ME369 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 School of Mechanical Engineering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fa2015 [引例]车辆速度控制 【步骤1】建模 【步骤2】分析 School of Mechanical Engineering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2015 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
引例：车辆速度控制 【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 一好的瞬态响应特性 一好的稳态响应特性 desired speed control gain Desired Speed = actual speed Actual Speed engine torque Disturbance School of Mechanical Engineering ME369-lecture Shanghai Jiao Tong University Fall 2015 课程概括 健模 对集中参数的动态系统建立系统、标准化模型 -多能量域 标准流程和格式 分析 分析工程系统的性能，并进行预测 -系统级别上的分析 -时域或频域上进行 控制 设计（反馈）控制器实现（闭环）稳定性、达到特定系统性能 --反馈、闭环 School of Mechanical Engineering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2014 2
2 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 4个不同系统 y(t)=Charge v(t)=angular displace u(t)=torque u(t)=voltage WVAIAV L y(t)=translate displace u(t)=force 0=P资sure 0）二dn 1个模型 i(t)+ai()+By(t)=u(t) School of Mechanical Engincering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2015 什么是模型？ ?一组假设 ? 张示意图 组方程 组曲线 个仿真 ！ 确保可靠性能 !防止失败 ！实施反馈控制 School of Mechanical Engineering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2015
3 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 ut 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
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) School of Mechanical Engincering ME369-lecture Shanghai Jiao Tong University Fall 2015 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 Friction Force Cutting Force What is the voltage uft) that should be applied to Voltage input Desired speed motor so that output speed Industrial Output Speed of Motor yit)follows rit) Drive System (Reference Iput) irrespective of various G() disturbance forces？ Plant Controller School of Mechanical Engineering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2015 4
4 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) 作用力 阻力 系统 亏功 输入功 输出功 飞轮 储能器 School of Mechanical Engineering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2015 恒温箱温度控制 示意图 (Schematic diagram) 系统原理方块图 System block diagram) School of Mechanical Engineering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2015 5
5 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）
恒温箱温度控制（续） 示意图 加热电阻终 系统原理方块图 -220V School of Mechanical Engincering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2015 恒温箱温度控制（续） 示意图 信号调理 模数转换 AD 热电V 加热电阻丝 放大器 数模转换 D/A 编程验入 恒温箱 系统原理方块图 School of Mechanical Engineering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2015 6
6 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 Disturbance Forces Desired 业 Neural Output position Control algorithm Signal Muscle Hand Position (Brain) Actuator G(s) R(s)个 Controller U(s) s Plant Reference Control block Input Eye Sensor School of Mechanical Engincering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2015 [例]教学过程 Disturbances parties,games Desired 业 performance Performance Pedagogism Teaching Students activities R(s)小 Controller Actuator Y(s) U(s) Plant Reference Control block Input Homework Exams,quizzes... Sensor School of Mechanical Engineering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2015 7
7 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
(负反馈)控制基本原理 一个动态过程：检偏纠偏 测量-一检测输出量（被控制量）的实际值（反馈信号） 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 执行-一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 误差允许范围 稳定 ?振荡 精度 !高！不太高 快速性 0 School of Mechanical Engincering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2015 控制系统构成 Desired value Actual value 设定值输入量 Controller Plant 实际值输出量 控制器 控制对象 Feedback value measurer 反馈值 测量元件 1)控制对象 -wl放大器 -wl执行器 -w内外部干扰 2)开环(open loop)vs闭环(close loop) -反馈(feedback)vs前馈(feedforward) -wM测量元件 3)负反馈(negative feedback) School of Mechanical Engineering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2015 8
8 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） 扰动信号| 比较元件 整制作用控制 厂串联 放大变 执 元件 输入 偏差校正元件 换元件 元件 信号 信 信号 并联 局部反 校正元件 主反馈 主反 信号 反馈元件 School of Mechanical Engincering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2015 [引例]开环s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°的油门开度变化得引起10mph 的速度变化：当坡度变化1时，油门开度变化1°得引起 5mph的速度变化。 R U R设定车速(mph) U:油门开度() Y:实际车速(mph) W:道路坡度变化 Cruise Speed Controller Model School of Mechanical Engineering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2015
9 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
引例]开环Vs闭环（续） R设定车速(mph)山：油门开度() W Y:实际车速(mph) 州：道路坡度变化 R Speed Model School of Mechanical Engincering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2014 练习]液位控制系统 浮子 铜壶滴漏 00 气动阀门△ ?系统原理方块图 X二流出 School of Mechanical Engineering ME369-lecture 1 Shanghai Jiao Tong University Fall 2015 10
10 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