现代控制工程-第一章
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The Control of Mechatronic Engineering
School of Mechanic Engineering Shanghai Dianji University September, 2008
Significance
（课程意义）
Control engineering is an exciting and challenging field. It is a multidisciplinary subject, and a core course in the engineering curriculum. It is widely applied to the field of industry and agriculture, even to the sociological, biological, ecological and economic systems. It is especially used in high-technology areas such as spacecraft control system.
控制器
给定值
被控制 对象 输出量
控制的原理方框图
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
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 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.
按输入补偿
补偿装置 被控量 控制装置 受控对象
输入信号
(-)
按扰动补偿(Disturbance compensation): 控制方式的原理是利用对扰动信 号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号经 测量装臵，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。因此，控制精度有限.
1.4 对自动控制系统的要求
• 稳定性(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。 • 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。 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动 迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。 • 准确性 (Accuracy) 用稳态误差来表示。 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所 要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的 输出跟随参考输入的精度越高。
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。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 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 据预先编好的程序进行控制的系统称程序控制系。 例如，炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道导弹的 程序控制系统等。
经典 控制 理论
单I/O 微分方程， 时域法 线性定常 传递函数 频域法 系统 根轨迹法
现代 控制 理论
多输入-多 线性代数、 输出变系 矩阵理论 数，非线 性等系统
状态 空间法
1.2 Basic Types of Control modes
Closed-loop Control（闭环控制）
A closed-loop control system uses a measurement of the output and feedback of this signal to compare it with the desired output(reference or command).
Contents
（课程内容）
Introduction to Control Systems Mathematical Modeling of Dynamic Systems The Analysis of Linear Feedback Systems in the Time Domain The Root Locus Method Frequency Response Methods The Design & Compensation of Control systems
Automatic Control
在没有人直接参与的情况下，采用控制装臵或机 械（Controller）使被控制对象（Controlled object） 达到预期的目标 。
Research of AC
Classic control theory Modern control theory
方向盘
实际行 汽车 驶路线
视觉测量
汽车方向控制人工职能图
二、闭环控制
V
给 定 电 位 器
给定电压
+ C
R
V
功率放大器 _
D
直流电动机
控制器
n
测速发电机
控制任务：保持工作机械恒速运行.
控制过程： n
n
V
uf
@u
ua
给 定 电 位 器
给定电压
+ C
R
V
功率放大器 _
D
直流电动机
控制器
n
测速发电机
测量装置
扰动
控制器
被控制 对象 输出量
按扰动补偿
1.3 控制系统分类
按控制方式分
按给定值操纵的开环控制 按干扰补偿的开环控制 按偏差调节的闭环控制 复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅 恒值系统(Constant-value) 随动系统(Servo) 程序控制系统(Program control)
U 235 1n 核裂变废料+能量+2. n 5
初始 中子数 + + 有效中子率 中子数 n 能量 中子数 2.5n
U235
闭环控制: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。
闭环控制 典型方框图
扰动
输出量
输入量
控制器
被控对象
特点： 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； 因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。
例:
V
直流电动机转速开环控制系统。
给定电压
功率放大器
R 给 定 电 位 器
V
D
n
生产机构
直流电动机
输出量对输入量没有影响的系统称为开环系统
V
+
R
给 定 电 位 器
V
给定电压 功率放大器
D
电动机
n
转速表
图示: 人工电动机转速闭环控制系统
汽车方向控制系统
预期行 驶路线 偏差 + 比较器 驾车人 -
闭环控制系统的术语和定义
扰动 nt 给定信号 r t 误差 et 控制单元
G1
控制量 ut
控制对象
G2
输出 yt
bt
反馈单元
H
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 偏 差 — 给定信号与主反馈信号之差的信号； 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； 扰 动 — 对系统输出产生不利影响的信号； 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；
开环控制与反馈控制的比较
开环: 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。
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。
闭环: 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。 缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。
按给定值变化规律分
按系统性能分
线性/非线性系统(Linear/Non-linear) 连续/离散性系统(Continuous/Discrete) 定 常 / 时 变 性 系 统 (Time-invariant/Timevariant) 确定/不确定系统(Certainty/Uncertainty)
恒值系统：也称镇定系统。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， 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， 石油部门的恒压系统等。
1-1 Concepts of Control Systems 1-2 Basic Types of Control modes 1-3 Classes of Control Systems 1-4 Principles to the Control system Design （Basic requirements）
按系统性能分类
线性系统 (Linear system)
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：
d c(t) d c(t) dc(t) a n n n a n -1 n -1 n -1 a 1 a 0 c(t) dt dt dt m m-1 d m r(t) d m-1 r(t) dr(t) bm b m-1 b1 b 0 r(t) m m-1 dt dt dt
Open-loop Control（开环控制）
An open-loop control system utilizes an actuating device to control the process directly without using feedback
Composite Control（复合控制）
经典控制理论（Classic control theory）
主要研究的对象：
单源自文库入、单输出线性定常系统的分析和设计问题
现代控制理论（Modern control theory）
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
分析和设计问题
研究对象
数学工具
分析方法
局限性 对复杂多变量 系统、时变和 非线性系统无 能为力 比较繁琐 （但由于计 算机技术的 迅速发展， 已克服)
n n -1
式中：r(t)—系统输入量； c(t)—系统输出量 主要特点是具有叠加性和齐次性。
按系统性能分类
非线性系统 (Non-linear system)
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。 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。
Requirements
（课程要求）
Reference Experiment Exercise Method of exams Class discipline How contact
Chapter 1 Introduction to Control Systems
（In Chinese）
输入量 (电源 )
加热 电阻丝 电炉 恒温箱
输出量
(温度)
开关
控制装置
受控对象
•开环控制系统的方框图
扰动 输入量 输出量
控制装置
受控对象
(b) 方块图
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
u -> t
t －－？
开环控制系统特点：
信号从输入到输出无反馈,单向传递. 结构简单. 控制精度不高,无法抑制扰动.
闭环控制系统的方框图
给定
扰动 执行 受控 控制量 机构 对象 受控系统
r(t)
e(t)
偏差 (-) 参考 信号 输入信号
控制 环节
放大 元件
u(t)
c(t)
被控量
调节器(或控制器)
反馈信号
反馈装置 (测量元件)
•方框图的组成：
输入量 环节名称 输出量 (或特性)
r b (b)
e=r-b
(-)
c
c
引出点 c
(a)
(c)
闭环控制系统的组成
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：(1)比较元件；(2)放大元件；(3)执行元件；(4)校正元件；(5)被控对象；
(6)测量元件。
R(s)
-
放大 整形
串联 校正
-
变换 放大
执行 元件
被控 对象
C(s)
并联校正
测量元件
三. 复合控制(Composite control)
扰动量 输入量
误差
控制器
控制量
控制对象
输出量
反馈量 反馈元件
反馈： 输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程 负反馈： 反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小
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。
风扇叶片 （Controlled Object） 开关或程序 控制电压
Controller 电机 （Actuators）
电风扇的控制
一.开环控制 (Open-loop control)
例: 电炉温度控制系统
分析控制组成
输入量 (Input) 控制装置 术语 被控对象 输出量 (Output)
扰动量
School of Mechanic Engineering Shanghai Dianji University September, 2008
Significance
（课程意义）
Control engineering is an exciting and challenging field. It is a multidisciplinary subject, and a core course in the engineering curriculum. It is widely applied to the field of industry and agriculture, even to the sociological, biological, ecological and economic systems. It is especially used in high-technology areas such as spacecraft control system.
控制器
给定值
被控制 对象 输出量
控制的原理方框图
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
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 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.
按输入补偿
补偿装置 被控量 控制装置 受控对象
输入信号
(-)
按扰动补偿(Disturbance compensation): 控制方式的原理是利用对扰动信 号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号经 测量装臵，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。因此，控制精度有限.
1.4 对自动控制系统的要求
• 稳定性(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。 • 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。 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动 迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。 • 准确性 (Accuracy) 用稳态误差来表示。 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所 要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的 输出跟随参考输入的精度越高。
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。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 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 据预先编好的程序进行控制的系统称程序控制系。 例如，炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道导弹的 程序控制系统等。
经典 控制 理论
单I/O 微分方程， 时域法 线性定常 传递函数 频域法 系统 根轨迹法
现代 控制 理论
多输入-多 线性代数、 输出变系 矩阵理论 数，非线 性等系统
状态 空间法
1.2 Basic Types of Control modes
Closed-loop Control（闭环控制）
A closed-loop control system uses a measurement of the output and feedback of this signal to compare it with the desired output(reference or command).
Contents
（课程内容）
Introduction to Control Systems Mathematical Modeling of Dynamic Systems The Analysis of Linear Feedback Systems in the Time Domain The Root Locus Method Frequency Response Methods The Design & Compensation of Control systems
Automatic Control
在没有人直接参与的情况下，采用控制装臵或机 械（Controller）使被控制对象（Controlled object） 达到预期的目标 。
Research of AC
Classic control theory Modern control theory
方向盘
实际行 汽车 驶路线
视觉测量
汽车方向控制人工职能图
二、闭环控制
V
给 定 电 位 器
给定电压
+ C
R
V
功率放大器 _
D
直流电动机
控制器
n
测速发电机
控制任务：保持工作机械恒速运行.
控制过程： n
n
V
uf
@u
ua
给 定 电 位 器
给定电压
+ C
R
V
功率放大器 _
D
直流电动机
控制器
n
测速发电机
测量装置
扰动
控制器
被控制 对象 输出量
按扰动补偿
1.3 控制系统分类
按控制方式分
按给定值操纵的开环控制 按干扰补偿的开环控制 按偏差调节的闭环控制 复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅 恒值系统(Constant-value) 随动系统(Servo) 程序控制系统(Program control)
U 235 1n 核裂变废料+能量+2. n 5
初始 中子数 + + 有效中子率 中子数 n 能量 中子数 2.5n
U235
闭环控制: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。
闭环控制 典型方框图
扰动
输出量
输入量
控制器
被控对象
特点： 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； 因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。
例:
V
直流电动机转速开环控制系统。
给定电压
功率放大器
R 给 定 电 位 器
V
D
n
生产机构
直流电动机
输出量对输入量没有影响的系统称为开环系统
V
+
R
给 定 电 位 器
V
给定电压 功率放大器
D
电动机
n
转速表
图示: 人工电动机转速闭环控制系统
汽车方向控制系统
预期行 驶路线 偏差 + 比较器 驾车人 -
闭环控制系统的术语和定义
扰动 nt 给定信号 r t 误差 et 控制单元
G1
控制量 ut
控制对象
G2
输出 yt
bt
反馈单元
H
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 偏 差 — 给定信号与主反馈信号之差的信号； 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； 扰 动 — 对系统输出产生不利影响的信号； 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；
开环控制与反馈控制的比较
开环: 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。
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。
闭环: 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。 缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。
按给定值变化规律分
按系统性能分
线性/非线性系统(Linear/Non-linear) 连续/离散性系统(Continuous/Discrete) 定 常 / 时 变 性 系 统 (Time-invariant/Timevariant) 确定/不确定系统(Certainty/Uncertainty)
恒值系统：也称镇定系统。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， 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， 石油部门的恒压系统等。
1-1 Concepts of Control Systems 1-2 Basic Types of Control modes 1-3 Classes of Control Systems 1-4 Principles to the Control system Design （Basic requirements）
按系统性能分类
线性系统 (Linear system)
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：
d c(t) d c(t) dc(t) a n n n a n -1 n -1 n -1 a 1 a 0 c(t) dt dt dt m m-1 d m r(t) d m-1 r(t) dr(t) bm b m-1 b1 b 0 r(t) m m-1 dt dt dt
Open-loop Control（开环控制）
An open-loop control system utilizes an actuating device to control the process directly without using feedback
Composite Control（复合控制）
经典控制理论（Classic control theory）
主要研究的对象：
单源自文库入、单输出线性定常系统的分析和设计问题
现代控制理论（Modern control theory）
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
分析和设计问题
研究对象
数学工具
分析方法
局限性 对复杂多变量 系统、时变和 非线性系统无 能为力 比较繁琐 （但由于计 算机技术的 迅速发展， 已克服)
n n -1
式中：r(t)—系统输入量； c(t)—系统输出量 主要特点是具有叠加性和齐次性。
按系统性能分类
非线性系统 (Non-linear system)
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。 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。
Requirements
（课程要求）
Reference Experiment Exercise Method of exams Class discipline How contact
Chapter 1 Introduction to Control Systems
（In Chinese）
输入量 (电源 )
加热 电阻丝 电炉 恒温箱
输出量
(温度)
开关
控制装置
受控对象
•开环控制系统的方框图
扰动 输入量 输出量
控制装置
受控对象
(b) 方块图
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
u -> t
t －－？
开环控制系统特点：
信号从输入到输出无反馈,单向传递. 结构简单. 控制精度不高,无法抑制扰动.
闭环控制系统的方框图
给定
扰动 执行 受控 控制量 机构 对象 受控系统
r(t)
e(t)
偏差 (-) 参考 信号 输入信号
控制 环节
放大 元件
u(t)
c(t)
被控量
调节器(或控制器)
反馈信号
反馈装置 (测量元件)
•方框图的组成：
输入量 环节名称 输出量 (或特性)
r b (b)
e=r-b
(-)
c
c
引出点 c
(a)
(c)
闭环控制系统的组成
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：(1)比较元件；(2)放大元件；(3)执行元件；(4)校正元件；(5)被控对象；
(6)测量元件。
R(s)
-
放大 整形
串联 校正
-
变换 放大
执行 元件
被控 对象
C(s)
并联校正
测量元件
三. 复合控制(Composite control)
扰动量 输入量
误差
控制器
控制量
控制对象
输出量
反馈量 反馈元件
反馈： 输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程 负反馈： 反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小
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。
风扇叶片 （Controlled Object） 开关或程序 控制电压
Controller 电机 （Actuators）
电风扇的控制
一.开环控制 (Open-loop control)
例: 电炉温度控制系统
分析控制组成
输入量 (Input) 控制装置 术语 被控对象 输出量 (Output)
扰动量