《现代控制理论》课程教学资源——现代控制系统中文图书_现代控制系统第八版－经典

第一章控制系统导论两个系统摄念或特性从不同的途径要求系统趋向同一个目标，直可谓是殊途同归，图1.18说明了这一点。现在的工业机器人已具备了相当大的自主性，一旦确定了控制程序，机器人通常不需要人的进一步干预。但由于传感技术的局限，机器人适应工作环境的变化的柔性却十分有限，这也是开展计算机视觉研究的原因之一。一般意义下的控制系统具有很强的环境适应性，但它依赖于人的及时指导。展望未来，先进的机器人系统将通过改进传感反馈机制，变得具有更强的任务自适应能力；有关人工智能、传感器集成、计算机视觉和离线CAD/CAM编程等技术的研究，将使机器人系统变得更加通用和更加经济；一般意义下的控制系统将朝着增强自主运行能力的方向发履，成为人工控制的延伸：在监督控制、人机交互等方面的研究将减轻操作手的负担：计算机数据库管理也将提高操作手的工作效率。此外，还有许多研究工作，如通信方法的改进和高级编程语言的开发等，对机器人和控制系统的发展同样起着推动作用，并且有利于降低工程实现的费用和扩展控制工程的应用领城。高十程式化的自动化智能系统可扩展的柔性和自主性改进要点动力工具 ,人工智能 P敷控系统 d手工工具功能扩展的工具任柔性国1.18控制系统和机酷人的未来发 1.8工程设计概述工程设计是工程师的中心工作，它是一个复杂的过程，创新和分析在其中占据着重要的地位。计就是为达列特定的目的，构思立创建系能的结构、组成和技术塑节的过智设计活动可认为是在规划着一个特定产品或特定系统的诞生。设计是一项创新活动，工程师创造性地运用他所拥有的知识和材料，确定系统的结构、功能和物理构成，其主要步骤是；

1.8工程设计概述 15 (1)明确用户需求，包括从公共致策制定者到普通消费者在内的各个社会群体的需求；(2)论证设计要求，详细确定应该有什么样的解决方案以及怎样才能满足用户需求：(3)开发设计多种满足设计要求的解决方案；(4)选定解决方案并加以详细技术设计和技术实现。现实生活中，影响设计工作的一个重要因素是时间限制。设计工作要遵从规定的进度安排，因此入们只好去设计“足够好”但未必理想的产品。在很多情况下，时间成了决定设计优劣的唯一因素。设计师面临的一个主要挑战是撰写技术产品的设计规范。规范是对装置或系统将是什么和将能徽什么的简洁而明确的说明。系统设计的根本目的就是要达到合透的技术指标，为此，必须慎重考虑的4个方面有：设计复杂性，折衷处理，设计差异和设计风险。设计复杂性主要源于设计的多样性。在设计过程中，有众多的设计方法、设计工具、设计思路及相关知识可供选用，难于取舍。此外在设计过程中，需要同时考虑的因素很多。例如，在一项具体设计工作中，不仅要确定这些因素的相对重要性，以便在设计中统等取舍，还要以数值和或书面形式明确界定它们的内涵，这些都表明了确定设计规范的复杂性折衷处理是指在两个所期望的但又彼此冲突的性能指标或设计准则之间，为达成某种协调而作出的决策。设计过程经常要求在各种所期望的但又彼此冲突的设计准则之间达成有效的折衷。在技术产品的设计生产中，最终产品常常不能与原先设计和想像的完全一致，例如，对生产中需要解决的问题，我们的理解可能与该问题的书面技术说明并不一致，最终将导致产品不符合设计规范。这种差异在从主观设计到客观实现的过程中，是内在的，本质的东西，是必然会出现的。不可能对产品技术性能有绝对自信的预测和把握，这是所设计的产品具有不确定性的主要原因。不确定性表现为系统出现未曾预料的后果，即风险。因此设计活动是一项必须承担风险的活动。设计新的系统或产品时，复杂性、折表，差异和风险是设计工作所固有的，虽然通过周密细致的研究，可以在具体设计工作中减小它们的不良影响，但它们却始终存在于设计过程中。在工程设计中，分析和综合是两种必不可少而且非常重要的思维模式，两者之间存在者根本的差别。分析关注的焦点是所研究的物理系统的各种模型，并通过对模型的分析得到真知灼见，确定设计改进的方向。而缘合则侧重于构建所设计的新的系统。在得到理想的设计方案之前，设计工作会沿着多个方向进行。设计工作同时也是一个选择和细化的过程，设计师在为满足实际需求作出创新的同时，还得考虑现实条件的限制。设计过程本质上是一个不断重复的过程，但我们终究需要找到一个起点，因此成功的工程师为了设计和分析的方便，总是尝试着对复杂系统进行适当的简化。复杂的实际系统与设计模型之间存在差异是不可避免的，因此设计差异便作为固有现象存在于从初始创意到最终产品的整个设计过程中。直觉告诉我们，从初始创意开始逐步改进设计，比一开始就试图完成最终设计要容易得多。换句话说，工程设计不是一个线性过程，而是一个循环往复、非线性和创造性的过程

一一-一一 ' .8 理由汁'腿迷 " (I)明确用户需求，包括从共政置制定者到膏通消费者在内的各个社会'丰体的需草， (2 )论证设计要求，详细确定应班有什么样的解诀古草以且::!!样才能晴且用户需草，(J)开芷设计多种精足设计要求的解快方章; (的选定解捷方*井加以详细技本世计相挂草草理理Jl:生活中，摩响设计工作的-个重要因章矗时间限制。设计工作噩噩从规定的进度安排.因此人们只好去设计"足够好"但未必理盟的严晶 11 事情配下，时间血了决直设计蛮的11\1-因章惶叶师面临的-个主要挑战是撰写技本产品的设计规施规革是对肇置或革统将是什相将能做什么的简植而明确的诅明 ~筑设计的阳本目的就是要适到告适的技幸指悻，为此，必事慎重考虑的个方面有世叶置<I!性，折衷扯理，设计量异和世计风险设计量串性主要濒于世计的事样性。在世计过程中.有应辜的设计方桂、民计工具、设思路且相提知识可供.用，难于取舍此外在设计过理中，需要同时考虑的囚章捆事例如. 项具体世计工作中，不但要确定这些因章的相时置'性，以便在设计中统篝取舍、还要以量值和草书面罪式明确界~t:们的内画，这些都遭明设计舰璋的直如性青襄处理是指在两个所期望的但丑幢此冲的性幢指标 iit 设计准则之间为造成"仲协调面作出的I!è壤。设计过程佳常要靠在各种所期盟的但旦植此忡亮的世计准则之间远成高晴的折.l! 在技术产品的设计生产咿，量!t产品常常不能与原先诬汁和思曲的完全毅，例如，对生产中需要解决的问题，我们的理解可能与该问题的书面技术诅明井不致，最终掉\t lit 产品再告世计埋范这种噩异在从主 lt 世计到事现实现的过程中，是内在的 *.!Ii的束西.是必酣舍出现的. 不可能对产品植本性能有绝对自倍的预测租把握.这是所由计的产品具有不确定性的主要原因不确定性牵理为巨辑出现未曾预料的后果，即凤险因此设计活动项必辑草担风险的活动。世计新的革统或产品时，重申性、折罩、董异租凤险是量计工作所固有的，虽黠通过周密细致的研究.可以在具体设计作中减小官们的不但"响，但它们却始酶存在于世计过程中程设计中，分析和鲸音是两种必不可少而且非常重要的思撞檀式，两者之问存在蕾帽本的矗剔分析关注的焦点是所研究的物理罩挠的各种模型.井通过对模割的分析得到真如灼见确定惶计1.1:进的而罐啻则侧重于掏量所世汁的庸的显镜在得到理想的由计方罩之前，设计工作告括晴多个方向进行世计工作同时也是一个选鼻和细化的过程.世计师在为楠且其际需求作出创新的同时，还得考虑理主最件的限制 ii 计过醒本质上是个不断草草的过程，但我们些究需要拽到一个起点，因此血功的工理师为了设计和分析的方便，且矗垂试着对复盘系统进行适当的简化里帝的事际罪统设计檀型之间存在盖异矗不可避免的，因此设计量异便悻为固有现在存在于从初蜡创意到最亮产品的整个设计过程中直觉告诉艳的.1<初始创章开蛐置步政进设计，比开始就试图完成矗终由计要事属回事. ~句话说，工程世计平是个线性边疆，而矗}个循环在罩、非线性和创造性的过程. 中一

16 第一章控制系统导论最有效的工程设计主要采用参数分析和优化方法。参数分析基于：(1)确定关键参数 (2)确定系统结构，(3)评估所选系统结构满足设计需求的程度。这3个步骤构成了一个偏环。一旦确定了关键参数和系统结构，设计师就可以对其他参数进行优化。在典型情况下，设计师将集中精力只对确认的一组有限的参数进行优化设计。 1.9控制系统设计概论控制系统设计是工程设计的一个特例。同样，控制工程设计的目的也是逐步确定预期系统的结构配置、设计规范和关健参数，以满足实际的箭求。设计过程的第一步是确立系统目标。例如可以将精确控制电机的运行速度作为控制目标。第二步是确定要控制的系统变量（如电机速度）。第三步是拟定设计规范，以明确系统变量应该达到的精度指标，如速度控制的精度指标。所要求的控制精度将指导我们选择用于测量受控变量的传感器。对系统设计师而言，首要的任务应是设计能达到预期控制性能的系统结构配置。系统通常的结构配置如图19所示，包括传感器、受控对象、执行机构和控制器。其次是选定执行机构，这当然与受控对象有关，应选择能有效调节对象工作性能的装置作为执行机构。例如，如果想控制飞轮的旋转速度，就应选择电机做执行机构。再次，应选择合适的传感器，在实施电机速度控制时所选传感器应该能精确测定转速。这样便可得到控制系统各个组成部分的模型。接下来就是选择控制器。它通常包含一个求和放大器，通过它将预期响应与实际响应进行比较，然后将偏差信号送人另一个放大器。设计过程的最后步骤是调节系统参数以便获得所期望的系统性能。如果通过参数调节达到了期望的系统性能，设计工作就告结束，可着手形成设计文档。否则，就稀要改进系统结构配置，甚至可能需要选择功能更强的执行机构和传感器。此后就是重复上述设计步骤，直到满足了设计指标的要求，或者确认设计指标的要求过于苛刻，必须放宽指标要求。图1.19 总结了控制系统的设计过程。性能规范应对闭环系统所要达到的性能作出说明，通常包括：(1)抗干找能力，(2)对命令的响应能力，(3)产生实用执行机构驱动信号的能力，(4)灵敏度，(5)鲁棒性。功能强大且价格适中的计算机以及高效的控制系统设计与分析教件的出现，戏剧性地影响着上述设计过程。例如，采用了最先进的航空飞行技术的民用客机波音777，几乎完全是通过计算机设计的[62.63]。在高度真实的计算机仿真试验中验证最后设计方案也因此成了设计工作的一个基本工作项目。在许多实际工程中，都需要花费大量的时问和资金，在通真的仿真中反复验证控制系统设计方案。例如，在最终制造出第一架实物飞机之前，波音77在高度通真的仿真环境中进行了大约2400次的飞行试验和测试。计算机辅助设计和分析的另一个突出的例子是McDonnell Douglas Delta Clipper公司的试验型飞行器DC-X,它从设计、制造到投入飞行仅用了24个月时间。据估计，计算机辅助

.呵町." 16 串拿捏制军!!t导诠最离般的程设计主要菲用在数廿忻和优化方哇事盘分析基 1 )确定韭键垂数， (2) 确定革统结构， (3 )评估所造系统结构瞒足设计需求的程度个步黯构成了个插坪。旦确定了韭键茜散布革统结构，设计师就可以对其他敢进行优化在典型情现下，设计师将集中精力只对确认的-坦曹限的垂敢进行优化设计 1. 9 控制系统设计概论控制革统设计是工程设计的个特例。同样控制工程设计的目的也是理步确定预期墨镜的结构配置设计规植和键垂盘.以满且实际的需求设计过程的第一步是确立辈就自怀例如可以将精确控制电机的运行速度作为控制际。搞二步是确定要控制的草统~量(如电机速度)。第三步是拟定设计规毡，以明确革统变量~1.眩达到的精匮指标，如速度控制的精度指标所要求的控制精度将指导我们选择用于测量噩控变量的传感器对革统设计师而，首要的任务应是由计能边到预期控制性能的系统结构配置系统通常的结构配置如固1. 示. 包括传感器、呈控对盘、执行机构和控制器其在是选定执行肌构，这当然费控对最有关，应选择能有放调节两靠作性酷的最置作为执行机构例如，如果想控制飞轮的旋转速度，就应选择电机做执行机构再在，应选择合适的情感器，在实施电机速匮控制时所遗传感器应谁能精确测定转理这样便可得到控制革统各个组成部分的模下来就是选择控制器 'Ë 通常包吉个求和放大器，通过它将预期响应与实际响应进行比较，然后将偏量信号送入另个跟大器设汁过程的最后骤是调节系统敷以值班得所期望的革统性能如果通过垂鼓调节达到了期望的罩统性能，设计作就告结束，可着手形成设计丈档。否则，就需要改进革统结构配置，甚至可瞌需要撞择功能更强的执行机构和传感器此后就是重量上述民计步罪，直到满足了设计指悻的要求，盟者确认世计指的要求过于苛刻，必须脏宽指标要求固1. 19 且结了控制系统的设计过程性能姐I!:应对闭耳月在统所要墙到的性能作出现明.通常包括(1)抗干扰能力， (2) 两命的响应能力， (3 )产生实用执行机构驱动信号的能力. (4) 里敏度. (5) 鲁律性功能强大且价格适中的计算机以及高姓的控制革统设计与卦析软件的出现，政剧性地黠响着上述世计过哩例如.量用了最先进的航飞行挂术的民用客机匪音 777. 几乎完全是通过计算机世计的 [62.63] 在高度真实的计算机曲直试验中瞌证最后设计 jj 章也因此成了设作的 +基本工作项目。在许多实际工程中，都需要花费大量的时间和资金，在矗真的仿真中反革验证控制系统设叶方室例如，在最~制造出第架实物飞机之前，植音 777 高匮矗真的仿真环境中进行了大约 2400 院的飞行试验和测试计算机辅助设计和分析的另-个亮出的例 McDonneU Douglas Delta Clipper 公司的试验型飞行器 DC-X. 官从设计制遭到投入飞行仅用了 24 个月时间据估计，计算机辅助 ·.一-

110设计实例：转盘惑变控制 17 鹏立控制目标确定整制变量给定各变景控制要求（设计指标）确定系皖结构，速择执行机构若性衡建立对象、执行机构和传感餐额型健立控制登模型，选择关健持调参定系统构和选择执行机构「优化系统参数，分析系统性能若性葡满足规范要求，则设计工作结束。图1.19控制系统设计过程设计工具和自动代码生成对资金节省和时间节省的贡献分别高达80%和30%[64]。总之，控制系统设计同题的基本流程是：确定设计目标，建立控制系统（包括传感器和执行机构)模型，设计合适的控制器或断言不存在满足要求的控制系统。 1.10设计实例：转盘速度控制许多现代装置都利用转台驱动盘片匀速旋转，例如CD机、计算机磁盘驱动器、留声机等都需要在电机和其他部件发生变化的情况下，仍然保持盘片恒定的旋转速度。我们的目的就是为转台设计一个速度控制系统，以保证实际转速保持在允许范围之内[43,46]。我们将同时讨论无反馈和有反馈的控制系统。为驱动盘片旋转，我们选择直流电机作为执行机构，它能提供与电压成比例的转速，选取直流放大器来提供电机的输人电压，放大器应具有足够的功率。开环系统（无反馈）如图1.20()所示。该系统利用电池提供与预期速度成比例的电压电压经放大后作用于驱动电机。图1.20(6)所示的框图标明了开环系统的控制装置、执行机构和受控对象。要得到具有图1.9所示的一般形式的反馈系统，需要选择一个传感器。转速计是一种有用的传感器，它能提供与转轴速度成比例的电压信号。以转速计作传感器，便可得到图 1.21(a)所示形式的闭环反馈系统，其框图则如图1.21(b)所示。偏差电压信号是由输入电压与转速计输出电压比较相诚后得到的

著位'自不能搞且越班要求，则重'既确富系统结掬和选择执行机掏 1. 10 设计案例.转盘速度'费制 .立缝制目标确定撞倒变量 '食定*变'量，壁" 要求(设计指标) 确定系统结构，遍，摩执行舰掏建立对象执行机"和传1111植盟啤立撞倒'植盟，逸'摩盖.待调.' 优化赢镜，徽，分析蕉'在性. 着性能满足规范要求"因设计工作结禀。因1. 19 控制系统馒计过程世汁具和自动代码生成对贵盘节省相时间节省的贡献分别高达 80% 30% [64] " 且主，控制革统世叶问题的基本榄程是:确定世计目标.建立控制革统(包括传感器租执行机构)模型，设计古造的控制器或断言不存在响且要求的控制矗统 1.10 设计实例:转盒速度控制许多现代革置都利用转自驱喃盘片勾ì!旋转，例如 CD 计算机磁盘驱动器自芦机等都需要在电机和其他部件发生变化的情况下，仍棉惺持盘片恒走的旋转速匪。我们的目的就是为转亩世叶.个速度控制革统，以保证实际特速保持在允许范围之内 [43 46] 我们将同时讨论孟反响和有反馈的控制系统为朝动盘片旋转，我们选择直班电机作为执行饥构，它幢提性与电成比例的转速.选取直榄放大器来提供电机的输入电 II ，放大器应具高足够的功率。开环系统(无反馈)如图 1.20( ，)所示。辈革辑利用电池提供与预期速度成比例的电压，电压经醒大后作用于驱动电机因l.20(b) 的框固标明了开环罩统的控制肇置执行机构和莹悻对象要碑到具高图1. 所示的般形式的反响系统.需要选择-个传感器转瑾叶是种有用的情感器，t;能提供与转轴矗匮成比例的电压信号以转速计作传!6器，便可得到图 1.2 1(.) 所示形式的闭耳反惯罩镜，其框团则如图1.21C b) 所示偏差电信号是由输入电转矗计输出电压比较帽减后得到的。一

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