第1章-自动控制基本概念讲诉

自动限制原理

课程基本要求自动限制原理是自动化专业核心课程,专业基础课，专业必修课。5学分，80学时，其中课堂教学70学时，试验10学时（5个试验）。教学方式：课堂教学+课外自主学习，比率为1：2，课外学习主要包括：（1）复习老师在课堂上讲的内容；（2）完成老师布置的教学任务(作业、试验报告、准备试验、试验过程、课堂提问、探讨等）；课程基本要求（3）上校内网的网络课堂，自主学习、网络答疑；（4）按老师指定的时间、地点进行答疑；（5）在图书馆、网络上自主学习，查阅相关资料，巩固和扩大自己的学问；试验要求：5个试验，考核包括准备试验、试验过程、回答问题、试验报告。考试的方式：平常成果+试验成果（30%）+网络课堂学习成果（10%）+期末考试成果（60%）。李红星主编自动限制原理北京联合高校自动化学院第1章自动限制的基本概念第2章限制系统的数学模型第3章线性系统的时域分析法第4章线性系统的根轨迹分析法第5章线性系统的频域分析法第6章线性系统的设计方法第7章线性离散系统的分析第8章非线性系统分析书目第1章自动限制的基本概念1.1引言1.2开环限制系统与闭环限制系统1.3自动限制系统的分类1.4限制系统举例1.5对自动限制系统的基本要求1.1引言自动限制：没有人的干脆参与下，利用外加的装置（限制装置）对机器、生产设备或生产过程（被控对象）的某个或某些工作状态或物理量（被控量）自动地依据预定规律变更。例如，日常生活中，对电热水器的温度、水箱的水位、楼宇的电梯、交通灯、洗衣机、清洁机器人的限制等；工业生产过程中，对电网电压、锅炉的温度和压力、供水塔的液位和流量、电机转速、机器人的限制等；军事工业中，导弹的放射、火炮-雷达、军用机器人的限制等；航空航天工业中，飞船的放射、飞行器的姿态、飞船与宇宙工作站的对接的限制等。须要解决以上这些限制问题，自动限制理论是基础。空调—自动调整房间温度：以取暖为例，空调通过温度传感器检测房间的温度凹凸，空调限制器将检测的温度与设定值进行比较，若温度低于设定值的下限，则使压缩机运行，温度上升，温度上升到设定值的上限时则停止运行。空调运行基于反馈信息（温度测量值），属于“反馈限制”，最为常见。1.1引言自动限制系统：能够对被控对象的工作状态进行自动限制的系统，称为自动限制系统。它一般由限制装置和被限制对象组成。被控对象：是指要求实现自动限制的机器、设备或生产过程。限制装置是指对被控对象起限制作用的设备总体。1.1引言水位自动限制系统方块图：水箱水位自动限制系统:期望水位是由限制器刻盘指针标定，作为系统的输入量；水的流出量和流入量变更影响水箱的水位保持在确定位置，称为扰动输入量；而水箱实际水位称为系统的输出量。1.1引言自动限制系统最基本的限制方式—开环限制方式—闭环环限制方式有其各自的特点和不同的适用场合。1.2开环限制系统与闭环限制系统（1）开环限制方式开环限制是指限制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的限制过程。因此开环限制系统的输出量不对系统的限制作用发生影响。一台直流电动机转速的开环限制系统1.2开环限制系统与闭环限制系统●开环限制系统的方块图1.2.1开环限制系统●直流电动机的转速开环限制系统开环限制系统是指系统的输出量对限制作用不产生影响的系统。●炉温的开环限制系统1.2.1开环限制系统●全自动洗衣机洗衣机就是典型的开环限制系统，因为洗衣过程是按时间依次进行，时间的长短，完全是由操作人员的推断和估计来确定的，而并不检测衣物清洁度来影响洗衣过程。这种限制方式也称为：程序限制。1.2.1开环限制系统构造简洁，维护简洁。当输出量难于测量时，接受开环系统比较合适。开环限制系统的优点：缺点：开环限制精度低；没有抗干扰实力。为了提高开环限制的精度，就必需接受较精密的元件。但是元件越精密，投资也就越大。因此，开环限制系统只能用于限制精度要求不高的场合。1.2.1开环限制系统1.2.2闭环限制系统为了提高限制系统的精度，在电机上安一个转速表，派一个人监视着转速表，实现人工闭环限制系统。若接受一个自动限制器来代替人工操作，在上图中，用测速发电机代替转速表作为检测元件，再将测速发电机的输出电压送至输入端与电位器电压进行比较，利用其偏差值限制电动机转速，就形成了电动机转速自动闭环限制系统。直流电机自动闭环限制系统1.2.2闭环限制系统直流电动机转速闭环限制系统方块图反馈是自动限制系统中一个很重要的概念，常接受负反馈。负反馈除了能降低系统误差外，还能够使系统对内部参数的变更不灵敏，这样系统元件参数变更或者非线性的影响将大大降低，对于确定的限制要求，就有可能接受不是很精密的、成本较低的元件来构成限制系统，开环系统中是不能做到的。1.2.2闭环限制系统闭环限制的实质：利用负反馈作用来减小系统误差。闭环限制系统又称为反馈限制系统，也称为偏差限制系统。因为实际系统一般都具有质量、惯性或延滞，接受反馈，就有可能使系统输出振荡加剧，甚至不能工作。反馈变更了限制系统的动态性能，增加了问题的困难性。1.2.2闭环限制系统1.2.3闭环限制系统的组成一个典型闭环限制系统由各种基本环节组成。给定装置：给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即给定值），如调速系统的电位器。比较元件：将检测到的被控量与给定量进行比较，求出两者之间的偏差，起信号的综合作用。放大元件：对微弱的偏差信号进行放大和变换，输出足够功率或执行机构要求的物理量驱动被控对象。执行机构：依据放大器的输出信号，干脆驱动被控对象，执行限制任务，使被限制量与期望值趋于一样。1.2.2闭环限制系统反馈装置：对被控量进行测量，并将测量值反馈到系统的输入端。假如被控量属于非电量，那么要把它转换成为电量，以便于处理。被控对象：须要进行限制的机器、设备或生产过程，如前面提到的水箱、洗衣机、电动机等。校正装置：

参数或结构便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。校正装置的作用就是实现某种限制规律。1.2.2闭环限制系统信号定义：

输入量：用于限制系统被控量变更规律的指令信号，又称给定值或输入信号。输出量：反映被控对象变更的物理量，又称被控量或输出信号。反馈量：将系统或元件的输出量反送到系统或元件的输入端信号称为反馈量，又称反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈，负反馈和正反馈之分，自动限制系统通常接受负反馈。偏差量：输入量与反馈量之差，即比较元件的输出，又称为偏差信号或误差信号。扰动量：是一种对系统的输出量产生不利影响的信号，又称为扰动信号或干扰信号。1.2.2闭环限制系统1.3自动限制系统的分类按输入信号的形式恒值系统随动系统程序控制系统按系统中信号传递的性质按系统的输入输出特性自动控制系统分类连续系统离散系统线性系统非线性系统（1）恒值限制系统任务：维持被控量为某个恒值。主要问题：如何克服使被控量偏离给定值的各种扰动。限制器的任务：在发生任何扰动时，尽快使被控量以确定精度复原或接近到给定值。（2）随动系统输入信号是时间的未知函数，要求：输出量能够精确、快速地跟随给定值的变更。主要问题：如何克服被控对象和执行机构的惰性。限制器的任务：提高系统的跟踪实力，使输出量尽快紧跟给定值。（3）程序限制系统输入信号是按已知的时间函数变更，要求：被控量快速精确地复现给定值。系统的限制过程按预先设定的程序进行。1.3.1按输入信号的形式分类（1）连续系统连续系统的特点是系统各部分的信号都是时间t的连续函数。连续系统的运动规律可用微分方程来描述。（2）离散系统离散系统的特点是系统中有一处或几处的信号是脉冲序列或数码的形式。离散系统的运动规律可用差分方程来描述。

1.3.2按系统中信号传递的性质分类

1.3.3按系统的输入输出特性分类（1）线性系统线性系统是由线性元件所组成，系统的运动规律可以用线性微分（或差分）方程来描述。线性系统的主要特点就是满足叠加性和齐次性，即：1）有几个输入时，系统的输出等于各个输入单独作用时系统输出之和；2）当系统输入增大或缩小多少倍时，系统输出也增大或缩小多少倍。（2）非线性系统当系统中存在一个或几个非线性特性的元件时，系统就不能用线性方程来描述了，只能用非线性方程来描述。这种系统称为非线性系统。非线性系统不满足叠加性和齐次性。1.4限制系统举例1.4.2温度限制系统1.4.3位置随动系统

1.5对限制系统的基本要求1.稳定性稳定性是保证限制系统正常工作的前提，也是一个基本要求。对于一个稳定的限制系统，当受到扰动的作用（或给定值发生变更）时，被控量将偏离原来的稳定值，通过系统的