[引例]车辆速度控制 ME369 【步骤1】建模 系统模型、分析与控制 【步骤2】分析 Modeling Analysis and Control ·莫锦秋 ·上海交通大学机械与动力学院 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 281 引例：车辆速度控制 课程概括 【步骤3】控制 健模 设计并实施一个能完成目标输入的控制系统 对集中参数的动态系统建立系统、标准化模型 系统稳定 一多能量域 一好的瞬夸响应特性 一好的稳态响应特性 一标准流程和格式 分析 Desired Speed 一一=9 分析工程系统的性能，并进行预测 Actual Speed 一系统级别上的分析 Disturbance 时域或频域上进行 t 控制 设计（反馈）控制器实现（闭环）稳定性、达到特定系统性能 一反馈、闭环 Sren aivn ME369-lecture 1 rong nvn ME369-lecture 1 Fall 2015 Fall 2014 1
1 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 系统模型、分析与控制 Modeling 、Analysis and Control • 莫锦秋 • 上海交通大学机械与动力学院 ME369 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University [引例] 车辆速度控制 【步骤1】建模 【步骤2】 分析 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 【步骤3】控制 – 设计并实施一个能完成目标输入的控制系统 ---系统稳定 --- 好的瞬态响应特性 --- 好的稳态响应特性 引例: 车辆速度控制 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 Fall 2014 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 课程概括 建模 ---------多能量域 --------标准流程和格式 --------系统级别上的分析 --------时域或频域上进行 --------反馈、闭环 对集中参数的动态系统建立系统、标准化模型 分析工程系统的性能，并进行预测 设计（反馈）控制器实现（闭环）稳定性、达到特定系统性能 控制 分析
相似(Analogies)系统 什么是模型？ 4个不同系统 ?一组假设 y(t)=Charge Mr)=angular displace 张示意图 (r)=torque u(t)=voltage 组方程 ?一组曲线 ?一个仿真 Mt)=translate displace u(1)=force 0-P置 (t)= d !确保可靠性能 1个模型 !防止失败 (t)+a(t)+By(t)=u(t) !实施反馈控制 281 School of Mechanical Engincering Shanghai Jiao Tong University 281 系统类型 控制的定义 Control: to dominate; to govern; to manipulate; 1.简单(Simple)vs.复杂(Complex) to master; to lay hold of to be at the wheel; to hold in check; to keep in check; to get command of 控制：(《现代汉语词典》) 2.集中参数(Lumped)vs.参数分布(distributed) 掌捏住对象不使任意活动或超出范用，或使其按控制者的意愿活动。 3.线性Linear)vs.非线性(Nonlinear) 对喜物胞因、爱婴及站是的金过程的把逼，能题和了經并快定事物的皓果 4.定常(Time-invariant)vs.时变(Time varying) What is the volrage r) that should be appbied to Desired spaod motor so that output speed Industrinl 5.连续(Continuous)vs.离散(Discrete) Drive System imespeerive of various G(s) disturbance forces？ Plant Controller S Tong nivn ME369-lecture 1 rong nvn ME369-lecture 1 Fall 2015 Fa日2015. 2
2 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 相似(Analogies) 系统 y t( ) Charge u t( ) voltage y t( ) translate displace u t( ) force y t( ) angular displace u t( ) torque y t( ) Pressure ( ) dq u t dt y t y t y t u t ( ) ( ) ( ) ( ) 4个不同系统 1 个模型 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 什么是模型？ ? 一组假设 ? 一张示意图 ? 一组方程 ? 一组曲线 ? 一个仿真 ！确保可靠性能 ！防止失败 ！实施反馈控制 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 系统类型 1. 简单(Simple) vs. 复杂 (Complex) 2. 集中参数(Lumped) vs.参数分布 (distributed) 3. 线性(Linear) vs. 非线性(Nonlinear) 4. 定常(Time-invariant) vs. 时变 (Time varying) 5. 连续(Continuous) vs. 离散 (Discrete) BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 控制的定义 Control: to dominate; to govern; to manipulate; to master; to lay hold of; to be at the wheel; to hold in check; to keep in check; to get command of 控制: （《现代汉语词典》） 掌握住对象不使任意活动或超出范围;或使其按控制者的意愿活动。 对事物起因、发展及结果的全过程的把握，能预测和了解并决定事物的结果
飞轮Flywheel) 恒温箱温度控制 阻力 示意图 作用力 (Schematic diagram) 系统 亏功 输入功 飞轮 输出功 储能器 系统原理方块图 (System block diagram) Tong av 281 恒温箱温度控制（续） 恒温箱温度控制（续） 示意图 示意图 电属 加离电性 大 数模的换 系统原理方块图 系统原理方块图 Sren aivn ME369-lecture 1 rong nvn ME369-lecture 1 Fall 2015 Fa日201s. 3
3 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 飞轮(Flywheel) BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 恒温箱温度控制 系统原理方块图 （System block diagram） 示意图 （Schematic diagram） BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 恒温箱温度控制（续） 示意图 系统原理方块图 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 恒温箱温度控制（续） 示意图 系统原理方块图
「例人类抓取动作 [例]教学过程 Distubacce Dishubinces Fotce Desired 业 Teaching performance Neural Muscle Hand Position rformince Pedago2ism Students (Brain) Actuator G(5) R(s)个 Controller Actuator D(s) s R(s) Controller Plant Plant Referene Control block Control block Eye Homewock. Exams.quizzes, Sen多0r School of Mechanical Engineering School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 22S1 Shanghai Jiao Tong University 621 (负反馈)控制基本原理 控制系统构成 Desired value Actual value 一个动态过程：检偏纠偏 设定植轴入量 Controller Plant 奖标堂黄出量 控制器 控制对象 测量一检测输出量（被控制量）的实际植（反馈倍号） 比较一将输出量的实际值与给定值《输入量)进行比较得出偏差 Feedback value measurer 受值 测置元件 执行一用偏差值产生控制网节作用去消除偏差，使得输出量龄持期望的输出 1)控制对象 -wM放大器-w执行器 -wM内外部干扰 误差允身直用 2)开环(open loop)vs闭环(close loop) 》定 ?振荡 -反馈(feedback)vs前馈(feedforward 拉度 !高不太高 -wM测量元件 快速性 3)负反馈(negative feedback) Sren aivn ME369-lecture 1 Fall 2015 上ee5g ME369-lecture 1 Fal 2015 4
4 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University [例]人类抓取动作 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University [例] 教学过程 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 测量--检测输出量（被控制量）的实际值(反馈信号) 比较--将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差 执行--用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出 一个动态过程：检偏纠偏 （负反馈）控制基本原理 稳定 ？振荡 精度 ！高 ！不太高 快速性 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 控制系统构成 Desired value 设定值/输入量 Controller 控制器 Plant 控制对象 measurer 测量元件 Actual value 实际值/输出量 Feedback value 反馈值 1)控制对象 --w/l 内外部干扰 2)开环（open loop） vs 闭环（close loop） --w/l 测量元件 --反馈（feedback）vs 前馈( feedforward) 3)负反馈（negative feedback） --w/l 放大器 --w/l 执行器
控制系统构成（续） 引例]开环VS闭环 极某年调的速成视型可以近献为速成增拉抽门开发。 性在莱一较度行驶时，1"的轴门开度变化舞图10mph 的植度变化：墙被度变化时。袖门开度变化1'得胞 羊实际车速mph)米道暗被度变化 。入 的 枝无科 反统元样 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 281 引例]开环vs闭环（续） 「练习]液位控制系统 e设速车m) 竹实际车意mph) 柴器 Speed Model 00 壹滴漏 00 an△ ?系统原理方块图 Sren aivn ME369-lecture 1 rong nvn ME369-lecture 1 Fall 2014 Fa日201s. 5
5 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 控制系统构成（续） BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University [引例] 开环 vs 闭环 设某车辆的速度模 型可以近似为速度=增益*油门开度。 设在某一坡度行驶时， 1゜的油门开度变化将引起10mph 的速度变化；当坡度变化1%时， 油门开度变化1゜将引起 5mph的速度变化。 R: 设定车速（mph） U: 油门开度（゜） Y: 实际车速(mph） W: 道路坡度变化 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 Fall 2014 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University R: 设定车速（mph） U: 油门开度（゜） Y: 实际车速(mph） W: 道路坡度变化 [引例] 开环 vs 闭环(续) BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University [练习] 液位控制系统 ?系统原理方块图
[练习]液位控制系统（续） [练习]液位控制系统（续） 系统原理方块图 两系统的差别？ School of Mechanical Engineering School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 221 Shanghai Jiao Tong University 281 [例]汽车控制系统 [练习]飞球调速器 Ideal air-fuel ratio 理想空气燃料比 steam Fly 14.6 ball valve +Fuel control燃料控制 Forward control前馈控制 airf1gesor气流传感器 +nozzle喷嘴 shaft Fuel ratio control燃料比控制 Steamer Feedback control反馈控制 0,ensor0传感器 nozzle喷嘴 ME369-lecture 1 rong nvn ME369-lecture 1 Shanghai Jiee Tong University Fall 2015 Fal 2015 6
6 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 系统原理方块图 [练习] 液位控制系统（续） BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University l1 Q1 H Q2 l2 Q1 Q2 l2 H l1 两系统的差别? [练习] 液位控制系统（续） BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University Fuel control 燃料控制 Forward control 前馈控制 airflow sensor 气流传感器 + nozzle 喷嘴 Fuel ratio control 燃料比控制 Feedback control 反馈控制 O2 sensor O2传感器 nozzle 喷嘴 Ideal air-fuel ratio 理想空气燃料比 14.6 [例]汽车控制系统 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University [练习] 飞球调速器
[练习]张力控制 [练习]巡航 角位移 给定值 控H器 轮L l O School of Mechanical Engineering School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University Shanghai Jiao Tong University 281 7
7 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University [练习]张力控制 BE315-Lecture 1 Fall 2011 ME369-lecture 1 Fall 2015 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University [练习]巡航