自动控制理论课件1-1辩析优秀PPT.ppt

自动限制理论主讲老师：方敏主讲老师：方敏教学教学参考书参考书参考书：参考书：自动限制理论（第五版），胡寿松主编自动限制理论（第五版），胡寿松主编.科学出版社科学出版社 现代限制系统（第八版），现代限制系统（第八版），Richard C.Dorf等著，等著，谢红卫等译谢红卫等译.高等教化出版社高等教化出版社 现代限制系统（第十一版），现代限制系统（第十一版），Richard C.Dorf等著等著.电子工业出版社电子工业出版社(英文原版教材英文原版教材)自动限制原理孙虎章主编，中心广播电视高校自动限制原理孙虎章主编，中心广播电视高校 教材：自动限制理论王孝武，方敏，葛锁良编教材：自动限制理论王孝武，方敏，葛锁良编.机械工业出版社机械工业出版社 2009.10自动化自动化（Automation)v自动化涉及的理论基础：限制论、信息论、系统论。v 自动化的基础是信息，核心是限制，立足在系统。v 限制论：利用信息进行调整和限制的科学限制论：利用信息进行调整和限制的科学v v 工程限制论工程限制论 钱学森工程限制论钱学森工程限制论19541954年年 v 生物限制论生物限制论v 经济限制论经济限制论v .v自动化是利用机器、设备或装置代替人或帮助人自动地完成某个任务或实现某个过程。自动限制理论：自动限制理论：是工程限制论的一个分支。是探讨限制系统的分是工程限制论的一个分支。是探讨限制系统的分析与设计的一般理论。析与设计的一般理论。经典限制理论经典限制理论 核心是反馈限制的思想核心是反馈限制的思想 20 20世纪世纪40-5040-50年头发展起来形成体系年头发展起来形成体系 现代限制理论现代限制理论 20 20世纪世纪6060年头以后年头以后 大系统、困难系统、智能限制系统大系统、困难系统、智能限制系统 20 20世纪世纪8080年头以后年头以后被普遍认被普遍认为是最早为是最早应用于工应用于工业过程的业过程的反馈限制反馈限制器。器。自动限制的应用领域自动限制的应用领域v军事与国防v航空航天v工业生产过程 （石油、化工、冶金、热动.）v电力系统自动化v先进制造技术v车辆工程v交通工程v机器人v建筑与楼宇自动化v办公自动化v家庭自动化v商业自动化v管理自动化v社会与经济系统限制第第1 1章章 绪论绪论 1.1 1.1 自动限制的任务自动限制的任务在没有人的干脆参与下，利用自动限制装置对被控对象的某些物理量进行限制，使其达到希望的值或保持希望的运动规律。几个名词：几个名词：被控对象：须要进行限制的机器、设备或生产过程。被控对象：须要进行限制的机器、设备或生产过程。被控量（输出）：须要限制的、表征被控对象工作状态的被控量（输出）：须要限制的、表征被控对象工作状态的 物理量。物理量。给定值给定值（参考输入）：（参考输入）：生产过程中，对被控量的希望值。干扰干扰：使被控量偏离希望值的因素。外部作用液位限制系统自动调节阀自动调节阀控制器控制器浮子浮子限制任务：让液位限制任务：让液位H保持在保持在H0不变不变H0Q2阀门阀门水箱水箱Q1H液位限制系统的工作原理框图头脑头脑手和阀门手和阀门水箱水箱眼睛眼睛H0HQ2的变化Q1操作工控制器控制器气动阀门气动阀门水箱水箱浮子浮子H0HQ2的变化Q1控制装置1.2 1.2 自动限制系统的组成自动限制系统的组成自动限制系统：被控对象和限制装置的总体。自动限制系统：被控对象和限制装置的总体。比较、计算比较、计算执行执行被控对象被控对象测量测量输出输出干扰干扰控制装置控制装置输入输入测量测量控制量控制量限制装置的三种基本功能：限制装置的三种基本功能：1.1.对被控量和干扰量进行测量；对被控量和干扰量进行测量；传感器、测量元件传感器、测量元件2.2.依据给定输入、被控量和干扰量进行进行比较计算，依据给定输入、被控量和干扰量进行进行比较计算，给出限制量或限制策略；给出限制量或限制策略；比较元件、放大元件、模拟或数字电路、计算机等比较元件、放大元件、模拟或数字电路、计算机等3.3.执行限制策略。执行限制策略。执行元件执行元件1.3 1.3 自动限制方式自动限制方式依据限制信号的来源不同，可以分为以下三种限制结构：依据限制信号的来源不同，可以分为以下三种限制结构：输出输出计算计算执行执行被控对象被控对象干扰干扰控制装置控制装置输入输入控制量控制量按给定值限制：按给定值限制：按干扰补偿：按干扰补偿：输出输出计算计算执行执行被控对象被控对象干扰干扰控制装置控制装置测量测量控制量控制量按偏差调整：按偏差调整：输出输出比较、计算比较、计算执行执行被控对象被控对象测量测量干扰干扰控制装置控制装置输入输入控制量控制量自动限制方式：自动限制方式：1.开环限制方式：按给定值限制、按干扰补偿开环限制方式：按给定值限制、按干扰补偿2.闭环限制方式（反馈限制）：按偏差调整闭环限制方式（反馈限制）：按偏差调整基本限制方式3.复合限制方式：按输入补偿、按干扰补偿复合限制方式：按输入补偿、按干扰补偿 复合限制方式复合限制方式干扰干扰控制装置控制装置补偿装置补偿装置被控对象被控对象输出输出干扰干扰输入输入控制装置控制装置补偿装置补偿装置被控对象被控对象输出输出输入输入按输入补偿的复合限制按输入补偿的复合限制按干扰补偿的复合限制按干扰补偿的复合限制1.4 1.4 自动限制系统分析举例自动限制系统分析举例v明确限制系统的任务；明确限制系统的任务；v被控对象是什么？被控量（系统输出量）？有哪些干扰？被控对象是什么？被控量（系统输出量）？有哪些干扰？v参考输入？有谁供应？参考输入？有谁供应？v什么是测量元件？测量哪些物理量？什么是测量元件？测量哪些物理量？v信号的计较、计算、放大是如何实现的？信号的计较、计算、放大是如何实现的？v执行机构是什么？执行机构是什么？v画出限制系统的原理方框图，分析系统接受何种限制方式。画出限制系统的原理方框图，分析系统接受何种限制方式。分析实际限制系统的步骤：分析实际限制系统的步骤：炉温限制系统限制任务：保持炉温限制任务：保持炉温T为为T0不变不变水位自动限制系统限制任务：保持水位限制任务：保持水位H为为H0不变不变水门水门2 2杠杆杠杆水门水门1水箱水箱谷物湿度限制系统限制任务：保持输出谷物湿度为给定值限制任务：保持输出谷物湿度为给定值位置随动限制系统位置随动限制系统桥式电位计桥式电位计放大器放大器电动机电动机减速器减速器工作机械工作机械手柄手柄限制任务：要求工作机械的角位置限制任务：要求工作机械的角位置c跟随给定角位置跟随给定角位置r电动机调速系统放大器限制任务：保持电动机恒速运行限制任务：保持电动机恒速运行1.5 1.5 对限制系统的性能要求对限制系统的性能要求限制系统的时间响应过程系统受到外部作用（给定值或干扰）后，被控量（输出）随时间变更的系统受到外部作用（给定值或干扰）后，被控量（输出）随时间变更的全过程称为系统的时间响应过程全过程称为系统的时间响应过程c(t)。控制系统控制系统动态过程（瞬态过程）动态过程（瞬态过程）稳态过程稳态过程不同限制系统的时间响应过程比较考虑 时：对限制系统要求：稳、快、准稳定性稳定性 稳定性是保证系统正常工作的先决条件。一个稳定的限制系稳定性是保证系统正常工作的先决条件。一个稳定的限制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长渐渐减小或趋于统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长渐渐减小或趋于零。也就是说，限制器的限制作用应使误差渐渐减小。若限制不当，零。也就是说，限制器的限制作用应使误差渐渐减小。若限制不当，使误差渐渐变大，就形成了不稳定的限制系统，不稳定的限制系统是使误差渐渐变大，就形成了不稳定的限制系统，不稳定的限制系统是不能正常工作的。不能正常工作的。快速性快速性 为了很好完成限制任务，限制系统仅仅满足稳定性要求是不为了很好完成限制任务，限制系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必需对其过渡过程的形式和快慢提出要求。够的，还必需对其过渡过程的形式和快慢提出要求。精确性精确性 当过渡过程结束后，被控量达到的稳态值（即平衡状态）应与期当过渡过程结束后，被控量达到的稳态值（即平衡状态）应与期望值一样。被控量的稳态值与期望值之间的误差称为稳态误差。稳态误差望值一样。被控量的稳态值与期望值之间的误差称为稳态误差。稳态误差是衡量限制系统限制精度的重要标记。是衡量限制系统限制精度的重要标记。依据描述系统的数学模型：依据描述系统的数学模型：线性系统线性系统 ：时变系统、定常系统时变系统、定常系统 非线性系统非线性系统依据系统传递的信号的性质：依据系统传递的信号的性质：连续限制系统连续限制系统 离散限制系统离散限制系统依据系统输入信号的变更规律：依据系统输入信号的变更规律：随动限制系统（伺服系统）随动限制系统（伺服系统）恒值限制系统（镇静系统、调整系统）恒值限制系统（镇静系统、调整系统）程序限制系统程序限制系统另外：另外：按限制方式可分为开环限制、闭环限制、复合限制等；按限制方式可分为开环限制、闭环限制、复合限制等；按元件类型可分为机械系统、电气系统、液压系统、气动系统等；按元件类型可分为机械系统、电气系统、液压系统、气动系统等；按系统功用可分为温度限制系统、压力限制系统、位置限制系统等；按系统功用可分为温度限制系统、压力限制系统、位置限制系统等；按系统性能可分为集总参数系统和分布参数系统、确定系统和不确定系统等；按系统性能可分为集总参数系统和分布参数系统、确定系统和不确定系统等；1.6 1.6 限制系统的分类限制系统的分类线性连续系统线性连续系统：这类系统可用线性微分方程描述，其一般形式为：式中，c(t)是被控量，r(t)是输入量。系数a0、a1、，b0、b1、为常数时，系统称为线性定常系统线性定常系统，系数a0、a1、，b0、b1、随时间而变时，系统称为线性时变系统线性时变系统。线性离散系统线性离散系统：离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。这类系统可用差分方程描述，其一般形式为：非线性系统非线性系统 系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性系统，这时要用非线性微分（或差分）方程来描述其特性。非线性方程的特点是方程的系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项，例如：1.7 1.7 本课程的内容本课程的内容线性定常连续系统线性定常连续系统系统的数学模型系统的数学模型 系统的分析方法：系统的分析方法：系统的校正方法系统的校正方法 线性定常离散系统线性定常离散系统 模型、分析、校正模型、分析、校正（第（第2章）章）（第（第3章）章）（第（第4章）章）（第（第5章）章）（第（第6章）章）（第（第7章）章）时域法时域法 根轨迹法根轨迹法 频域法频域法在在 的某一域内收敛，则称其为的某一域内收敛，则称其为 的拉普拉斯变换，记为的拉普拉斯变换，记为设函数设函数 当当 时有定义，且积分时有定义，且积分复习：拉普拉斯变换n几种典型函数的拉氏变换：几种典型函数的拉氏变换：脉冲函数、阶跃函数、斜坡函数、指数函数、正弦函数等脉冲函数、阶跃函数、斜坡函数、指数函数、正弦函数等n拉氏变换的性质：拉氏变换的性质：线性定理、微分定理、积分定理、终值定理、位移定理线性定理、微分定理、积分定理、终值定理、位移定理n拉氏反变换方法：拉氏反变换方法：主要是部分分式法主要是部分分式法n用拉氏变换求解微分方程用拉氏变换求解微分方程 n 拉氏变换的定义拉氏变换的定义