现代控制工程-第一章

TheControlofMechatronicEngineeringSchoolofMechanicEngineeringShanghaiDianjiUniversitySeptember,2008Significance（课程意义）Controlengineeringisanexcitingandchallengingfield.Itisamultidisciplinarysubject,andacorecourseintheengineeringcurriculum.Itiswidelyappliedtothefieldofindustryandagriculture,eventothesociological,biological,ecologicalandeconomicsystems.Itisespeciallyusedinhigh-technologyareassuchasspacecraftcontrolsystem.IntroductiontoControlSystemsMathematicalModelingofDynamicSystemsTheAnalysisofLinearFeedbackSystemsintheTimeDomainTheRootLocusMethodFrequencyResponseMethodsTheDesign&CompensationofControlsystemsContents（课程内容）ReferenceExperimentExerciseMethodofexamsClassdisciplineHowcontactRequirements（课程要求）Chapter1IntroductiontoControlSystems（InChinese）1-1ConceptsofControlSystems1-2BasicTypesofControlmodes1-3ClassesofControlSystems1-4PrinciplestotheControlsystemDesign（Basicrequirements）在没有人直接参与的情况下，采用控制装置或机械（Controller）使被控制对象（Controlledobject）达到预期的目标。AutomaticControlResearchofACClassiccontroltheoryModerncontroltheory经典控制理论（Classiccontroltheory）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现代控制理论（Moderncontroltheory）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经典控制理论单I/O线性定常系统微分方程，传递函数时域法频域法根轨迹法对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力现代控制理论多输入-多输出变系数，非线性等系统线性代数、矩阵理论状态空间法比较繁琐（但由于计算机技术的迅速发展，已克服)Closed-loopControl（闭环控制）Aclosed-loopcontrolsystemusesameasurementoftheoutputandfeedbackofthissignaltocompareitwiththedesiredoutput(referenceorcommand).Open-loopControl（开环控制）Anopen-loopcontrolsystemutilizesanactuatingdevicetocontroltheprocessdirectlywithoutusingfeedbackCompositeControl（复合控制）1.2BasicTypesofControlmodes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-loopcontrol)例:电炉温度控制系统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)输出量输入量开关加热电阻丝电炉恒温箱受控对象(温度)扰动量控制装置(b)方块图扰动输出量输入量控制装置受控对象•开环控制系统的方框图开环控制系统特点：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.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-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.给定电压给定电位器直流电动机DVR功率放大器V生产机构n例: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给定电位器给定电压电动机转速表VRD功率放大器+Vn图示: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+-偏差方向盘给定电压给定电位器+_控制器功率放大器直流电动机测速发电机DnCRVV二、闭环控制控制过程：给定电压给定电位器+_控制器功率放大器直流电动机测速发电机DnCRVV控制任务：保持工作机械恒速运行.nuf@uuan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反馈元件控制器控制对象扰动量反馈量控制量输出量误差输入量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。235125Unn核裂变废料+能量+.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: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。输入量输出量闭环控制典型方框图扰动输出影响输入，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。特点：控制器被控对象-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。反馈单元控制单元控制对象tb1G2G给定信号tr误差te控制量tu扰动tn输出tyH闭环控制系统的术语和定义主反馈—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；输出量环节名称(或特性)输入量(a)(-)(b)re=r-bb(c)c引出点cc•方框图的组成：被控量偏差信号(-)参考输入信号r(t)调节器(或控制器)u(t)受控系统e(t)c(t)反馈信号控制量扰动给定控制环节放大元件执行机构受控对象反馈装置(测量元件)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。放大整形串联校正变换放大执行元件被控对象测量元件并联校正--R(s)C(s)闭环控制系统的组成被控量输入信号(-)补偿装置控制装置受控对象按输入补偿三.复合控制(Compositecontrol)按扰动补偿(Disturbancecompensation):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。因此，控制精度有限.控制器被控制对象扰动输出量测量装置按扰动补偿线性/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/Time-variant)确定/不确定系统(Certainty/Uncertainty)按控制方式分按系统性能分按给定值变化规律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(Programcontrol)1.3控制系统分类恒值系统：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。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。线性系统(Linearsystem)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：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。c(t)adtdc(t)adtc(t)dadtc(t)da011-n1-n1-n1-nnnnnr(t)bdtdr(t)bdtr(t)dbdtr(t)db011-m1-m1-m1-mmmmm按系统性能分类非线性系统(Non-linearsystem)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。按系统性能分类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。稳定性示意图.稳定性(Stability)：是保证控制系统正常工作的先决条件。.快速性(Quickness)：动态性能，有指标。.准确性(Accuracy)：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)、(b)非周期振荡；(c)发散振荡；(d)、(e)收敛振荡；(f)等幅振荡。导论----Open-loopvs.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(Feedback)是控制的精髓结论知道控制的概念，易！实施恰当的控制，难！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。收缩对象→经典控制！课程目