第一章--自动控制的一般概念讲述优秀PPT.ppt

第一章第一章自动限制自动限制概论概论自动化（自动化（AutomationAutomation）是指机器或装置在无人干预的状况下按规定的程序或是指机器或装置在无人干预的状况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行，脱离具体物理对象而去指令自动地进行操作或运行，脱离具体物理对象而去探讨自动化是毫无意义的。探讨自动化是毫无意义的。自动化是延长人类体能和智能、提高劳动生产率和产自动化是延长人类体能和智能、提高劳动生产率和产品质量的关键技术。品质量的关键技术。限制（限制（ControlControl）是人们为实现所要达到的目标而接受的方法与手段，是人们为实现所要达到的目标而接受的方法与手段，因而可以脱离具体物理对象而去探讨限制。相应的限因而可以脱离具体物理对象而去探讨限制。相应的限制论可分为工程限制论、社会限制论、经济限制论、制论可分为工程限制论、社会限制论、经济限制论、生物限制论等。生物限制论等。2.2.自动化的含义自动化的含义自动限制是一门不断发展的、综合性的技术科学自动限制是一门不断发展的、综合性的技术科学涉及到的学科涉及到的学科:物理、化学、数学、计算机、人工智能、信息物理、化学、数学、计算机、人工智能、信息论、生命科学以及社会科学。论、生命科学以及社会科学。限制技术的运用从工业限制已进入到生物限制、限制技术的运用从工业限制已进入到生物限制、医学、环境限制、社会经济、人口限制等各个领域。医学、环境限制、社会经济、人口限制等各个领域。自动化专业的主干学科为自动化专业的主干学科为:限制科学与工程，限制科学与工程，并与电气工程、信息与通信工程、计算机科学与技并与电气工程、信息与通信工程、计算机科学与技术、仪器科学与技术等学科相关。术、仪器科学与技术等学科相关。我国首批设立的专业：工业电气自动化我国首批设立的专业：工业电气自动化 国防院校：国防院校：自动限制自动限制自自动动化化我国自动化学科专业领域包括：我国自动化学科专业领域包括：1个一级学科、个一级学科、5个二级学科，即个二级学科，即0811限制科学与工程限制科学与工程081101限制理论与限制工程限制理论与限制工程081102检测技术与自动扮装置检测技术与自动扮装置081103系统工程系统工程081104模式识别与智能系统模式识别与智能系统081105导航、制导与限制导航、制导与限制自动限制原理课程介绍自动限制原理课程介绍v先修课程：工程数学先修课程：工程数学/信号与系统信号与系统v教学内容：利用各种数学方法对限制系统进行分教学内容：利用各种数学方法对限制系统进行分析和设计析和设计v实践环节：限制方法的实践环节：限制方法的MATLAB软件实现软件实现1.省略数学证明省略数学证明2.淡化解题技巧淡化解题技巧补充内容：补充内容：MATLAB限制类工具箱的运用限制类工具箱的运用配套教材配套教材:v胡寿松胡寿松.自动限制原理基础教程科学出版社自动限制原理基础教程科学出版社,2013.v胡寿松胡寿松.自动限制原理简明教程（第自动限制原理简明教程（第2版）科学出版社版）科学出版社,2008.教材教材:v胡寿松胡寿松.自动限制原理（第自动限制原理（第6版）科学出版社版）科学出版社,2013.参考书目参考书目:v王正林王正林.MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink与限与限制系统仿真制系统仿真(第第3 3版版)电子工业电子工业出版社出版社,2012.,2012.v 薛定宇薛定宇.限制系统计算机协助限制系统计算机协助设计设计MATLABMATLAB语言与应用语言与应用(第第3 3版版)清华高校出版社清华高校出版社,2012.,2012.考核形式考核形式:上课状况上课状况(20分分)+作业作业(20分分)+实践测试实践测试(30分分)+期末考试期末考试(30分分)v古典（经典）限制理论古典（经典）限制理论v自动限制原理（理论）自动限制原理（理论）v（17871960）v以传递函数为基础探讨以传递函数为基础探讨单输入单输出定常限制单输入单输出定常限制系统的分析与设计问题。系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。现已臻成熟。v现代（近代）限制理论现代（近代）限制理论v（19601980）v以状态空间法为基础，探以状态空间法为基础，探讨多输入多输出限制系统讨多输入多输出限制系统的分析与设计问题。系统具的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。有高精度和高效能的特点。v最优限制最优限制、自适应限制、自适应限制v计算机限制、系统辨识计算机限制、系统辨识v智能限制理论（智能限制理论（1980）v以人工智能为基础，探讨困难对象（车间、工厂、集以人工智能为基础，探讨困难对象（车间、工厂、集团）、困难任务、困难环境。团）、困难任务、困难环境。v管理和限制一体化管理和限制一体化:计算机集成制造系统，困难限制系计算机集成制造系统，困难限制系统统1.2 自动限制系统的基本概念自动限制系统的基本概念自自动动限限制制，是是指指在在没没有有人人干干脆脆参参与与的的状状况况下下，利利用用外外加加的的设设备备或或装装置置（称称为为限限制制器器或或限限制制装装置置），使使机机器器、设设备备或或生生产产过过程程（统统称称被被控控对对象象）的的某某个个工工作作状状态态或或参参数数（统统称称被被控控量量）自自动动地地依依据据预预定的规律运行。定的规律运行。自自动动限限制制系系统统，是是指指能能够够对对被被限限制制对对象象的的工工作作状状态进行自动限制的系统。态进行自动限制的系统。1.2.1 反馈限制原理反馈限制原理 在在自自动动限限制制系系统统中中，被被控控量量是是要要求求严严格格加加以以限限制制的的物物理理量量；而而作作为为对对被被控控对对象象施施加加限限制制作作用用的的限限制制装装置置，可可以以接接受受不不同同的的原原理理和和方方式式完完成成赐赐予予的的任任务务。其其中中，最最基基本本的的限限制制原原理理就就是是反反馈馈限限制制原原理理。基基于于反反馈馈限限制制原原理理组组成成的的限限制制系系统统被被称称为反馈限制系统。为反馈限制系统。在在反反馈馈限限制制系系统统中中，限限制制装装置置对对被被控控对对象象施施加加限限制制作作用用，而而限限制制装装置置接接受受的的信信号号是是取取自自被被控控量量的的反反馈馈信信号号与与给给定定值值相相比比较较生生成成的的偏偏差差，依依据据偏偏差差值值的大小产生限制作用，实现限制任务。的大小产生限制作用，实现限制任务。实际行驶方向预期行驶方向图图1.1 汽车驾驶限制原理框图汽车驾驶限制原理框图测量测量预期预期路线路线大脑大脑方向盘方向盘汽车汽车实际实际路线路线眼睛和其他眼睛和其他感觉器官感觉器官手手图图1.2 1.2 汽车驾驶限制原理框图汽车驾驶限制原理框图 1.2.21.2.2限制系统的基本组成限制系统的基本组成图图1.3 1.3 限制系统职能方框图限制系统职能方框图 比较比较执行执行测量测量被控对象被控对象实测值实测值干扰干扰测量测量给定值给定值被控量被控量限制器应具有三种基本职能，即测量、比较和执行。限制器应具有三种基本职能，即测量、比较和执行。1.测测量量元元件件的的职职能能是是检检测测被被限限制制的的物物理理量量，假假如如所所测量的物理量为非电量，一般要将其转换为电量。测量的物理量为非电量，一般要将其转换为电量。2.比比较较元元件件的的职职能能是是将将测测量量元元件件检检测测到到的的被被控控量量的的实际值与给定值相比较，计算求出二者间的偏差。实际值与给定值相比较，计算求出二者间的偏差。3.放放大大元元件件的的职职能能是是将将比比较较元元件件给给出出的的偏偏差差信信号号放放大，以驱动执行元件去限制被控对象。大，以驱动执行元件去限制被控对象。4.执执行行元元件件的的职职能能是是干干脆脆推推动动被被控控对对象象，使使被被控控量量发生变更发生变更。1.2.3 技术术语技术术语1.被被控控对对象象:是是指指要要求求实实现现自自动动限限制制的的机机器器、设设备或生产过程。备或生产过程。3.限限制制器器：又又称称调调整整器器、限限制制装装置置，由由限限制制元元件件组组成成，它它接接受受指指令令信信号号，输输出出限限制制作作用用信信号号于被控对象。于被控对象。2.被被控控量量：表表征征被被控控对对象象工工作作状状态态的的物物理理参参量量(或或状状态态参参量量)，如如转转速速、压压力力、温温度度、电电压压、位位移等。移等。4.给给定定值值或或指指令令信信号号r(t)：要要求求限限制制系系统统按按确确定定规律变更的信号，是系统的输入信号。规律变更的信号，是系统的输入信号。5.干干扰扰信信号号n(t)：又又称称扰扰动动值值，是是一一种种对对系系统统的的被控量起破坏作用的信号。被控量起破坏作用的信号。6.反反馈馈信信号号b(t)：是是指指被被控控量量经经测测量量元元件件检检测测后后回馈送到系统输入端的信号。回馈送到系统输入端的信号。7.偏偏差差信信号号e(t)：是是指指给给定定值值与与被被控控量量的的差差值值，或指令信号与反馈信号的差值。或指令信号与反馈信号的差值。液位限制系统液位限制系统限制器限制器减速器减速器电动机电动机电位器电位器浮子浮子用水开关用水开关Q2Q1cifSM 下面通过具体例子来说明自动限制和自动限制系下面通过具体例子来说明自动限制和自动限制系统的概念统的概念限制任务：限制任务：维持水箱内水位恒定维持水箱内水位恒定限制装置：限制装置：阀门、限制器阀门、限制器受控对象：受控对象：水箱、供水系统水箱、供水系统被控量：被控量：水箱内水位的高度水箱内水位的高度给定值给定值：限制器刻度盘指针标定限制器刻度盘指针标定的预定水位高度的预定水位高度测量装置测量装置：浮子浮子比较装置比较装置：限制器刻度盘限制器刻度盘干扰：干扰：水的流出量和流入量的水的流出量和流入量的变更都将破坏水位保持变更都将破坏水位保持恒定恒定自动限制，即没有人干脆参与的限制。其基本任务是：自动限制，即没有人干脆参与的限制。其基本任务是：在无人干脆参与的状况下，利用限制装置操纵被控对在无人干脆参与的状况下，利用限制装置操纵被控对象，使被限制量等于给定值。象，使被限制量等于给定值。自动限制系统：指能够完成自动限制任务的设备，一般由限制装置和被控对象组成。由此可见：由此可见：1.3.1 1.3.1 开环限制开环限制 1.按给定值限制按给定值限制 图图1.4 开环限制框图开环限制框图1.3 自动限制的基本方式自动限制的基本方式 温度计温度计 加热电阻丝加热电阻丝调压器调压器u(a)原理图原理图220V输出量输出量(手柄位置手柄位置)输入量输入量 调压器调压器 加热加热 电阻丝电阻丝 电炉电炉 恒温箱恒温箱 受控对象受控对象(温度温度)扰动量扰动量(b)方块图方块图控制装置控制装置炉温限制系统炉温限制系统 按给定值操纵的开环按给定值操纵的开环限制限制特点：限制装置只按给定值来限制受控对象。特点：限制装置只按给定值来限制受控对象。优点：限制系统结构简洁，相对来说成本低。优点：限制系统结构简洁，相对来说成本低。缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正实力，抗干扰实力差，限制精度不高。任何修正实力，抗干扰实力差，限制精度不高。1.3.2 1.3.2 闭环限制闭环限制 图图1.5 1.5 闭环限制框图闭环限制框图 v用用“”号代表比较装置，号代表比较装置，“”号代表两者符号相反。信号沿号代表两者符号相反。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路前向通路；系统输；系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称主反馈通路主反馈通路。前向。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。通路与主反馈通路共同构成主回路。被控量被控量偏差偏差信号信号(-)参考参考 输入信号输入信号r(t)调节器调节器(或控制器或控制器)u(t)受控系统受控系统e(t)c(t)反馈信号反馈信号 控制量控制量 扰动扰动 给定给定 装置装置 校正校正 装置装置 放大放大 元件元件 执行执行 机构机构 受控受控 对象对象 反馈装置反馈装置(测量元件测量元件)给定装置：产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）给定装置：产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）测量装置：测量被限制的物理量（被控量），用于产生反馈信号测量装置：测量被限制的物理量（被控量），用于产生反馈信号各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。比较装置：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件比较装置：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。如差动放大器、自整角机。如差动放大器、自整角机。放大装置：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件放大装置：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去限制被控对象，如放大器、晶闸管。去限制被控对象，如放大器、晶闸管。执行机构：干脆推动被控对象，使其被控量发生变更。执行机构：干脆推动被控对象，使其被控量发生变更。如步进电机，继电器开关。如步进电机，继电器开关。补偿装置：它是结构或参数便于调整的元件或机构，用串联或补偿装置：它是结构或参数便于调整的元件或机构，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善限制系统性能。反馈的方式连接在系统中，以改善限制系统性能。工业应用的限制系统：电动、汽（气）动、液动。工业应用的限制系统：电动、汽（气）动、液动。限制任务：保持转台的实际转速等于期望转速。限制任务：保持转台的实际转速等于期望转速。被控对象：转台。被控对象：转台。被控量：转台转速。被控量：转台转速。例例 转台速度限制系统转台速度限制系统 转台速度闭环限制系统原理方框图转台速度闭环限制系统原理方框图 给定电位器给定电位器反馈电位器反馈电位器例例 飞机飞机-自动驾驶仪系统自动驾驶仪系统飞机自动驾驶系统原理图控制任务控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象被控对象：飞机。飞机。被控量被控量：飞机的俯仰角飞机的俯仰角 。俯仰角限制系统原理方框图俯仰角限制系统原理方框图函数记录仪原理示意图函数记录仪原理示意图RQRWuLtur变换器变换器放大器放大器绳轮绳轮电机电机测速机测速机减速器减速器函数记录仪方块图1.3.3.1.3.3.复合限制复合限制 图图1.6 1.6 复合限制框图复合限制框图 v定义：通常把系统受到外作用后，被控量随时间变定义：通常把系统受到外作用后，被控量随时间变更的全过程，称为动态过程或过渡过程。更的全过程，称为动态过程或过渡过程。工程上常从稳、快、准三个方面来评价限制系统。工程上常从稳、快、准三个方面来评价限制系统。稳：稳：指限制系统的稳定性与平稳性。指限制系统的稳定性与平稳性。快：快：指限制系统的快速性。指限制系统的快速性。准：准：指限制系统的最终精度（稳态精度）。指限制系统的最终精度（稳态精度）。1.4 自动限制系统的基本要求自动限制系统的基本要求 1 1 稳定性稳定性 稳定性是保证限制系统正常工作的先决条件。稳定性是保证限制系统正常工作的先决条件。对对于于稳稳定定的的限限制制系系统统，被被控控量量偏偏离离期期望望值值后后，经经过过一一段过渡时间后，被控量应复原到原来状态。段过渡时间后，被控量应复原到原来状态。对对于于不不稳稳定定的的限限制制系系统统，其其被被控控量量偏偏离离期期望望值值的的偏偏差差将会越来越大，最终发散。将会越来越大，最终发散。限制系统动态过程曲线限制系统动态过程曲线如上图所示，系统在外力作用下，输出渐渐与期望值一样，则如上图所示，系统在外力作用下，输出渐渐与期望值一样，则系统是稳定的，如曲线系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则所示，则系统是不稳定的。系统是不稳定的。稳：稳：指限制系统的稳定性与平稳性指限制系统的稳定性与平稳性2 2 快速性快速性 快速性即动态过程进行时间的长短。快速性即动态过程进行时间的长短。过程时间越短，说明系统的快速性越好，过程时间持续过程时间越短，说明系统的快速性越好，过程时间持续越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变更的指令信越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变更的指令信号。号。稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能。稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能。限制系统的动态过程限制系统的动态过程快：快：指限制系统的快速性指限制系统的快速性3 3 精确性精确性 当系统结束过渡过程后，被控量达到稳定值（平当系统结束过渡过程后，被控量达到稳定值（平衡状态），这个稳定值与期望值的误差，就是系衡状态），这个稳定值与期望值的误差，就是系统的统的稳态误差稳态误差。它是衡量系统稳态精度的指标，它是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。反映了动态过程后期的性能。以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体状况不同，各系统要求也有所侧重，而控对象的具体状况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。1.5限制系统的计算机协助设计限制系统的计算机协助设计v限制系统的计算机协助设计发展概况限制系统的计算机协助设计发展概况v第一阶段：第一阶段：6070年头，接受一个或者几年头，接受一个或者几个限制系统计算程序组成的限制系统计算机个限制系统计算程序组成的限制系统计算机协助设计软件包。协助设计软件包。v其次阶段：其次阶段：7080年头，功能齐全的用于年头，功能齐全的用于多变量系统设计的计算机协助设计软件包。多变量系统设计的计算机协助设计软件包。v第三阶段：第三阶段：80中期起先，产生仿真软件中期起先，产生仿真软件MATLAB限制系统计算机协助设计仿真系限制系统计算机协助设计仿真系统。统。v限制系统计算机协助设计的主要内容限制系统计算机协助设计的主要内容v计算机协助建立系统模型计算机协助建立系统模型v数学模型表示方式之间的相互转换数学模型表示方式之间的相互转换v计算机协助分析和设计限制系统计算机协助分析和设计限制系统 数字仿真试验接受目前世界上最为流行的计算机仿真软件MATLAB。它是一个功能特别强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境，已经成为一种好用的全新计算机高级编程语言。在欧美高校里，诸如应用代数、数理统计、自动限制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把MATLAB作为内容。MATLAB更是探讨和解决工程计算问题的一种标准软件，被用来解决一些实际课题和数学模型问题。MATLABMATLAB仿真软件仿真软件SIMULINK在工程实际中，限制系统的结构往往很困难，假如不借助专用的系统建模软件，则很难精确地把一个限制系统的困难模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。1990年，Math Works软件公司为MATLAB供应了新的限制系统模型图输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工具很快就在限制工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段。但因其名字与当时比较著名的软件SIMULA类似，所以1992年正式将该软件更名为SIMULINK。SIMULINK简介简介qSIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区分在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入。q所谓模型化图形输入是指SIMULINK供应了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所须要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。vSIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事务系统。v在SIMULINK环境中，用户可视察到摩擦、风阻、齿隙、饱和、死区等非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。还可以在仿真进程中变更感爱好的参数，实时地视察系统行为的变更。v在MATLAB6.x版中，可干脆在SIMULINK环境中运作的工具包很多，已覆盖通信、限制、信号处理、电力系统等诸多领域，所涉内容专业性极强。本章小结本章小结1正正确确理理解解自自动动限限制制的的三三种种基基本本限限制制方方式式，尤尤其闭环负反馈按偏差限制的原理更要清晰。其闭环负反馈按偏差限制的原理更要清晰。2在在已已知知自自动动限限制制系系统统工工作作原原理理图图的的条条件件下下，娴娴熟熟地地给给出出该该系系统统的的职职能能方方框框图图，正正确确标标示示出出系统各职能元件的名称和信号的名称。系统各职能元件的名称和信号的名称。