第1章自動控制

自動限制原理（第3版）青島理工高校（臨沂）1青島理工高校（臨沂）電氣自動化教研室曲紹華聯(lián)系方式：辦公室2#4樓電話：5797014手機mail：douzishuo1016@1632學期支配課堂講授、習題課、復(fù)習60學時作業(yè)監(jiān)督、發(fā)覺解決問題考核：期末考試70%平常成果考勤、作業(yè)、課堂表現(xiàn)30%3自動限制理論發(fā)展簡史經(jīng)典限制理論(20世紀初)時域法復(fù)域法(根軌跡法)頻域法現(xiàn)代限制理論(20世紀60年頭)自適應(yīng)限制最優(yōu)限制魯棒限制最佳估計容錯限制系統(tǒng)辨識集散限制智能限制理論(20世紀70年頭)專家系統(tǒng)模糊限制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法4自動限制原理課程的任務(wù)與體系結(jié)構(gòu)5自動限制的幾個實例數(shù)控車床依據(jù)預(yù)定程序自動地切削工件化學反應(yīng)爐的溫度或壓力自動地維持恒定雷達和計算機組成的導彈放射和制導系統(tǒng)，自動地將導彈引導到敵方目標無人駕駛飛機依據(jù)預(yù)定航跡自動升降和飛行人造衛(wèi)星精確地進入預(yù)定軌道運行并回收等。6

熱蒸氣水1、水溫的手動限制示意圖操作員要用手（通過感覺）來測試水的溫度，并將此溫度與他要求的值（給定值）相比較（通過大腦）。同時他要決定（通過大腦）：他的手應(yīng)當朝哪個方向旋轉(zhuǎn)加溫用的蒸汽閥門和旋轉(zhuǎn)多大的角度。水溫限制---麻煩、費勁、辛苦、不精確！例：72、水溫的自動限制的示意圖接受自動限制時，上述功能都用相應(yīng)的元件和儀表來代替。例如，用溫度測量元件、限制記錄儀表和調(diào)整閥等。8學習方法駕馭基本概念、基本方法、基本原理要留意前后聯(lián)系，融會貫穿，保持學問的連貫性要理論聯(lián)系實際，培育自己分析和解決工程實際問題的實力要養(yǎng)成綜合分析，全面思索，細致負責的良好學習習慣9學習建議勤視察，善思索能抽象，會畫圖：建立數(shù)學模型，駕馭常用的分析方法并能用簡圖來描述限制系統(tǒng)。多做題，善總結(jié)：每一類題都有內(nèi)在的規(guī)律性，多做題并總結(jié)解題技巧和方法，做到舉一反三10第一章自動限制系統(tǒng)的基本概念本章要點：（1）駕馭自動限制相關(guān)概念及基本方式，幾種限制方式的定義，系統(tǒng)框圖，了解幾個實例的運行過程。（2）駕馭閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成，典型閉環(huán)系統(tǒng)的框圖。（3）熟悉自動限制系統(tǒng)的幾種分類方法及分類結(jié)果。（4）駕馭對限制系統(tǒng)的基本要求，“穩(wěn)”，“準”，“快”。111.1自動限制的基本方式一、基本概念：（1）自動限制：在沒人干脆參與的狀況下，利用限制裝置使被控對象或過程自動地按預(yù)定規(guī)律或數(shù)值運行。（2）自動限制系統(tǒng)：能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進行自動限制系統(tǒng)。一般由限制器(含測量元件)和限制對象組成。（3）被控對象：要求實現(xiàn)自動限制的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。（4）限制裝置：對被控對象起限制作用的限制裝置總和。（5）輸出量：位于限制系統(tǒng)輸出端，并要求實現(xiàn)自動限制的物理量，也稱為被控量。（6）輸入量：作用于限制系統(tǒng)輸入端，并可使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定輸出的物理量。12二、三種基本限制方式1、開環(huán)限制方式限制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)沒有限制作用，系統(tǒng)輸出端與輸入端之間不存在反饋回路，這種系統(tǒng)是開環(huán)限制系統(tǒng)。開環(huán)限制系統(tǒng)的特點：（1）系統(tǒng)輸出量對限制作用無影響（2）無反饋環(huán)節(jié)（3）出現(xiàn)干擾靠人工消退（4）無法實現(xiàn)高精度限制13舉例：開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（不考慮測速反饋）工作原理：變更電位器滑動端的位置，相應(yīng)地變更了電壓Ug值的大小，其值經(jīng)功率放大器放大后施加在直流電動機的電樞兩端，由于直流電動機具有恒定的勵磁電流。因此，隨著電樞電壓值的不同，電動機便以不同的轉(zhuǎn)速帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)。于是，變更Ug的大小，便限制了電動機轉(zhuǎn)速的凹凸。系統(tǒng)中，Ug是給定輸入量；電動機的轉(zhuǎn)速n是系統(tǒng)的輸出量即被控量，功率放大器的電源電壓波動、放大系數(shù)漂移、拖動負載的變更等，是擾動輸入量。可見，系統(tǒng)的輸出量，即電動機的轉(zhuǎn)速并沒有參與系統(tǒng)的限制。

14開環(huán)限制系統(tǒng)職能框圖任何開環(huán)限制系統(tǒng)，從組成系統(tǒng)元部件的職能角度看，均可用下面的結(jié)構(gòu)框圖表示。2、閉環(huán)限制方式：把輸出量干脆或間接地反饋到系統(tǒng)的輸入端，形成閉環(huán)，參與限制，這種系統(tǒng)叫閉環(huán)限制系統(tǒng)。實際的閉環(huán)限制系統(tǒng)，都是以負反饋的形式出現(xiàn)。（7）擾動：破壞系統(tǒng)輸入量和輸出量之間預(yù)定規(guī)律的信號。（8）反饋：將系統(tǒng)的輸出量饋送到參考輸入端，并與參考輸入進行比較的過程。（9）反饋限制：將系統(tǒng)的輸出量與參考輸入進行比較，并力圖保持兩者之間既定關(guān)系的限制原理。（10）前向通道：從給定信號到被控變量的通道。（11）反饋通道：從被控變量到比較點的通道。（12）誤差：期望輸出值與實際輸出值之間的偏差。在反饋限制系統(tǒng)中，參考輸入和反饋信號的偏差也稱為誤差。

15舉例：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)測速發(fā)電機檢測輸出量即轉(zhuǎn)速n并把它轉(zhuǎn)換成與給定電壓物理量相同的反饋電壓。反饋電壓與給定電壓相比較后產(chǎn)生一偏差電壓，再經(jīng)過放大器放大后去限制直流電動機的轉(zhuǎn)速。閉環(huán)限制的工作原理：將系統(tǒng)的輸出量經(jīng)測量、變換反饋到輸入端，與給定輸入相比較得到偏差信號，由偏差信號經(jīng)限制器產(chǎn)生限制作用，限制作用使偏差消退或削減，保證系統(tǒng)的輸出量按給定輸入要求變更。16閉環(huán)限制系統(tǒng)職能框圖任何閉環(huán)限制系統(tǒng)，從組成系統(tǒng)元部件的職能角度看，均可用下面的結(jié)構(gòu)框圖表示。3、復(fù)合限制方式開環(huán)限制+閉環(huán)限制兩種結(jié)構(gòu)：按輸入信號補償按擾動信號補償171.2閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成一、基本組成結(jié)構(gòu)方塊圖如圖所示

系統(tǒng)的基本元部件用框表示；信號的傳輸方向用箭頭表示；信號的綜合，用帶“×”的圓圈表示，+號表示兩信號相加，即正反饋。-表示兩信號相減，即負反饋。

18(1）被控對象：要進行限制的設(shè)備或生產(chǎn)過程。（例，工作機械）(2）執(zhí)行機構(gòu)：作用于被限制對象的裝置或設(shè)備。(例，電動機)（3）測量裝置：用來檢測被控量，并將其轉(zhuǎn)換成與給定量相同物理量的裝置（例，測速發(fā)電機）（4）放大環(huán)節(jié)：對信號進行放大或能量形式的轉(zhuǎn)換，使之適合執(zhí)行機構(gòu)工作。（例，電壓放大器，可控硅整流功放）（5）給定環(huán)節(jié)：產(chǎn)生系統(tǒng)的給定輸入信號。（電位器）（6）比較環(huán)節(jié)：將所測的被控量與給定量進行比較。（7）校正環(huán)節(jié)：用于改善系統(tǒng)性能的電路。

校正環(huán)節(jié)可加于偏差信號與輸出信號之間的通道內(nèi)，也可加于某一局部反饋通道內(nèi)。前者稱為串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，后者稱為并聯(lián)校正或(局部)反饋校正環(huán)節(jié)。閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成19二、閉環(huán)限制系統(tǒng)的特點（1）系統(tǒng)輸出量干脆或間接地參與了對系統(tǒng)的限制作用（2）有負反饋環(huán)節(jié)，并應(yīng)用反饋減小或消退誤差（3）當出現(xiàn)干擾時，可以自動減弱其影響（4）系統(tǒng)可能工作不穩(wěn)定20電動機速度限制系統(tǒng)工作原理圖(2)畫出系統(tǒng)方框圖。例：電動機速度限制系統(tǒng)依據(jù)圖所示的電動機速度限制系統(tǒng)工作原理圖，完成：(1)將a，b，c，d用線連接成負反饋方式；21（1）負反饋連接方式應(yīng)為：因為，放大器輸入端的電壓應(yīng)為給定電壓與反饋電壓兩者之差，才產(chǎn)生偏差電壓。依據(jù)基爾霍夫回路電壓定律，應(yīng)接，接。相接。，（2）首先，系統(tǒng)中的每個部件各用一方框表示，各方框內(nèi)寫入該部件的名稱；然后，依據(jù)系統(tǒng)信號的流向，方塊間用帶箭頭的信號線連接，如圖所示。解22分析系統(tǒng)的工作原理，指出被控對象、被控量和給定量；(2)畫出系統(tǒng)方框圖。例、工業(yè)爐溫自動限制系統(tǒng)爐溫自動限制系統(tǒng)23加熱爐接受的是電加熱的方式。由<<電路>>可知，電熱器產(chǎn)生的熱量與調(diào)壓器輸出電壓的平方成正比，而調(diào)壓器輸出電壓的凹凸與調(diào)壓器滑動觸點的位置有關(guān)，而該滑動觸點由可逆轉(zhuǎn)的直流電動機驅(qū)動。爐子的實際溫度用熱電偶測量，經(jīng)放大后輸出電壓為，并作為系統(tǒng)的反饋電壓與給定電壓進行比較，得出偏差電壓，經(jīng)電壓放大器、功率放大器放大后，作為電動機的電樞電壓驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。

解當加熱爐達熱平衡時，反饋電壓與給定電壓相等，偏差電壓為零，可逆電動機不轉(zhuǎn)動，調(diào)壓器的滑動觸點停留在某個合適的位置上，加熱電壓不變，溫度保持恒定的期望值。

當爐膛溫度由于某種緣由變更時，偏差電壓不為0，電動機的電樞電壓也不為0，電動機的轉(zhuǎn)動帶動滑動觸點上移或下移，使加熱電壓變更，使爐膛溫度變更，直至爐膛溫度的實際值等于期望值為止。24

系統(tǒng)中，加熱爐是被控對象，爐溫是被控量，給定量是由給定電位器設(shè)定的電壓。(2)系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)中的每個元部件各用一方框表示，各方框內(nèi)寫入該部件的名稱，依據(jù)系統(tǒng)信號的流向，方塊間用帶箭頭的信號線連接，如圖所示。限制裝置被控對象檢測裝置251.3自動限制系統(tǒng)的分類一、按數(shù)學描述形式分類：1．線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)（1）線性系統(tǒng)：用線性微分方程或線性差分方程描述的系統(tǒng)。重要性質(zhì)：滿足疊加性和齊次性當系統(tǒng)輸入為、時，系統(tǒng)為、，則系統(tǒng)總的輸出為——疊加性當輸入為，則輸出——齊次性（2）非線性系統(tǒng)：用非線性微分方程或差分方程描述的系統(tǒng)。重要性質(zhì)：不滿足疊加性和齊次性留意：任何的物理系統(tǒng)都是非線性的，但是在確定條件下可以將某些非線性特性線性化，近似地用線性微分方程去描述，這樣就可以依據(jù)線性系統(tǒng)來處理。262．連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)（1）連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各元件的輸入量和輸出量均為時間t的連續(xù)函數(shù)。連續(xù)系統(tǒng)的運動規(guī)律可用微分方程描述，系統(tǒng)中各部分信號都是模擬量。（2）離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或幾處的信號是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞的系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的運動規(guī)律可以用差分方程來描述。計算機限制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。二、按給定信號分類（1）恒值限制系統(tǒng)：給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以確定的精度接近給定希望值的系統(tǒng)。如生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動機轉(zhuǎn)速等自動限制系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)。（2）隨動限制系統(tǒng)：給定值按未知時間函數(shù)變更，要求輸出跟隨給定值的變更。如跟隨衛(wèi)星的雷達天線系統(tǒng)。（3）程序限制系統(tǒng)：給定值按確定時間函數(shù)變更。如程控機床。27限制系統(tǒng)的分類按給定信號的形式恒