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*,*,Centre for Robotics,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,自动限制原理,电气工程学院,张 忠,第一章 绪论,课程的性质、目的和任务,本课程是自动化类学生的一门专业基础课，是一门理论性和工程应用性都很强的技术基础课，也是后续专业课的桥梁，因此具有特别重要的地位。,3学分！奖学金，考研，学位、毕业等均具有很重的重量！,本课程的目的:培育学生的辩证思维实力,树立理论联系实际的科学观点,提高综合分析问题的实力。,本课程的基本任务:获得自动限制系统的基本理论,驾驭系统的基本分析方法,为设计自动限制系统打下确定的基础,为进一步的学习和探讨限制理论创建条件,目标：学到真本事，考个好成果！,要求：细致听课，不能无故旷课、迟到；独立完成作业，能够提出问题，探讨问题。即：肃穆细致，生动活泼！,什么是限制？什么是限制理论？,我们汉字中的“控”和“制”都含有“对某种对象依据某种要求进行操纵”的含义。因此，人类从远古时代就起先了“限制(control)”。几乎全部的能“动”的人造物，都是被限制的。,当然，限制的思想不仅存在于人造物，已渗透到我们的日常生活中。例如：人们的关系。你让某人完成某项工作，你动用了某些手段，使某人很好的完成了工作，就可以说你“限制”了对方。,因此，“限制”是特别广义的，“限制理论”就是探讨那些渗透于“限制”中的，具有普遍意义的限制原理。,1.1,引言,为了解决生产实际中的问题，推动了限制论的形成和发展。随着科技的进步，她所起的作用也越来越大。,试问：没有自动限制，现在的社会会是一个什么样子？,大家可以在网上查询“自动限制与人类进步”的材料,Automatic Control&Human Civilization,希望通过上网了解对限制有一个更好的理解。,自动限制技术与人类进步Automatic Control&Human Civilization,前言,自动限制是人类在相识世界和独创创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解放出来，从事更富创建性的工作。,限制论是一门多科性的技术科学。在理论探讨中，广泛的运用了各种数学工具：微积分，概率论，复变函数，泛函，变分法，拓扑学等，事实上是数学的一个分支。,我们探讨的自控原理，仅仅是限制论的一个小部分，只探讨了限制系统分析和设计的最一般的理论。属于经典限制部分。,Chapter 1:主要介绍自动限制的基本概念，限制系统的常用术语及方框图表示；,chapter 2:如何建立系统的数学模型（定量分析的基础），着重探讨对传递函数的分析和基于方框图、梅逊公式的数学模型的简化方法；,主要内容：,1.自动限制、自动限制系统的概念,2.自动限制系统的基本方式,3.自动限制系统的类型,4.自动限制系统的要求和分析设计,chapter 6:,介绍了线性系统的校正方法，频率法校正、反馈校正、复合校正的设计方法和性能指标的验算方法,；,chapter 7:介绍了分析非线性系统的描述函数法和相平面法；探讨了工程实际中常用的非线性特性及解决的一般方法；,chapter 8:介绍了离散限制系统理论（计算机限制基础），z变换理论，数字限制器的设计方法。,chapter 3:介绍线性系统的时域分析，并重点对系统的稳定性、快速性和精确性的分析进行了探讨。,chapter 4:,介绍了线性系统的根轨迹分析方法，重点介绍了根轨迹作图方法；,chapter 5,:,频域法：极坐标图，伯德图，奈奎斯特稳定判据，性能指标计算等；,人类企图限制自然的欲望，是历史发展的动力，完成了很多超出人们力所能及的任务（上天）。,现实当中，由于存在希望和要求，比如：要求某些物理量维持在一个特定的标准上，但往往由于种种缘由，实现起来并不是很简洁，于是须要“限制”。,当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度,不能自然,地维持恒定。,水箱,流出,流入,h,图,1.1,水箱液面,例如：下面的水箱液面，因生产和生活须要，希望液面高度h 维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。,1.2.1 自动限制问题的提出,1.2 自控限制和自动限制系统,这种出水量与进水量的不平衡现象必定要常常发生的。这便使得这种“水位恒定的要求”变得难以实现。,所谓限制就是强制性地变更某些物理量（如上例中的进水量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。,下面是人工限制的例子。,这种人为地强制性地变更进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工限制过程。,水箱,流出,流入,h,图,1.2,液面人工控制,不能满足困难、快速和精确的要求，不利于减轻劳动强度。,1.2.2 自动限制的定义及基本职能元件,1.自动限制的定义,自动限制就是在没有人干脆参与的状况下，利用限制器使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态）自动地按预先给定的规律去运行。,当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。这偏差由浮子检测出来，自动限制器在偏差的作用下，限制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。,水箱,流出,流入,h,控制器,浮子,图,1.3,液面自动控制,水箱,流出,流入,h,水箱,流出,流入,h,控制器,浮子,眼睛 浮子,大脑 自动限制器,肌肉、手 执行元件,2.自动限制的基本职能元件,自动限制,事实上就是由自动限制装置来代替人的基本功能来实现的。,比较两图可以看出，用自动限制实现人工限制的功能，存在必不行少的三种代替人的职能基本元件：,图14 限制功能框图 （a）人工限制 (b)自动限制,肌肉和阀门,希望液位,实际液位,大 脑,水 箱,眼 睛,(a),气 动阀 门,希望液位,实际液位,浮 子,控制器,水 箱,(b),画出以上人工限制与自动限制的功能方框图进行比照。,测量元件与变送器（代替眼睛）；,自动限制器（代替大脑）；,执行元件（代替肌肉、手）。,这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动限制系统。图1.5是典型限制系统方框图。,执 行元 件,参考输入,输 出,测量变送元件,控制器,对 象,扰动输入,图,1,5,控制系统典型方框图,1.2.3 自动限制中的一些术语及方框图,1.常用术语,限制对象：被控设备或物体，也可是被控过程（炉温）。,限制器：使被控对象具有所要求的性能或状态的限制设备。接收输入或偏差信号按限制规律给出操作量，送到限制对象。,系统：一个整体，是一些部件的组合，完成确定任务。,系统输出：被限制的量，称对输入的响应。,操作量：由限制器变更的量值或状态，也称限制量。真正起限制作用的量！,参考输入：给定，使系统具有预定输出或性能的激发信号。代表输出的希望值；又称给定输入，指令输入，期望输出等。,扰动：干扰和破坏系统具有预定性能和输出的干扰信号，分内部和外部扰动（输入量）。,特性：输入与输出之间的关系，分动态和静态，可用特性曲线直观描述。,静态特性：系统稳定后，IN 静态放大倍数。,动态特性：IN 和OUT处在变更过程中所表现的特性；过渡过程-平衡-另一个平衡；,2.系统方框图,将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注上文字或代号，依据各方框之间的信息传递关系，用有向线段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。,突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节之间的相互影响，便于定性和定量分析。,执 行元 件,参考输入,输 出,测量变送元件,控制器,对 象,扰动输入,图,1,5,控制系统典型方框图,控制量,1.3.1 开环限制,开环限制是最简洁的一种限制方式，我们可以给出开环限制的一般定义：,定义：若系统的输出量对系统的限制作用没有影响，则称为开环限制系统。,特点是：限制量与被限制量之间只有前向通道而没有反向通道,信息的传递路径不是闭合的，故称开环。,开环限制系统的典型方框图如图所示。,1.3 开环限制和闭环限制,控制器,被制对象,输入量,输出量,例子：交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动生产线，数控车床等等。,按输入信号的不同，可分为按给定限制和按扰动限制两种常见形式。,自动限制的形式多种多样，实行何种限制手段，视具体用途和目的而定，本节介绍两种常见形式：开环和闭环限制。,1.按给定限制,图16是一个直流电动机转速限制系统。,当调整电位器滑臂位置时，变更功率放大器的输入电压，从而变更电动机的电枢电压，最终变更电动机的转速。以上的限制过程，用方框图简洁直观地表示出来。,M,功率,放大器,电动机,负载,电,位,器,图,1,6,直流电动机转速开环控制,图,1,7,直流电动机转速控制方框图,电动机,转速,滑臂位置,功率放大器,电位器,限制精度取决于所用元件性能的优劣及校准的精度！系统本身无法保证。任何的干扰都会使输出变更。,优点：结构简洁，调整便利,缺点：精度差，抗干扰性差,2.按扰动限制,图18 是一个按扰动限制的直流电动机转速限制系统。,电压,放大器,M,功率,放大器,负载,+,+,-,R,i,+,图,1,8,按扰动控制直流电机转速,假如扰动可量测，可把它作为一种输入，施加相应的限制，对系统的输出产生影响。“防患未然”，起到抗干扰的作用。,把负载变更视为外部扰动输入，对输出转速产生影响及限制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端传送到输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。有时我们称按扰动限制为顺馈限制。,限制过程可用方框图表示成如图1.9所示的形式。,电动机,转速,给定不变,功率放大器,电位器,-,+,扰动,电压,放大器,检 测,电 阻,图,1.9,按扰动控制方框图,信号汇合点，,+,代表加，,-,代表减,开环限制的特点：,（1）结构简洁、调整便利、成本低。,（2）给定一个输入，有相应的一个输出。,（3）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的，形成开环。,（4）输出不影响输入。,（5）若系统有外界扰动时，系统输出量不行能有精确的数值，即开环限制精度不高，或抗干扰实力差。“致命”缺点！,1.3.2 闭环限制,定义：凡是系统输出信号对限制作用有干脆影响的系统，都叫做闭环限制系统。,在限制系统中，限制装置对被控对象所施加的限制作用(限制器输出)，若部分或全部取自被控量的反馈信息，即依据实际输出来修正限制作用，实现对被控对象进行限制的任务，这种限制原理称为反馈限制原理。正是由于引入了反馈信息，使整个限制过程成为闭合的。因此，按反馈原理建立起来的限制系统，叫做闭环限制系统。在闭环限制系统中，其限制量是被控量与给定值之间的偏差。,控制装置,控制对象,反馈元件,输入,输出,+,-,偏差,图,1-13,闭环控制系统方框图,人本身就是一个具有高度困难限制实力的闭环系统。比如，人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现了闭环限制的原理。图1.11是直流电动机转速闭环限制的例子。,M,功率,放大器,电动机,负载,电,位,器,F,测速发动机,图,1-11,直流电动机转速闭环控制系统,电动机,转速,给定位置,功率,放大器,电位器,+,-,负载扰动,测速发动机,u,f,u,r,e,u,a,图,1-12,直流电动机转速闭环控制方框图,闭环限制的特点：,限制作用不是干脆来自给定输入，而是系统的偏差信号，由偏差产生对系统被控量的限制；,信息的传递路径为一个闭合的环路，称为闭环。,限制精度高，抗干扰实力强。,闭环限制系统的典型方框图如图所示。,控制器,控制对象,反馈元件,输入,输出,+,-,偏差,图,1-13,闭环控制系统方框图,
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