自動限制原理

課程基本要求自動限制原理是自動化專業(yè)核心課程,專業(yè)基礎(chǔ)課，專業(yè)必修課。5學(xué)分，80學(xué)時，其中課堂教學(xué)70學(xué)時，試驗(yàn)10學(xué)時（5個試驗(yàn)）。教學(xué)方式：課堂教學(xué)+課外自主學(xué)習(xí)，比率為1：2，課外學(xué)習(xí)主要包括：（1）復(fù)習(xí)老師在課堂上講的內(nèi)容；（2）完成老師布置的教學(xué)任務(wù)(作業(yè)、試驗(yàn)報(bào)告、準(zhǔn)備試驗(yàn)、試驗(yàn)過程、課堂提問、探討等）；課程基本要求（3）上校內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)課堂，自主學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)答疑；（4）按老師指定的時間、地點(diǎn)進(jìn)行答疑；（5）在圖書館、網(wǎng)絡(luò)上自主學(xué)習(xí)，查閱相關(guān)資料，鞏固和擴(kuò)大自己的學(xué)問；試驗(yàn)要求：5個試驗(yàn)，考核包括準(zhǔn)備試驗(yàn)、試驗(yàn)過程、回答問題、試驗(yàn)報(bào)告?？荚嚨姆绞剑浩匠３晒?試驗(yàn)成果（30%）+網(wǎng)絡(luò)課堂學(xué)習(xí)成果（10%）+期末考試成果（60%）。李紅星主編自動限制原理北京聯(lián)合高校自動化學(xué)院第1章自動限制的基本概念第2章限制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第3章線性系統(tǒng)的時域分析法第4章線性系統(tǒng)的根軌跡分析法第5章線性系統(tǒng)的頻域分析法第6章線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法第7章線性離散系統(tǒng)的分析第8章非線性系統(tǒng)分析書目第1章自動限制的基本概念1.1引言1.2開環(huán)限制系統(tǒng)與閉環(huán)限制系統(tǒng)1.3自動限制系統(tǒng)的分類1.4限制系統(tǒng)舉例1.5對自動限制系統(tǒng)的基本要求1.1引言自動限制：沒有人的干脆參與下，利用外加的裝置（限制裝置）對機(jī)器、生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對象）的某個或某些工作狀態(tài)或物理量（被控量）自動地依據(jù)預(yù)定規(guī)律變更。例如，日常生活中，對電熱水器的溫度、水箱的水位、樓宇的電梯、交通燈、洗衣機(jī)、清潔機(jī)器人的限制等；工業(yè)生產(chǎn)過程中，對電網(wǎng)電壓、鍋爐的溫度和壓力、供水塔的液位和流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)器人的限制等；軍事工業(yè)中，導(dǎo)彈的放射、火炮-雷達(dá)、軍用機(jī)器人的限制等；航空航天工業(yè)中，飛船的放射、飛行器的姿態(tài)、飛船與宇宙工作站的對接的限制等。須要解決以上這些限制問題，自動限制理論是基礎(chǔ)?？照{(diào)—自動調(diào)整房間溫度：以取暖為例，空調(diào)通過溫度傳感器檢測房間的溫度凹凸，空調(diào)限制器將檢測的溫度與設(shè)定值進(jìn)行比較，若溫度低于設(shè)定值的下限，則使壓縮機(jī)運(yùn)行，溫度上升，溫度上升到設(shè)定值的上限時則停止運(yùn)行?？照{(diào)運(yùn)行基于反饋信息（溫度測量值），屬于“反饋限制”，最為常見。1.1引言自動限制系統(tǒng)：能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行自動限制的系統(tǒng)，稱為自動限制系統(tǒng)。它一般由限制裝置和被限制對象組成。被控對象：是指要求實(shí)現(xiàn)自動限制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。限制裝置是指對被控對象起限制作用的設(shè)備總體。1.1引言水位自動限制系統(tǒng)方塊圖：水箱水位自動限制系統(tǒng):期望水位是由限制器刻盤指針標(biāo)定，作為系統(tǒng)的輸入量；水的流出量和流入量變更影響水箱的水位保持在確定位置，稱為擾動輸入量；而水箱實(shí)際水位稱為系統(tǒng)的輸出量。1.1引言自動限制系統(tǒng)最基本的限制方式—開環(huán)限制方式—閉環(huán)環(huán)限制方式有其各自的特點(diǎn)和不同的適用場合。1.2開環(huán)限制系統(tǒng)與閉環(huán)限制系統(tǒng)（1）開環(huán)限制方式開環(huán)限制是指限制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的限制過程。因此開環(huán)限制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的限制作用發(fā)生影響。一臺直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的開環(huán)限制系統(tǒng)1.2開環(huán)限制系統(tǒng)與閉環(huán)限制系統(tǒng)●開環(huán)限制系統(tǒng)的方塊圖1.2.1開環(huán)限制系統(tǒng)●直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速開環(huán)限制系統(tǒng)開環(huán)限制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的輸出量對限制作用不產(chǎn)生影響的系統(tǒng)?！駹t溫的開環(huán)限制系統(tǒng)1.2.1開環(huán)限制系統(tǒng)●全自動洗衣機(jī)洗衣機(jī)就是典型的開環(huán)限制系統(tǒng)，因?yàn)橄匆逻^程是按時間依次進(jìn)行，時間的長短，完全是由操作人員的推斷和估計(jì)來確定的，而并不檢測衣物清潔度來影響洗衣過程。這種限制方式也稱為：程序限制。1.2.1開環(huán)限制系統(tǒng)構(gòu)造簡潔，維護(hù)簡潔。當(dāng)輸出量難于測量時，接受開環(huán)系統(tǒng)比較合適。開環(huán)限制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：開環(huán)限制精度低；沒有抗干擾實(shí)力。為了提高開環(huán)限制的精度，就必需接受較精密的元件。但是元件越精密，投資也就越大。因此，開環(huán)限制系統(tǒng)只能用于限制精度要求不高的場合。1.2.1開環(huán)限制系統(tǒng)1.2.2閉環(huán)限制系統(tǒng)為了提高限制系統(tǒng)的精度，在電機(jī)上安一個轉(zhuǎn)速表，派一個人監(jiān)視著轉(zhuǎn)速表，實(shí)現(xiàn)人工閉環(huán)限制系統(tǒng)。若接受一個自動限制器來代替人工操作，在上圖中，用測速發(fā)電機(jī)代替轉(zhuǎn)速表作為檢測元件，再將測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓送至輸入端與電位器電壓進(jìn)行比較，利用其偏差值限制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，就形成了電動機(jī)轉(zhuǎn)速自動閉環(huán)限制系統(tǒng)。直流電機(jī)自動閉環(huán)限制系統(tǒng)1.2.2閉環(huán)限制系統(tǒng)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)限制系統(tǒng)方塊圖反饋是自動限制系統(tǒng)中一個很重要的概念，常接受負(fù)反饋。負(fù)反饋除了能降低系統(tǒng)誤差外，還能夠使系統(tǒng)對內(nèi)部參數(shù)的變更不靈敏，這樣系統(tǒng)元件參數(shù)變更或者非線性的影響將大大降低，對于確定的限制要求，就有可能接受不是很精密的、成本較低的元件來構(gòu)成限制系統(tǒng)，開環(huán)系統(tǒng)中是不能做到的。1.2.2閉環(huán)限制系統(tǒng)閉環(huán)限制的實(shí)質(zhì)：利用負(fù)反饋?zhàn)饔脕頊p小系統(tǒng)誤差。閉環(huán)限制系統(tǒng)又稱為反饋限制系統(tǒng)，也稱為偏差限制系統(tǒng)。因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)一般都具有質(zhì)量、慣性或延滯，接受反饋，就有可能使系統(tǒng)輸出振蕩加劇，甚至不能工作。反饋?zhàn)兏讼拗葡到y(tǒng)的動態(tài)性能，增加了問題的困難性。1.2.2閉環(huán)限制系統(tǒng)1.2.3閉環(huán)限制系統(tǒng)的組成一個典型閉環(huán)限制系統(tǒng)由各種基本環(huán)節(jié)組成。給定裝置：給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即給定值），如調(diào)速系統(tǒng)的電位器。比較元件：將檢測到的被控量與給定量進(jìn)行比較，求出兩者之間的偏差，起信號的綜合作用。放大元件：對微弱的偏差信號進(jìn)行放大和變換，輸出足夠功率或執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求的物理量驅(qū)動被控對象。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：依據(jù)放大器的輸出信號，干脆驅(qū)動被控對象，執(zhí)行限制任務(wù)，使被限制量與期望值趨于一樣。1.2.2閉環(huán)限制系統(tǒng)反饋裝置：對被控量進(jìn)行測量，并將測量值反饋到系統(tǒng)的輸入端。假如被控量屬于非電量，那么要把它轉(zhuǎn)換成為電量，以便于處理。被控對象：須要進(jìn)行限制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程，如前面提到的水箱、洗衣機(jī)、電動機(jī)等。校正裝置：

參數(shù)或結(jié)構(gòu)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。校正裝置的作用就是實(shí)現(xiàn)某種限制規(guī)律。1.2.2閉環(huán)限制系統(tǒng)信號定義：

輸入量：用于限制系統(tǒng)被控量變更規(guī)律的指令信號，又稱給定值或輸入信號。輸出量：反映被控對象變更的物理量，又稱被控量或輸出信號。反饋量：將系統(tǒng)或元件的輸出量反送到系統(tǒng)或元件的輸入端信號稱為反饋量，又稱反饋信號。反饋有主反饋和局部反饋，負(fù)反饋和正反饋之分，自動限制系統(tǒng)通常接受負(fù)反饋。偏差量：輸入量與反饋量之差，即比較元件的輸出，又稱為偏差信號或誤差信號。擾動量：是一種對系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生不利影響的信號，又稱為擾動信號或干擾信號。1.2.2閉環(huán)限制系統(tǒng)1.3自動限制系統(tǒng)的分類按輸入信號的形式恒值系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按系統(tǒng)中信號傳遞的性質(zhì)按系統(tǒng)的輸入輸出特性自動控制系統(tǒng)分類連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)（1）恒值限制系統(tǒng)任務(wù)：維持被控量為某個恒值。主要問題：如何克服使被控量偏離給定值的各種擾動。限制器的任務(wù)：在發(fā)生任何擾動時，盡快使被控量以確定精度復(fù)原或接近到給定值。（2）隨動系統(tǒng)輸入信號是時間的未知函數(shù)，要求：輸出量能夠精確、快速地跟隨給定值的變更。主要問題：如何克服被控對象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的惰性。限制器的任務(wù)：提高系統(tǒng)的跟蹤實(shí)力，使輸出量盡快緊跟給定值。（3）程序限制系統(tǒng)輸入信號是按已知的時間函數(shù)變更，要求：被控量快速精確地復(fù)現(xiàn)給定值。系統(tǒng)的限制過程按預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行。1.3.1按輸入信號的形式分類（1）連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)各部分的信號都是時間t的連續(xù)函數(shù)。連續(xù)系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律可用微分方程來描述。（2）離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中有一處或幾處的信號是脈沖序列或數(shù)碼的形式。離散系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律可用差分方程來描述。

1.3.2按系統(tǒng)中信號傳遞的性質(zhì)分類

1.3.3按系統(tǒng)的輸入輸出特性分類（1）線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)是由線性元件所組成，系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律可以用線性微分（或差分）方程來描述。線性系統(tǒng)的主要特點(diǎn)就是滿足疊加性和齊次性，即：1）有幾個輸入時，系統(tǒng)的輸出等于各個輸入單獨(dú)作用時系統(tǒng)輸出之和；2）當(dāng)系統(tǒng)輸入增大或縮小多少倍時，系統(tǒng)輸出也增大或縮小多少倍。（2）非線性系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中存在一個或幾個非線性特性的元件時，系統(tǒng)就不能用線性方程來描述了，只能用非線性方程來描述。這種系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)不滿足疊加性和齊次性。1.4限制系統(tǒng)舉例1.4.2溫度限制系統(tǒng)1.4.3位置隨動系統(tǒng)

1.5對限制系統(tǒng)的基本要求1.穩(wěn)定性穩(wěn)定性是保證限制系統(tǒng)正常工作的前提，也是一個基本要求。對于一個穩(wěn)定的限制系統(tǒng)，當(dāng)受到擾動的作用（或給定值發(fā)生變更）時，被控量將偏離原來的穩(wěn)定值，通過系統(tǒng)的