabilności Routha-Hurwitza 373
6.3. Stabilność względna systemów sterowania ze sprzężeniem zwrotnym 380
6.4. Stabilność systemów opisanych równaniem stanu 382
6.5. Przykłady projektowania 385
6.6. Analiza stabilności systemów przy pomocy oprogramowania do projektowania sterowania 392
6.7. Przykład projektowania sekwencyjnego: system odczytujący dysku twardego 399
6.8. Podsumowanie 402
Sprawdzenie umiejętności 402 • Ćwiczenia 405 • Zadania 408 • Zadania zaawansowane 412 • Zadania projektowe 416 • Zadania komputerowe 418 • Pojęcia i określenia 420

ROZDZIAŁ 7 Metoda linii pierwiastkowych 421
7.1. Wstęp 422
7.2. Pojęcie linii pierwiastkowych 422
7.3. Procedura linii pierwiastkowych 427
7.4. Projektowanie parametryczne metodą linii pierwiastkowych 441
7.5. Wrażliwość a linie pierwiastkowe 447
7.6. Regulatory PID 452
7.7. Linie pierwiastkowe dla wzmocnienia ujemnego 464
7.8. Przykłady projektowania 468
7.9. Wyznaczanie linii pierwiastkowych za pomocą oprogramowania do projektowania sterowania 478
7.10. Przykład projektowania sekwencyjnego: system odczytujący dysku twardego 483
7.11. Podsumowanie 485
Sprawdzenie umiejętności 489 • Ćwiczenia 493 • Zadania 497 • Zadania zaawansowane 507 • Zadania projektowe 510 • Zadania komputerowe 517 • Pojęcia i określenia 519 

ROZDZIAŁ 8 Metody oparte na odpowiedziach częstotliwościowych 521
8.1. Wstęp 522
8.2. Wykresy odpowiedzi częstotliwościowych 525
8.3. Pomiarowe wyznaczanie odpowiedzi częstotliwościowych 545
8.4. Specyfikacje jakości działania w dziedzinie częstotliwości 547
8.5. Wykresy wzmocnienia logarytmicznego w zależności od fazy 550
8.6. Przykłady projektowania 551
8.7. Metody odpowiedzi częstotliwościowych wspomagane oprogramowaniem do projektowania sterowania 560
8.8. Przykład projektowania sekwencyjnego: system odczytujący dysku twardego 566
8.9. Podsumowanie 571
Sprawdzenie umiejętności 571 • Ćwiczenia 576 • Zadania 579 • Zadania zaawansowane 588 • Zadania projektowe 590 • Zadania komputerowe 593 • Pojęcia i określenia 596

ROZDZIAŁ 9 Analiza stabilności w dziedzinie częstotliwości 597
9.1. Wstęp 598
9.2. Odwzorowywanie konturów na płaszczyźnie zmiennej s 599
9.3. Kryterium stabilności Nyąuista 605
9.4. Stabilność względna i kryterium Nyąuista 616
9.5. Czasowe wskaźniki jakości w dziedzinie częstotliwościowej 622
9.6. Pasmo przenoszenia systemu 629
9.7. Stabilność systemów sterowania z opóźnieniami 630
9.8. Przykłady projektowania 633
9.9. Regulatory PID w dziedzinie częstotliwościowej 650
9.10. Analiza stabilności w dziedzinie częstotliwościowej przy pomocy oprogramowania do projektowania sterowania 651
9.11. Przykład projektowania sekwencyjnego: system odczytujący dysku twardego 662
9.12. Podsumowanie 663
Sprawdzenie umiejętności 672 • Ćwiczenia 675 • Zadania 681 • Zadania zaawansowane 691 • Zadania projektowe 694 • Zadania komputerowe 699 • Pojęcia i określenia 701

ROZDZIAŁ 10 Projektowanie systemów sterowania ze sprzężeniem zwrotnym 703
10.1. Wstęp 704
10.2. Podejścia do projektowania systemów 705
10.3. Kompensatory kaskadowe 706
10.4. Projektowanie z przyspieszeniem fazy na podstawie wykresu Bodego 710
10.5. Projektowanie z przyspieszeniem fazy na podstawie linii pierwiastkowych 716
10.6. Projektowanie systemów z użyciem kompensatorów całkujących 722
10.7. Projektowanie z opóźnieniem fazy na podstawie linii pierwiastkowych 725
10.8. Projektowanie z opóźnieniem fazy na podstawie wykresu Bodego 728
10.9. Projektowanie na podstawie wykresu Bodego przy pomocy metody analitycznej 733
10.10. Systemy z filtrem wstępnym 734
10.11. Projektowanie odpowiedzi typu deadbeat 737
10.12. Przykłady projektowania 739
10.13. Projektowanie systemów przy pomocy oprogramowania do projektowania sterowania 749
10.14. Przykład projektowania sekwencyjnego: system odczytujący dysku twardego 756
10.15. Podsumowanie 757
Sprawdzenie umiejętności 759 • Ćwiczenia 763 • Zadania 767 • Zadania zaawansowane 776 • Zadania projektowe 779 • Zadania komputerowe 783 • Pojęcia i określenia 785

ROZDZIAŁ 11 Projektowanie systemów ze sprzężeniem zwrotnym od stanu 787
11.1. Wstęp 788
11.2. Sterowalność i obserwowalność 789
11.3. Projektowanie sterowania ze sprzężeniem zwrotnym od pełnego stanu 794
11.4. Projektowanie obserwatora 800
11.5. Sprzężenie zwrotne od pełnego stanu zintegrowane z obserwatorem 804
11.6. Wejścia odniesienia 810
11.7. Optymalne systemy sterowania 812
11.8. Projektowanie systemów z modelem wewnętrznym 820
11.9. Przykłady projektowania 823
11.10. Projektowanie w przestrzeni stanów przy pomocy oprogramowania do projektowania sterowania 830
11.11. Przykład projektowania sekwencyjnego: system odczytujący dysku twardego 836
11.12. Podsumowanie 837
Sprawdzenie umiejętności 837 • Ćwiczenia 842 • Zadania 844 • Zadania zaawansowane 848 • Zadania projektowe 851 • Zadania komputerowe 854 • Pojęcia i określenia 857

ROZDZIAŁ 12 Odporne systemy sterowania 859
12.1. Wstęp 860
12.2. Odporne systemy sterowania i wrażliwość systemów 861
12.3. Analiza odporności 865
12.4. Systemy o niepewnych parametrach 867
12.5. Projektowanie odpornych systemów sterowania 869
12.6. Projektowanie systemów odpornych z regulatorami PID 873
12.7. Odporny system sterowania z modelem wewnętrznym 878
12.8. Przykłady projektowania 880
12.9. Pseudo-ilościowy system sprzężenia zwrotnego 891
12.10. Synteza odpornego systemu sterowania przy pomocy oprogramowania do projektowania sterowania 893
12.11. Przykład projektowania sekwencyjnego: system odczytujący dysku twardego 896
12.12. Podsumowanie 898
Sprawdzenie umiejętności 900 • Ćwiczenia 904 • Zadania 906 • Zadania zaawansowane 910 • Zadania projektowe 913 • Zadania komputerowe 918 Pojęcia i określenia 921

ROZDZIAŁ 13 Dyskretne systemy sterowania 923
13.1. Wstęp 924
13.2. Zastosowania systemów sterowania komputerowego 924
13.3. Systemy z danymi próbkowanymi 926
13.4. Przekształcenie Z 929
13.5. Systemy próbkowane ze sprzężeniem zwrotnym 934
13.6. Jakość działania systemu próbkowanego drugiego rzędu 938
13.7. Systemy zamknięte z dyskretną kompensacją komputerową 940
13.8. Linie pierwiastkowe dyskretnych systemów sterowania 943
13.9. Implementacja regulatorów dyskretnych 947
13.10. Przykłady projektowania 948
13.11. Analiza i projektowanie dyskretnych systemów sterowania przy pomocy oprogramowania do projektowania sterowania 956
13.12. Przykład projektowania sekwencyjnego: system odczytujący dysku twardego 961
13.13. Podsumowanie 963
Sprawdzenie umiejętności 963 • Ćwiczenia 967 • Zadania 969 • Zadania zaawansowane 971 • Zadania projektowe 972 • Zadania komputerowe 974 • Pojęcia i określenia 975

Bibliografia 977
Skorowidz