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TheControlofMechatronicEngineeringSchoolofMechanicEngineeringSchoolofMechanicEngineeringShanghaiShanghaiDianjiDianjiUniversityUniversitySeptember,2008September,2008Significance（课程意义）课程意义）课程意义）课程意义）n nControlengineeringisanexcitingandchallengingfield.n nItisamultidisciplinarysubject,andacorecourseintheengineeringcurriculum.n nItiswidelyappliedtothefieldofindustryandagriculture,eventothesociological,biological,ecologicalandeconomicsystems.n nItisespeciallyusedinhigh-technologyareassuchasspacecraftcontrolsystem.n nIntroductiontoControlSystemsn nMathematicalModelingofDynamicSystemsn nTheAnalysisofLinearFeedbackSystemsintheTimeDomainn nTheRootLocusMethodn nFrequencyResponseMethodsn nTheDesign&CompensationofControlsystemsContents（课程课程课程课程内容内容内容内容）n nReferencen nExperimentn nExercisen nMethodofexamsn nClassdisciplinen nHowcontactRequirements（课程课程课程课程要求要求要求要求）Chapter 1 Introduction to Control Systems（In ChineseIn Chinese）n1-1ConceptsofControlSystemsn1-2BasicTypesofControlmodesn1-3ClassesofControlSystemsn1-4PrinciplestotheControlsystemDesign（Basicrequirements）在没有人直接参与的情况下，采用控制装置或机在没有人直接参与的情况下，采用控制装置或机械（械（Controller）使被控制对象（）使被控制对象（Controlled object）达到预期的目标）达到预期的目标。Automatic ControlResearch of ACq Classic control theoryClassic control theoryq Modern control theoryModern control theory 经典控制理论（经典控制理论（Classic control theoryClassic control theory）主要研究的对象：主要研究的对象：主要研究的对象：主要研究的对象：单输入、单输出线性定常系统的分析和设计问题单输入、单输出线性定常系统的分析和设计问题单输入、单输出线性定常系统的分析和设计问题单输入、单输出线性定常系统的分析和设计问题 现代控制理论（现代控制理论（Modern control theoryModern control theory）现代控制理论研究对象现代控制理论研究对象现代控制理论研究对象现代控制理论研究对象:多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的 分析和设计问题分析和设计问题分析和设计问题分析和设计问题研究对象研究对象研究对象研究对象数学工具数学工具数学工具数学工具分析方法分析方法分析方法分析方法局限性局限性局限性局限性经典经典控制控制理论理论单单单单I/OI/OI/OI/O线性定常线性定常线性定常线性定常系统系统系统系统微分方程，微分方程，微分方程，微分方程，传递函数传递函数传递函数传递函数时域法时域法时域法时域法频域法频域法频域法频域法根轨迹法根轨迹法根轨迹法根轨迹法对复杂多变量对复杂多变量对复杂多变量对复杂多变量系统、时变和系统、时变和系统、时变和系统、时变和非线性系统无非线性系统无非线性系统无非线性系统无能为力能为力能为力能为力现代现代控制控制理论理论多输入多输入多输入多输入-多多多多输出变系输出变系输出变系输出变系数，非线数，非线数，非线数，非线性等系统性等系统性等系统性等系统线性代数、线性代数、线性代数、线性代数、矩阵理论矩阵理论矩阵理论矩阵理论状态状态状态状态空间法空间法空间法空间法比较繁琐比较繁琐比较繁琐比较繁琐（但由于计（但由于计（但由于计（但由于计算机技术的算机技术的算机技术的算机技术的 迅速发展，迅速发展，迅速发展，迅速发展，已克服已克服已克服已克服)n nClosed-loopControl（闭环控制）Aclosed-loopcontrolsystemusesameasurementoftheoutputandfeedbackofthissignaltocompareitwiththedesiredoutput(referenceorcommand).n nOpen-loopControl（开环控制）Anopen-loopcontrolsystemutilizesanactuatingdevicetocontroltheprocessdirectlywithoutusingfeedbackn nCompositeControl（复合控制）1.2 Basic Types of Control modes电风扇的控制电机（Actuators）风扇叶片（ControlledObject）开关或程序Controller控制电压一.开环控制(Open-loop control)例例例例:电炉温度控制系统电炉温度控制系统电炉温度控制系统电炉温度控制系统分析控制组成分析控制组成分析控制组成分析控制组成 输入量(Input)控制装置 被控对象 输出量(Output)术语(电源电源)输出量输出量输入量输入量 开关开关 加热加热 电阻丝电阻丝 电炉电炉 恒温箱恒温箱 受控对象受控对象(温度温度)扰动量扰动量控制装置控制装置(b)方块图方块图扰动扰动输出量输出量输入量输入量控制装置控制装置受控对象受控对象开环控制系统的方框图开环控制系统的方框图 开环控制系统特点：开环控制系统特点：信号从输入到输出无反馈信号从输入到输出无反馈,单向传递单向传递.结构简单结构简单.控制精度不高控制精度不高,无法抑制扰动无法抑制扰动.开环控制开环控制 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。分析控制过程分析控制过程分析控制过程分析控制过程 u-tt？控制器被控制对象给定值输出量 控制的原理方框图控制的原理方框图控制的原理方框图控制的原理方框图控制方式控制方式：按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合定和扰动信号较弱的场合.例例例例:直流电动机转速开环控制系统。直流电动机转速开环控制系统。直流电动机转速开环控制系统。直流电动机转速开环控制系统。输出量对输入量没有影响的系统称为开环系统输出量对输入量没有影响的系统称为开环系统输出量对输入量没有影响的系统称为开环系统输出量对输入量没有影响的系统称为开环系统 图示图示图示图示:人工电动机转速闭环控制系统人工电动机转速闭环控制系统人工电动机转速闭环控制系统人工电动机转速闭环控制系统汽车方向控制系统 汽车方向控制人工职能图驾车人汽车预期行驶路线实际行驶路线比较器视觉测量+-偏差方向盘二、闭环控制二、闭环控制控制过程：控制过程：控制任务：保持工作机械恒速运行控制任务：保持工作机械恒速运行.n uf u ua n n n反馈：反馈：反馈：反馈：输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程n n负反馈：负反馈：负反馈：负反馈：反馈的信号与输入信号反馈的信号与输入信号反馈的信号与输入信号反馈的信号与输入信号相减相减相减相减而使而使而使而使偏差越来越小偏差越来越小偏差越来越小偏差越来越小正反馈的例子正反馈的例子正反馈的例子正反馈的例子 已知铀235原子核在一个中子的撞击下，可发生核裂变反应，放出大量的能量，同时释放大约2.5个中子，放出的中子有可能再与铀235原子核发生核反应，这就是所谓核裂变的链式反应。U235初始中子数中子数2.5n+中子数n能量有效中子率 闭环控制闭环控制闭环控制闭环控制:是指控制器与控制对象之间既有顺向是指控制器与控制对象之间既有顺向是指控制器与控制对象之间既有顺向是指控制器与控制对象之间既有顺向 作用有反向联系的控制过程。作用有反向联系的控制过程。作用有反向联系的控制过程。作用有反向联系的控制过程。输入量输入量输出量输出量闭环控制闭环控制典型方框图典型方框图扰动扰动输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。特点特点：控制器控制器被控对象被控对象-开环控制与反馈控制的比较开环控制与反馈控制的比较 开环开环开环开环:优点结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和优点结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和优点结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和优点结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和 扰动能预先知道时，控制效果较好。扰动能预先知道时，控制效果较好。扰动能预先知道时，控制效果较好。扰动能预先知道时，控制效果较好。缺点不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数缺点不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数缺点不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数缺点不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数 变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。闭环闭环闭环闭环:优点具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修优点具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修优点具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修优点具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修 正元件参数变化及外界扰动引起的误差，控制精度高。正元件参数变化及外界扰动引起的误差，控制精度高。正元件参数变化及外界扰动引起的误差，控制精度高。正元件参数变化及外界扰动引起的误差，控制精度高。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。闭环控制系统的术语和定义闭环控制系统的术语和定义主反馈主反馈 与输出成正比或某种函数关系，但量纲与给定信号相同与输出成正比或某种函数关系，但量纲与给定信号相同偏偏 差差 给定信号与给定信号与主反馈主反馈信号之差的信号；信号之差的信号；控制单元控制单元接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量；接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量；扰扰 动动 对系统输出产生不利影响的信号；对系统输出产生不利影响的信号；反馈环节反馈环节检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号；检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号；输出量输出量 环节名称环节名称(或特性或特性)输入量输入量(a)(-)(b)re=r-b b(c)c引出点引出点cc方框图的组成：方框图的组成：被控量被控量偏差偏差信号信号(-)参考参考 输入信号输入信号r(t)调节器调节器(或控制器或控制器)u(t)受控系统受控系统e(t)c(t)反馈信号反馈信号 控制量控制量 扰动扰动 给定给定 控制控制 环节环节 放大放大 元件元件 执行执行 机构机构 受控受控 对象对象 反馈装置反馈装置(测量元件测量元件)闭环控制系统的方框图闭环控制系统的方框图 尽管控制系统不同，复杂各异，但基本组成是类同的，即闭环系统的基本组成尽管控制系统不同，复杂各异，但基本组成是类同的，即闭环系统的基本组成为：为：(1)(1)比较元件；比较元件；(2)(2)放大元件；放大元件；(3)(3)执行元件；执行元件；(4)(4)校正元件；校正元件；(5)(5)被控对象；被控对象；(6)(6)测量元件。测量元件。放大放大整形整形串联串联校正校正变换变换放大放大执行执行元件元件被控被控对象对象测量元件测量元件并联校正并联校正-R(s)C(s)闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成 被控量被控量 输入信号输入信号(-)补偿装置补偿装置 控制装置控制装置 受控对象受控对象按输入补偿按输入补偿三.复合控制(Composite control)n n按扰动补偿按扰动补偿按扰动补偿按扰动补偿(Disturbance compensation)(Disturbance compensation):控制方式的原理是控制方式的原理是控制方式的原理是控制方式的原理是利用对扰动利用对扰动利用对扰动利用对扰动信号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号信号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号信号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号信号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号经测量装置，控制器至被控对象的输出量是单向传递的，故属于开环控经测量装置，控制器至被控对象的输出量是单向传递的，故属于开环控经测量装置，控制器至被控对象的输出量是单向传递的，故属于开环控经测量装置，控制器至被控对象的输出量是单向传递的，故属于开环控制方式。制方式。制方式。制方式。因此，控制精度有限因此，控制精度有限因此，控制精度有限因此，控制精度有限.控制器控制器被控制被控制对象对象扰动扰动输出量输出量测量装置测量装置按扰动补偿按扰动补偿线性线性线性线性/非线性系统非线性系统非线性系统非线性系统(Linear/Non-linearLinear/Non-linear)连续连续连续连续/离散性系统离散性系统离散性系统离散性系统(Continuous/DiscreteContinuous/Discrete)定定定定 常常常常/时时时时 变变变变 性性性性 系系系系 统统统统(Time-invariant/Time-Time-invariant/Time-variantvariant)确定确定确定确定/不确定系统不确定系统不确定系统不确定系统(Certainty/UncertaintyCertainty/Uncertainty)按控制方式分按控制方式分按控制方式分按控制方式分按系统性能分按系统性能分按系统性能分按系统性能分按给定值变化规律分按给定值变化规律分按给定值变化规律分按给定值变化规律分按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制按偏差调节的闭环控制复合控制：复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅闭环反馈为主，开环补偿为辅恒值系统恒值系统(Constant-valueConstant-value)随动系统随动系统(ServoServo)程序控制系统程序控制系统(Program controlProgram control)1.3 控制系统分类控制系统分类恒值系统：也称镇定系统。恒值系统：也称镇定系统。输出量以一定的精度输出量以一定的精度等于给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，等于给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产过程扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产过程中，这类系统非常多。例如，冶金部门的恒温系统，中，这类系统非常多。例如，冶金部门的恒温系统，石油部门的恒压系统等。石油部门的恒压系统等。随动系统：输出量能以一定精度跟随给定值变化的随动系统：输出量能以一定精度跟随给定值变化的系统称随动系统，又称为跟踪系统。系统称随动系统，又称为跟踪系统。这类系统的特这类系统的特点是系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确点是系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确定的时间函数。例如，火炮系统，卫星控制系统等。定的时间函数。例如，火炮系统，卫星控制系统等。程序控制系统：自动控制系统的被控制量如果是根程序控制系统：自动控制系统的被控制量如果是根据预先编好的程序进行控制的系统据预先编好的程序进行控制的系统称程序控制系称程序控制系。例如，炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道导弹的例如，炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道导弹的程序控制系统等。程序控制系统等。线性系统线性系统 (Linear system)(Linear system)特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式：模型为线性微分方程。运动方程一般形式：式中：式中：r(tr(t)系统输入量；系统输入量；c(tc(t)系统输出量系统输出量 主要特点是具有叠加性和齐次性。主要特点是具有叠加性和齐次性。按系统性能分类按系统性能分类 非线性系统非线性系统 (Non-linear system)(Non-linear system)特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节。线性环节。非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。按系统性能分类按系统性能分类1.4 对自动控制系统的要求对自动控制系统的要求 稳定性稳定性(Stability)(Stability)被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态，如果被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反馈控制系统提出的最基本要能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反馈控制系统提出的最基本要求。求。快速性快速性(Quickness)对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。稳稳定定高高射射炮炮射射角角随随动动系系统统，虽虽然然炮炮身身最最终终能能跟跟踪踪目目标标，但但如如果果目目标标变变动动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。准确性准确性(Accuracy)用稳态误差来表示。用稳态误差来表示。在在参参考考输输入入信信号号作作用用下下，当当系系统统达达到到稳稳态态后后，其其稳稳态态输输出出与与参参考考输输入入所所要要求求的的期期望望输输出出之之差差叫叫做做给给定定稳稳态态误误差差。显显然然，这这种种误误差差越越小小，表表示示系系统统的的输出跟随参考输入的精度越高。输出跟随参考输入的精度越高。稳定性示意图稳定性示意图.稳定性稳定性稳定性稳定性(Stability)(Stability)(Stability)(Stability)：是保证控制系统正常工作的先决条件。：是保证控制系统正常工作的先决条件。：是保证控制系统正常工作的先决条件。：是保证控制系统正常工作的先决条件。.快速性快速性快速性快速性(Quickness)(Quickness)(Quickness)(Quickness)：动态性能，有指标。：动态性能，有指标。：动态性能，有指标。：动态性能，有指标。.准确性准确性准确性准确性(Accuracy)(Accuracy)(Accuracy)(Accuracy)：稳态（过度结束后的）值应尽量与期望值一致：稳态（过度结束后的）值应尽量与期望值一致：稳态（过度结束后的）值应尽量与期望值一致：稳态（过度结束后的）值应尽量与期望值一致。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)(a)(a)(a)(a)、(b)(b)(b)(b)非周期振荡；非周期振荡；非周期振荡；非周期振荡；(c)(c)(c)(c)发散振荡；发散振荡；发散振荡；发散振荡；(d)(d)(d)(d)、(e)(e)(e)(e)收敛振荡；收敛振荡；收敛振荡；收敛振荡；(f)(f)(f)(f)等幅振荡等幅振荡等幅振荡等幅振荡。导论导论-Open-loop vs.Close-loopOpen-loop vs.Close-loop图1.5闭环(反馈)控制结构框图信号双向传递计算比较执行被控对象测量干扰预期输出响应r(t)+Input-误差e(t)控制量u(t)实际输出y(t)Output被测变量测量值 反馈反馈(Feedback)是控制的精髓是控制的精髓 结结 论论知道控制的概念，易！知道控制的概念，易！知道控制的概念，易！知道控制的概念，易！实施恰当的控制，难！实施恰当的控制，难！实施恰当的控制，难！实施恰当的控制，难！复杂对象的控制，非不欲也，乃无能也！复杂对象的控制，非不欲也，乃无能也！因此，本课程采用有限目标、解剖麻雀的策略。因此，本课程采用有限目标、解剖麻雀的策略。收缩对象收缩对象经典控制！经典控制！课程目标：课程目标：以以简单的线性时不变系统简单的线性时不变系统为对象，学习控制系统的分为对象，学习控制系统的分析、设计与实现，切身析、设计与实现，切身体会体会实施控制的实施控制的全过程全过程，牢固建立，牢固建立反馈控制的反馈控制的理念理念，培养，培养实施实施控制的能力。控制的能力。课程及教学安排课程及教学安排-讲授时间安排讲授时间安排讲授时间安排讲授时间安排第一章第一章 自动控制导论（自动控制导论（2 2）第二章第二章 控制系统的数学模型（控制系统的数学模型（8 8）第三章第三章 控制系统的时域稳定性（控制系统的时域稳定性（4 4）第四章第四章 时间响应分析（时间响应分析（9 9）第五章第五章 根轨迹法（根轨迹法（4 4）第六章第六章 频率响应分析（频率响应分析（5 5）第七章第七章 控制系统的频率域稳定性控制系统的频率域稳定性（4 4）第八章第八章 控制系统的设计与校正（控制系统的设计与校正（6 6）实验实验 MatlabMatlab辅导、测验等（辅导、测验等（6 6）
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