自動控制原理第一章概論

1自動限制原理物理與機電工程學(xué)院吳德志wdz@2要求1、出勤（請假）2、作業(yè)3、考試（閉卷，大作業(yè)，實際電路分析）4、評價機制3第一章

緒論1-1自動限制理論的意義1-2自動限制的基本概念1-3自動限制系統(tǒng)的分類1-4閉環(huán)限制系統(tǒng)的基本組成1-5自動限制系統(tǒng)的基本要求1-6自動限制系統(tǒng)建模方法4§1自動限制理論的意義1、通過自動限制的學(xué)習(xí)，應(yīng)用理論學(xué)問來改善系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)達到設(shè)計要求；2、自動限制理論對很多領(lǐng)域都有應(yīng)用價值，如成本、投資組合等；3、自動限制理論對分析事物更加明白（功能模塊）；4、依據(jù)須要進行系統(tǒng)設(shè)計，并接受相關(guān)設(shè)備進行實現(xiàn)。1)當(dāng)系統(tǒng)給定，輸入已知，求系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，通過輸出響應(yīng)來探討系統(tǒng)本身的各種問題，即系統(tǒng)分析。2)系統(tǒng)確定，求輸入，使輸出盡可能符合給定的最優(yōu)要求，即最優(yōu)限制問題。3)輸入已知，使輸出盡可能復(fù)現(xiàn)輸入給定的最佳要求，即最優(yōu)設(shè)計問題。4)輸出已知，確定系統(tǒng)，識別輸入中的有關(guān)信息，即濾波與預(yù)料問題。5)輸入和輸出已知，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，即建立數(shù)學(xué)模型，稱為系統(tǒng)辨識問題。5§2

基本概念6汽車自動焊接生產(chǎn)線§2

基本概念自動立體倉庫7§2

基本概念應(yīng)用概念8§2

基本概念2、自動限制原理：自動限制基本理論和分析設(shè)計限制系統(tǒng)的基本方法。1、自動限制：指在沒有人干脆參與的狀況下，利用限制裝置（限制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對象）的某一工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動依據(jù)預(yù)定的規(guī)律運行。自動限制理論經(jīng)典限制理論現(xiàn)代限制理論以傳遞函數(shù)為工具和基礎(chǔ)，以頻域法、根軌跡法為核心，探討單變量限制系統(tǒng)的分析和設(shè)計。在20世紀50年頭就已經(jīng)發(fā)展成熟，至今在實踐中得到廣泛的應(yīng)用。以狀態(tài)空間法作為標記和基礎(chǔ)，探討多變量限制系統(tǒng)和困難系統(tǒng)的分析和設(shè)計，以便滿足軍事、空間技術(shù)和困難的工業(yè)領(lǐng)域?qū)取⑺俣?、加速度和成本等的嚴格要求。?960年起先快速發(fā)展。西方工業(yè)革命對應(yīng)航空航天9§2

基本概念（1）依據(jù)限制方式和限制策略可分為開環(huán)限制和閉環(huán)限制§3

系統(tǒng)的基本分類優(yōu)點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便缺點：抗干擾實力差，對環(huán)境和元件要求比較嚴格優(yōu)點：抗干擾能力強缺點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)困難，調(diào)試難，易產(chǎn)生不穩(wěn)定系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路系統(tǒng)的輸出端與輸入端存在反饋回路11開環(huán)與閉環(huán)限制系統(tǒng)§3

系統(tǒng)的基本分類12（2）按輸入信號分為定值限制、伺服系統(tǒng)和程序限制系統(tǒng)輸入信號為恒值。如室溫限制系統(tǒng)、電機轉(zhuǎn)速限制系統(tǒng)輸入信號為變更規(guī)律未知的隨意時間函數(shù)，系統(tǒng)的任務(wù)是使被控變量按同樣的規(guī)律變更并與輸入信號的誤差保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。如火炮自動跟蹤系統(tǒng)輸入信號按已知規(guī)律要求被控變量也按相應(yīng)的規(guī)律隨輸入信號變更，誤差不超過規(guī)定值?！?

系統(tǒng)的基本分類13火炮自動跟蹤系統(tǒng)——“火炮打飛機”伺服系統(tǒng)§3系統(tǒng)的基本分類14系統(tǒng)的某一處或幾處信號以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的限制系統(tǒng)。系統(tǒng)中用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號。其中離散信號以脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖限制系統(tǒng)，離散信號以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)又叫數(shù)字限制系統(tǒng)。（3）按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)可分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)離散特點：系統(tǒng)各部分信號都是模擬的連續(xù)函數(shù)。目前工業(yè)中普遍接受的常規(guī)儀表PID調(diào)整器限制的系統(tǒng)?！?系統(tǒng)的基本分類15輸入輸出控制系統(tǒng)限制系統(tǒng)的組成：輸入部分、限制系統(tǒng)部分和輸出部分。§4限制系統(tǒng)的基本組成輸入信號——系統(tǒng)限制目標的反映，是人的意志的具體體現(xiàn)。限制系統(tǒng)——主要完成對有關(guān)信號的變換、處理，發(fā)出限制量，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成限制功能。輸出信號——系統(tǒng)的限制結(jié)果，反映了被控對象的運行狀態(tài)。從物理角度上看，自動限制探討的是特定激勵作用下的系統(tǒng)響應(yīng)變更狀況；從數(shù)學(xué)角度上看，探討的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系。16§4

系統(tǒng)的基本組成限制目標：爐子的溫度恒定在期望值。人工限制例17自動限制§4

系統(tǒng)的基本組成§4

系統(tǒng)的基本組成19爐溫限制系統(tǒng)方框圖§4

系統(tǒng)的基本組成20§4

系統(tǒng)的基本組成限制系統(tǒng)的基本組成限制系統(tǒng)中限制對象以外的部件成為限制元件，依據(jù)限制元件在系統(tǒng)中的作用和功能可將限制元件分成四類：（1）執(zhí)行元件執(zhí)行元件的功能是干脆帶動限制對象，干脆變更被控變量，如加熱器、機電限制中的各種電機等；（2）放大元件將微弱的信號放大，使信號具有足夠大的幅度或功率前置放大：如由運放構(gòu)成的前置放大器放大電壓，而輸出電流小

功率放大：它輸出信號可干脆帶動執(zhí)行元件運轉(zhuǎn)和動作，如功率晶體管組成的功率放大器，同時輸出足夠的電壓和電流，能干脆帶動直流電機轉(zhuǎn)動。21§4

系統(tǒng)的基本組成（3）測量元件將一種物理量檢測出來，并按某種規(guī)律轉(zhuǎn)換成簡潔處理和運用的另一種物理量，一般稱為傳感器；（4）補償元件為了保證系統(tǒng)能正常工作并提高工作性能，限制系統(tǒng)中還要一些元件，統(tǒng)稱補償元件，又稱校正元件。典型的反饋限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖反饋補償反饋元件：測量被調(diào)量，產(chǎn)生主反饋信號，該信號與輸出量之間存在確定的函數(shù)關(guān)系（通常是比例關(guān)系）。如：調(diào)速系統(tǒng)的測速發(fā)電機22內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速限制系統(tǒng)應(yīng)用瓦特式轉(zhuǎn)速調(diào)整器的內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速限制系統(tǒng)23§4

系統(tǒng)的基本要求基本要求可歸納為3個方面：穩(wěn)定性、精確性、快速性與平穩(wěn)性（1）穩(wěn)定性不穩(wěn)定指系統(tǒng)失控，被控變量不是趨向所希望的數(shù)值，而且趨向所能達到的最大值或者在兩個較大值之間波動或振蕩。（2）精確性要求被控變量與設(shè)定值之間的誤差達到所要求的范圍（精度）。（3）快速性與平穩(wěn)性指其過渡過程的形式和快慢。24§5

系統(tǒng)的建模方法限制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是對實際物理系統(tǒng)的一種數(shù)學(xué)抽象，是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量和變量之間關(guān)系的表達式。數(shù)學(xué)模型靜態(tài)模型靜態(tài)條件下（即變量各階導(dǎo)數(shù)為零），描述變量間關(guān)系的代數(shù)方程。動態(tài)模型用微分（差分）方程描述的變量在動態(tài)過程中的關(guān)系限制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)形式：圖形、計算機程序、數(shù)學(xué)公式限制系統(tǒng)建模方法：分析法和試驗法分析法對系統(tǒng)各部分的運動機理進行分析，列出相應(yīng)的運動方程（如電學(xué)中的基爾霍夫定律，力學(xué)中的牛頓定律等）。實驗法對系統(tǒng)施加某種信號，記錄其輸出響應(yīng)，并用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型去逼近，也稱系統(tǒng)辨識。25§5

系統(tǒng)的建模方法