一。 目录 11.11循序渐进的设计示例：磁盘驱动读取系统.(562) 11.12小结 (564 第十二章 鲁棒控制系统 (574) 12.1 (5751 12.2 鲁棒控制系统和系统灵敏度 (575) 123鲁棒性分析.**. 12.4不确定参数系. 12.5鲁棒控制系统设计 (582) 12.6PID控制器 (587) 12.7鲁棒PD控制系统设计 (588) 12.8设计实例：飞机自动驾驶仪 (593) 12.9太空望远镜控制系统的设计 (593 12.10绕线机鲁棒控制系统的设计 (595) 12.11鲁棒内模控制系统. (597) 12.12超精度钻石切削机设计 (599) 12.13伪定量反馈系统. (601) 12.l4用MATLAB设计鲁棒控制系统. {603 12.15循序渐进设计示例：磁盘驱动读取系统 (605) 12.16小结· (607) 第十三章数字控制系统. (623) 13.1引言 (624) 13,2数字计算机控制系统的应用 (624 13.3 数据采样系统 (626) 13.4g变换 (628) 13.5闭环反馈数据采样系统 （631 13.6 平面上的稳定性分析 (633) 13.72阶数据采样系统的性能 (635) 13.8带有数字控制器的闭环系统 (637 13,9工作台运动控制系统的设计 13,10数字控制系统的根轨迹. (641 13.11数字控制器的实现. .(644） 13.12用MATLAB设计数字控制系统.(645) 13.13循序渐进设计示例：磁盘驱动读取系统 (649) 13.14小结 附录.(657) 译者附录 (657)
目最 5 11 . 11 循序斯进的设计 例，磁盘驱动读取革统. . . . . . . .• . . . . . . . . . (562) 1.1 小结. . .·.". • . . . . . . . . (564) 第十二章鲁梅撞制系统. . . . . . ." . . . . . (574) 12.1 ". .". . . . . . . . . . . . (575) 12.2 鲁棒控制系统和系统直敏度. " .". ,. . . . (575) 12.3 鲁梅性分析. .、. . . . . . . . . (578) 12.4 不确定事敬罩。. . . ,.-. (细则 12.5 鲁摔控制系统设计 . •. . . . . .,. . . . (582) 12 .6 lD控制器 . · . . . (587) 12 .7 鲁障同 控制革统设计 .田. . (588) 12.8 世计实例·飞机自动驾破仪. . . . (593) 12 . 9 太空望远镜控制罩统的设计. . . . (593) 12 10 绕线机鲁棒控制革统的设计.' . . . . (595) 12.11 鲁棒内模控制矗统. . . . (597) 12.12 翅精匮钻否切削机设计. . . (599) 12 . 13 伪定量反馈罩统、 . .,. . (601) 12.14 MATL届世计鲁棒控制革统. . (603) 12.15 循序渐进设汁示例:磁盘驱动读取革镜. . . (605) 12 . 16 11 、结.-. ,-,. . (607) 第十三章数字控制系统." .川. . . (623) 13 .1 . . . . . . . . . .-.".', . (624) 13 .2 数字计算机控制革统的应用 . . • . (624) \3 .3 数据果样革统. . . . . . . . . . (626) 13.4 变换 . . . . .，.川. . .川.- ι5 闭环反馈数据来样矗统 . .". (631) 13.6 平面上的稳定性分析. . (633 ) 13.7 阶数据聋样革统的性能 . . .·川.·川. (635) 13ι 带有数字控制嚣的闭环系统 . .·. . ". (637) \3 .9 工作自运动控制革统的设计. . . (639) \3.\0 数字控制革统的根轨迹. . . .".".". . (641) 13.11 数字控制器的实现. .". (644) \3 . 12 MATLAB 设计数字控制革统"，. . (645) 13. \3 循序渐进设计示例·磁盘驱动读取革统.·.- . (649) 13.14 小绪 . . . . . ,. .,.,. (650) 附录. . . . . . . . . . . •• . . . . . . . . . . . . . . .川. . . . • 译者附录 . . . ,. . 川. . .川. . . 川.川. . . . 川. . .川 . . .川川 . . . . 川'川. . . .川 . 川.忡.川川. . .川. . ，川.'"川 . . . .川.川 . . . 门.川. . (65 7)
6 目录 附录AL8 place变换对.(658) 附录B符号、单位和变换因子.(660) 附录C矩阵代数初步.(662) 附录D分贝转换表. (670 附录E复数.(671) 附录F MATLAB基础.(674) 附录G之变换对. (689)》 参考书目. .(690）
6 一-' . . ，. 目最 附最 La.place ~换对. . . . . . . . . (658) 附景 符号、单位和变换因于. . ." . . (660) 附录 姬阵代敷初步.". . ·‘ . . . (662) 附最 分贝转换表 . · . . (670) 附最 重量 . . . . . (671) 附录 MATLAB 基础 . . (674) 附录 %~换对 . . . . (689) 参考书目 . ". . ." " . ". .,. (690) ·••
第一章 控制系统导论 1.1引言 1.2自动控制简史 1.3反情应用两则 1.4控制工程实践 1.5现代控制系统举例 1.6自动装配与机器人 1.7控制系统前瞻 1,8工程设计概述 1.9控制系统设计概述 1.10设计实例：转盘速度控制 1.11设计实例：脆岛素注射控制系统 1.12循序渐进设计示例：磁盘驱动读取系统 提要 本章介绍了控制系统设计的一般过程。控制系统是为了达到预期的目标而设计的，它由 相互关联的部件组成。为加深对控制系统的理解，从历史进程中回顾和审视一些实例是不无 俾益的。早期的控制系统已经采用了许多有关反馈的概念，这些概念与目前使用的概念具有 相同的内涵。 现代控制工程实践包括为改进生产过程而引人控制论思想：能藤的有效利用：先进的汽 车控制（如高速传动控制）等方面。本章将介绍控制工程的这些饶有趣味的应用实例。 本章还讨论了设计差异这一概念。设计差异或不足缘于我们所研究的复杂的实际系统 与进行控制系统综合时所采用的模型之间存在着差异。设计过程具有不断重复、不断完善的 内在特性，这种特性使得我们可以有效地域小设计差异，同时在复杂性、性能和费用等指标之 间达成必要的折表，最终满足设计要求。 最后，本章介绍了循序渐进的设计示例一磁盘驱动读取系统。这个例子将在本书各章 中逐步加以深化，它既是非常重要的实际控制系统设计问题，又是有益的学习辅助示例。 1.1引言 工程技术是通过理解并控制自然而造福人类的。控制系统工程师通过理解和控制他们
章控制系统导论 1.1 il 1. 2 自动控制简史 1. 3 反馈应用两国 1. 4 控制工程实践 1. 5 现代控制品统举例 16 自动裴配与机器人 1. 7 控制品统前瞻 1. 8 工程设计概述 1. 9 控制革统说什概边 1.10 设计实例:转盘速度控制 1. 11 设计实例:政岛章，豆射控制革统 1.12 循序渐进设计示例:磁盘驱动唾取革统 本章介绍了控制系统世汁的-般过哩。控制荼统是为了达到预期的目标而设计的，它由 相瓦英联的部件组成 为加探对控制革统的理解，从历虫进程中回颐和审视-些实倒是不无 悔益的 早期 的控制罩统己盘来用 件多有主反髓的幢念，这 些幢 与目前使用的概念具有 相同的内洒 现代控制工程实践包括为改进生产过程而引人控制论思想，能睡的有政利用;先进的汽 车控制(如高速传动植制)等方面 本意将介绍控制工窑的这些饶有趣味的应用实例 丰章还讨论丁设计量异这 帽念。设计量异蓝 本足缘 于我们所研 的盟章的 实际系统 与进行控制革统综合时所来用的模型之间存在 差异。设计过程具有不断重量、不断完善的 内在特性，这种特性使得我们可以有敢地减小设计 异，同时在复杂性、性能和费用 等指标 间达成必要的折衷 最缉满足设 要求 最后， 本章介绍了 循序断进的设计 例一一酷盘!lIl动读匾罩挠 这个例于 将在 书岳章 中理步加以捏住，它既矗非常重要的实际控制i\镜设计问题.直是有益的学 辅助最例 1.1 51 工程撞车是通过理解井控制自然而造福人亮的@擅制革统工程师通过理解和控制他们 -→唰
2 第一章控制系统导论 周边环境的一部分—即所谓的系统，为社会提供经济实用的产品。理解和控制，这种双重 目标是相辅相成的，因为对系统的有效控制需要对系统的理解和建换。不过，控制工程也常 常不得不考患对尚未充分理解的系统实施控制，如对化工过程的控制。控制工程师当前面临 的挑成，是对诸如交通管制系统、化工过程、机器人系统等复杂的、关联性强的现代系统进行 建模和控制。所幸的是工程师已能对许多感兴趣的实用工业自动化系统实施控制。或许控 制工程最显著的特征就是对各类机器、工业生产过程及经济活动过程等实施控制，以直接造 福于杜会。 控制工程以反馈理论和线性系统理论为基础，并综合应用了网络理论和通信理论的有关 撒念。因此，控制工程并不局限于任一单个工程学科，而是在航空工程、化工工程、机械工程、 环境工程、土木工程、电气工程等工程学科中都有同样广泛的应用。例如，一个控制系统通常 会包括电子、机械和化工部件。另外，随着对商业、社会和政治系统运动规律的进一步认识， 人类对它们的控制能力也将逐步增强。 控制系统是由相互关联的部件按一定的结构构成的，它能提供预期的系统响应。系统分 析的基瑞是线性系统理论，它认定系统各部分之间存在因果关系。因此，受控部件或过程可 以用图1.1所示的方框来表示，其中的输入~输出关系就表示了该过程的因果关系，换句话 说即表示了对输人信号进行处理以获取输出信号的过程，该过程中通常都包含有功率放大环 节。如图1.2所示，一个开环控制系统利用控制器或控制执行机构去获得预期的响应。开环 控制系统是没有反馈的： 人对象色 损阴物出悠一执行内一一对象☐一输出 图1.1受控对象 图12开环控制系统（无反馈） 开环荐制系轮在没有反坡的情况下，利用执行机构直接控例受控对象。 与开环控制系统不同，闭环控制系统则增加了对实际输出的测量，并将实际输出与预期 输出进行比较。对输出的测量值称为反债值号。一个简单的闭环反馈控制系统如图13所 示。反馈控制系统通过比较系统变量的某些函数，并将比较所得的偏差作为控制的依据，从 而逐步使系统变量之间保持著预定的关系。 测 图1.3闭环反馈控制系统（有反锁） 反馈控制系统实施控制时，常用一个函数来描述参考输人和实际输出之间的预定关系。 通常的做法是，将受控的过程输出与参考输入之间的偏差子以放大并用于控制受控过程，以 使偏差不断减小。反馈的概念已经成为控制系统分析与设计的基跑
• 2 第-章桩'回藏镜导地 周边环境的-部 if-一即所谓的事簸，为社告提供经拼实用的产品 理解和位剖 这种理重 目标矗相辅相成的，因为对矗统的有最控制需要对矗蝇的理解澜踵棋 不过 控制工理也常 常平帽不考血对尚未直分理.的革统实施控制，如对化工过疆的控翩 控制工程师当前面临 的挑战，矗对诸如吏通曹割草统 化工过程 机器人 lJ， 班尊重帝的 提醒性强的理代罩统进行 l!模和控制 所掌的是工程师已瞌对许多感具趣的实用工业自动化矗统实施控制 量许控 制工程量盟馨的骨证鹏是对各费肌嚣 业生产过程且经挤活动过程等 施徨制，以直接造 福于社盘 控制工理以反馈理论和线性系统理论为基础，并综合应用了网蠕理论和通信理论的有主 幢念 因此，控制工程井不局限于任-单个工程学科.而是在航空工 程、化工工理、机械工程、 环撞工程 、土木 工程 电气工程曙工程学科中都高同样广泛的应用 例如 控制罩在通常 生包括电子 机幢和化 部件 另外，随着时商业 社会和政情罩统运萌规槽的进一步认识， 人樊对它们的控制能力也将理步增 控制罩雄是由相互关耻的部件按 直的结构构成的，它能提供预期的矗镜响 应。 革统卦 析的基础是线性罩统理由.它认定矗统各部分之间再在因果提罩.因此，量控邮件或过程可 以用固1. 厨嚣的方框辈辈示，其中的输 输出荣革就班 1~过程的因果关矗，提句话 说阳囊;;: 信号进行扯理山在融输出值导的过踵，该过程中通常都包古有功事且大环 如回\.2所 示个开环撞刷1II锐利用控制器噩控制执行 掬去 帽圃朔的响应 开环 撞倒 民统是世萌巨馈的 旦旦 输出 1. 景撞对草 固1.2 干坏植刨 民蝇{无E 愤 与开环控制罩统不同，闭环控制矗统则增加了时实际蛐出的测量.井将实际输出与预期 蛐出进行比较 对输出的测量值廓为 馈蛐哥 -个简单的闸环匾'擅制事统如囱\.3所 惯~制罩镜通过比较罩统壁量的某些函数，井将比较所得的偏量作为控制的11:据.从 商量步幢罩镜置量 间~持曹预定的提罩 I!!. '咱愈 .幽 '量 圄1.3 闭环反馈撞倒罩统(有巨幢 惯控嗣矗统在匾惶制时，常用一个函撞来描述盎带输入和实际输出之间的胃定某罩 通常的做法矗 将量控的过程输出与事考输入之间的帽量予以放大井用于控制量撞过程，以 幢幢量不断减小 帽的慨;t已经成为控制革统分析与设计的矗础
1.2自动控制简史 用环控制系统对输出进行侧量，将此测量信号反被，并与顶期的缩人（参考或指◆输人 行比较。 由于受控系统日益复杂，以及人们对获得最优性能的兴趣与日俱增，近十余年来，控制系 统工程变得愈来愈重要。受控系统的复杂化要求我们设计控制方案时必须考虑多个受控变 量间的相互关系。描述多变量控制系统的框图如图1.4所示。 控制器 对象 1,4多变量控制系统 一个常见的开环控制系统的例子是厨房里的面包电烤炉。一个闭环控制系统的例子则 是驾驶汽车的人，他用眼睛观察汽车在道路上的位置并适时调整。 反馈的引人使我们能控制系统以便得到预期的输出，改普控制的精度，但它同时要求我 们对系统响应的稳定性给予足够的重视。 1.2自动控制简史 利用反馈对系统实施控制有着多彩的历史。最早的反馈控制实例可能是公元前300年 ~公元前1年之间在古希腊出现的浮球调节装置[1.2,3]。大约在公元前250年，Philon发 明了油灯，该灯使用浮球调节器来保持燃油的油面高度。生活在公元1世纪前后的重历山大 人Hron,曾经出版过一本名为《气体力学)的书，书中介绍了几种利用浮球调节器控制水位的 方法[1]。 近代欧州最早发明的反馈系统是荷兰人Cornelis Drebbel(1572-1633)发明的温度调卡 器[1】，Dennis Papin(1647-1712)则在1681年发明了第一个锅炉压力调节器，该调节器是 种安全调节装置，与目前压力锅的减压安全国类似。 人们普通认为最早应用于工业过程的自动反馈控制器，是James Watt于1769年发明的 飞球调节器，它被用来控制蒸汽机的转速[1,2]。图1.5所示的机城装置用来测量驱动杆的 转速并利用飞球的转动来控制阀门，进而控制进入蒸汽机的蒸汽流量。当转速增大时，飞球 离开轴线，重心上移，于是关紧阀门。由于飞球转动也需要蒸汽机提供动力，因此速度的测量 精度会有所降低。 俄国人则断言，最早的具有历史意义的反馈系统据说是由,Pol2uov于1765年发明的 用于水位控制的浮球调节器[4]。该水位调节系统见图1.6，浮球探测水位并控制盖在锅炉人 水口上的阀门
1.2 动位制简史 3 由于曼控罩班日益重菇，以且人们对获碍最优性酷的 趣与日俱增， 丘十最年章，控制显 提工程JI'捕量来量重要 量植革统的复杂也要求费 世计控制方案时 期考串$个量挂 量间的 帽互荒草 描迫蚕豆量控制思统 的框图如图1. 示。 .a 对想 ，输出 棚. 14 置量控制系统 个常且的开环控 系统的倒 是厨房里的面包电烤炉 个闭环挂制革统的例子则 是四极向革的人，他用眼睛现事汽车在道路上的位置井适时调整。 匠惯的引人使我们能控制草坡以使得到预期 的输出， 苗曹控制的楠匮 但 t 同时要求我 们对革镜响应的瞌定性结于足够的重视 1. 2 自动控制简史 利用 胡对革统实施控制有曹多馨的历虫 最早的 帽控制实例可能是公元前 300 ~公元前 之间在古希腼出现的#璋调节量置 [1. 2.3 ]。 大约在 元前 250 .Phi 明了油灯.~灯便用潭球调节辑来惺持德泊的油面高度 生悟在公元 纪前后的亚历 山大 Hero ，曾 经出版过 本-l!:为 体力 的书，书中介绍了几种利用坪~调节器控制在值的 方桂 1] 0 近代欧州最早发明的 愤~统是荷 Corn 1õ D,.bbeH 1572 - 63)) 左明的温E 调 [l J， De nnis Papin0647 -1712 681 量明了第 个锅伊压 调节器 .m 调节器是 种安全调节在置， 目前压力锅的眼压安 阀类似 人们曾遭认为最早应用于工业过 的自动直愤控制 James Walt 1769 年:t明的 飞球调节器， 官髓用来控制嚣汽矶的转速 .2 因1. 所革的机械辈置用来测量驱动忏的 精遭井和 用飞球的转动来控制阀门.进而控制进入嚣汽机的藉汽流量 当转速增大时 ，飞璋 离开轴线，重心上略，于是提置阀门 由于飞球转动也需要酶汽机提供功力，因此遭庄的测量 匮舍有所降低 障国人则断菌，最早的具高历史意义的反馈革统据说是由 1. lzunov 1765 年盎明的 于草也 控刷的博球调节器 4] 。该草也调节罩统且 固1. ，谭球探测水位井控制盖在锅炉入 水口上的 阀门 -一 一一