控制系统导论.答案优秀PPT.ppt
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1、自动限制原理自动限制原理胡寿松 主编科学出版社引引 言言自动限制的定义:所谓自动限制是指在无人干脆参与的状况下,通过外加的设备或装置(称为限制器Controller),使机器、设备或生产过程(统称被控对象Plant)的某个工作状态或参数自动地依据预定的规律运行。限制理论的发展可分为三个时期:经典限制理论 现代限制理论 大系统理论及智能限制理论自动限制理论:是探讨自动限制共同规律的技术学科是自动化学科的重要理论基础经典限制理论(古典限制理论)1.1.主要探讨对象:主要探讨对象:2.2.单输入单输出限制系统的分析与综合单输入单输出限制系统的分析与综合问题问题3.3.接受的数学模型:接受的数学模型:
2、4.4.动态微分方程动态微分方程时域数学模型时域数学模型5.5.传递函数传递函数复域数学模型复域数学模型6.6.结构图结构图图形化的数学模型图形化的数学模型7.7.信号流图信号流图图形化的数学模型图形化的数学模型3.3.分析方法:分析方法:线性系统:时域分析法、根轨迹法、线性系统:时域分析法、根轨迹法、频域分析法等频域分析法等非线性系统:相平面法、描述函数法、非线性系统:相平面法、描述函数法、逆系统法逆系统法4.4.经典限制理论的局限性:经典限制理论的局限性:难以有效解决时变系统和多变量系统的分难以有效解决时变系统和多变量系统的分析与综合问题;析与综合问题;传递函数只反应端口关系,难以揭示系统
3、传递函数只反应端口关系,难以揭示系统更为深刻的内部特性。更为深刻的内部特性。现代限制理论以状态空间法为基础,可探讨多输入以状态空间法为基础,可探讨多输入-多多输出、时变、非线性、高精度、高效能控输出、时变、非线性、高精度、高效能控系统的分析与综合问题。系统的分析与综合问题。现代限制理论在空间技术方面取得了巨大现代限制理论在空间技术方面取得了巨大成功,但在应用于困难工业过程限制时,成功,但在应用于困难工业过程限制时,却遇到了诸如建立精确数学模型困难、工却遇到了诸如建立精确数学模型困难、工业过程限制中普遍存在的不确定性和干扰业过程限制中普遍存在的不确定性和干扰等因素,一般难以取得预期的限制效果。等
4、因素,一般难以取得预期的限制效果。大系统及智能限制理论随着生产的发展和科学技术的进步,出现了诸如随着生产的发展和科学技术的进步,出现了诸如电力系统、交通网络、通讯系统、计算机集成系电力系统、交通网络、通讯系统、计算机集成系统等这样一些规模浩大、结构困难、地理位置分统等这样一些规模浩大、结构困难、地理位置分散的系统,为解决这类系统的限制问题,提出了散的系统,为解决这类系统的限制问题,提出了大系统理论。大系统理论。另一方面,对于一些困难系统,难于建立数学模另一方面,对于一些困难系统,难于建立数学模型,难于用常规限制理论定量计算分析,必需接型,难于用常规限制理论定量计算分析,必需接受定量、定性相结合
5、的限制方式,于是提出了智受定量、定性相结合的限制方式,于是提出了智能限制理论能限制理论模拟人的限制技术,虽然不能实模拟人的限制技术,虽然不能实现精确的限制,但对各种困难系统能够做到比较现精确的限制,但对各种困难系统能够做到比较满足的限制。满足的限制。课程学习要面临课程学习要面临数学基础宽而深数学基础宽而深限制原理抽象限制原理抽象计算困难且繁琐计算困难且繁琐绘图困难绘图困难计算机数学语言计算机数学语言MATLABMATLAB 第一章第一章 限制系统导论限制系统导论 1-1 1-1 自动限制的基本原理自动限制的基本原理 1-2 1-2 自动限制系统示例自动限制系统示例 1-3 1-3 自动限制系统
6、的分类自动限制系统的分类 1-4 1-4 对自动限制系统的基本要对自动限制系统的基本要求求 1-5 1-5 典型输入信号典型输入信号 1-6 1-6 自动限制系统的分析与设自动限制系统的分析与设计工具计工具例:水温人工限制 工作原理:工作原理:通过调整阀门的开度,通过调整阀门的开度,可调整热蒸汽流量可调整热蒸汽流量,从从而限制被加热水的温度。而限制被加热水的温度。热蒸汽通过管道把热热蒸汽通过管道把热量传递给被加热的水量传递给被加热的水,被加热水的温度与热蒸被加热水的温度与热蒸汽流量成正比。汽流量成正比。1.1 自动限制的基本原理热蒸汽热蒸汽排汽排汽冷水冷水热水热水水温人工(手动)限制系统的组成
7、:(1)被控对象:水箱(2)被控量:水温(3)眼睛:观测水温变更(4)大脑:分析、比较、推断(5)手:动作执行水温自动限制系统中需增加的设备:限制器限制器 大脑大脑执行机构执行机构(电机)(电机)手手加入给定信号加入给定信号工作原理:检测实际温度检测实际温度产生限制信号产生限制信号测量变送装置测量变送装置眼睛眼睛限制器限制器电机电机 限制器依据水温偏差,限制器依据水温偏差,输出不同的限制作用,输出不同的限制作用,通过电机调整阀门开度,通过电机调整阀门开度,以变更热蒸汽的流入量,以变更热蒸汽的流入量,从而达到限制水温的目从而达到限制水温的目的。的。水温自动限制:(1)被控对象:水箱(2)被控量:
8、水温(3)测量装置:测量被加热水的温度(4)限制器:完成比较和限制功能(5)执行机构:完成限制动作限制系统原理框图被控被控对象对象大脑大脑 (限制器)(限制器)眼睛眼睛 (测量装置)(测量装置)被控被控对象对象执行机构执行机构限制器限制器测量装置测量装置给定输入给定输入给定输入给定输入水温水温水温水温手手(执行机构)(执行机构)水箱水箱水箱水箱电机电机限制系统中常用的名词术语l 自动限制:指在无人干脆参与的状况下,自动限制:指在无人干脆参与的状况下,利用限制装置操纵被控对象,使被控对象的利用限制装置操纵被控对象,使被控对象的被控量自动地按预定的规律变更。被控量自动地按预定的规律变更。l 被控对
9、象:指须要赐予限制的设备或工作被控对象:指须要赐予限制的设备或工作机械、生产过程等,简称为对象。机械、生产过程等,简称为对象。l 被控量:指被控系统中须要限制的具体的被控量:指被控系统中须要限制的具体的物理量(如温度、压力、水位、流量等),物理量(如温度、压力、水位、流量等),被控量又称为系统的输出量。被控量又称为系统的输出量。l系统的输入:泛指对系统的输出量有干脆系统的输入:泛指对系统的输出量有干脆影响的外界输入信号。通常有两种,即给影响的外界输入信号。通常有两种,即给定输入和扰动输入。定输入和扰动输入。l给定输入:依据生产要求,被控量须要达给定输入:依据生产要求,被控量须要达到的运行规律(
10、数值)。给定输入又称参到的运行规律(数值)。给定输入又称参考输入、或给定值。考输入、或给定值。l扰动输入:扰动也称干扰,指引起被控量扰动输入:扰动也称干扰,指引起被控量偏离给定值的各种因素。偏离给定值的各种因素。l反反馈馈:将将系系统统(或或环环节节)的的输输出出信信号号经经变变换换、处处理理送送到到系系统统(或或环环节节)的的输输入入端端的的信信号号,称称为为反反馈馈。若若此此信信号号是是从从系系统统输输出出端端取取出出送送入入系系统统输输入入端端,这这种种反馈称反馈称主反馈主反馈。而其它称为。而其它称为局部反馈局部反馈。l偏差信号偏差信号:指给定指给定输入信号与主反馈信号之差。输入信号与主
11、反馈信号之差。l自动限制系统:指限制装置和被控对象自动限制系统:指限制装置和被控对象的总称。的总称。l限制量:指施加给被控对象的信号,它限制量:指施加给被控对象的信号,它将削减或消退扰动对被调量的影响,使它将削减或消退扰动对被调量的影响,使它按确定的规律变更。按确定的规律变更。l限制器:指对被控对象起限制作用的限限制器:指对被控对象起限制作用的限制装置的总体。制装置的总体。自动限制系统的原理方框图自动限制系统的原理方框图控制控制对象对象执行机构执行机构控制器控制器测量装置测量装置比较环节比较环节给定输入给定输入偏差偏差测量值测量值被控量被控量控制作用控制作用扰动输入扰动输入控制量控制量广义对象
12、广义对象自动控制装置自动控制装置输出量输出量所谓反馈是指:通过测量装置将系统的输出信号反馈到系统的输入端。反馈限制系统的精髓。自动限制系统的基本限制方式 p 反馈限制(闭环限制)反馈限制(闭环限制)p 开环限制开环限制p 复合限制复合限制1.反馈限制闭环限制反馈限制又称为闭环限制,是最基本、也是应反馈限制又称为闭环限制,是最基本、也是应用最广泛的一种限制方式。用最广泛的一种限制方式。反馈限制是指:在系统输出端与输入端之间,反馈限制是指:在系统输出端与输入端之间,不但有顺向作用,而且还有反馈回路,或者说输不但有顺向作用,而且还有反馈回路,或者说输出量干脆或间接地参与了限制作用。出量干脆或间接地参
13、与了限制作用。原理框图如图所示。原理框图如图所示。给定给定输入输入被控对象被控对象检测装置检测装置限制器限制器偏差偏差扰动输入扰动输入输出量输出量前前前前/正向通道正向通道正向通道正向通道反反反反/负向通道负向通道负向通道负向通道负反馈原理:是指将系统的输出反馈到系统的输入端,与给定值进行比较产生一个偏差信号,并依据输入量与输出量的偏差信号进行限制。给定给定输入输入被控对象被控对象检测装置检测装置控制器控制器偏差偏差扰动输入扰动输入输出量输出量反馈限制是依据负反馈原理,按偏差量进反馈限制是依据负反馈原理,按偏差量进行限制的。行限制的。减小或消退由扰动所产生的偏差减小或消退由扰动所产生的偏差闭环
14、限制的特点:限制的目的:信息循环往复传递,依据负反馈原理,按偏差量信息循环往复传递,依据负反馈原理,按偏差量进行限制;(必需有输出量的测量装置)进行限制;(必需有输出量的测量装置)抗干扰性好,限制精度高;抗干扰性好,限制精度高;有反馈回路,结构困难,有稳定性问题。有反馈回路,结构困难,有稳定性问题。2 2、开环限制、开环限制所谓开环限制是指:系统中的信号由输入端到所谓开环限制是指:系统中的信号由输入端到输出端单向流淌,不存在反馈回路,或者说输出输出端单向流淌,不存在反馈回路,或者说输出量对限制作用不产生任何影响的一种限制方式。量对限制作用不产生任何影响的一种限制方式。原理框图如图所示原理框图如
15、图所示输入量输入量控制器控制器被控对象被控对象扰动输入扰动输入输出量输出量可分为:按给定限制方式组成和按扰动限制方式组成两种。开环限制的特点:信号单向传递,没有形成闭合回路;信号单向传递,没有形成闭合回路;结构简洁,限制刚好,不存在稳定性问题;结构简洁,限制刚好,不存在稳定性问题;只依据输入量进行限制,输出量对限制作用只依据输入量进行限制,输出量对限制作用无任何影响;无任何影响;限制精度差,抗干扰实力差。限制精度差,抗干扰实力差。输入量输入量控制器控制器被控对象被控对象扰动输入扰动输入输出量输出量3复合限制开环限制 对主要扰动接受适当的补偿装置,实现开环对主要扰动接受适当的补偿装置,实现开环限
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