自动控制理论——第一章绪论优秀PPT.ppt

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1、1自动限制理论自动限制理论主讲老师：宫金林主讲老师：宫金林山东高校电气工程学院山东高校电气工程学院gongjinlinsdu.edu2教化部副部长教化部副部长 吴启迪吴启迪（20072007年全国自动化教化年会）年全国自动化教化年会）自动化领域涉及的面特别广泛，除了实际工程应自动化领域涉及的面特别广泛，除了实际工程应用之外，还包括基础探讨、方法论直到哲学探讨的内用之外，还包括基础探讨、方法论直到哲学探讨的内容，这对学生的培育过程就特别的全面；对激发学生容，这对学生的培育过程就特别的全面；对激发学生的创新实力而言，这个领域可以发挥的作用特别巨大。的创新实力而言，这个领域可以发挥的作用特别巨大。自

2、动限制是一个内涵特别丰富和美丽的架构。比如说自动限制是一个内涵特别丰富和美丽的架构。比如说反馈的概念，这个概念无处不在。另一个就是系统的反馈的概念，这个概念无处不在。另一个就是系统的概念，我想没有什么人能比我们学自动化的人更懂得概念，我想没有什么人能比我们学自动化的人更懂得3什么是系统工程了。所以，当我们把这些东西与很什么是系统工程了。所以，当我们把这些东西与很多背景结合起来的时候，就深刻感觉到限制真正是多背景结合起来的时候，就深刻感觉到限制真正是一种方法论。近年来出现的困难性、非线性、混沌一种方法论。近年来出现的困难性、非线性、混沌等问题，都是在这个领域迸发出来的。我信任，用等问题，都是在这

3、个领域迸发出来的。我信任，用自动限制中这些丰富而美丽的概念和方法来激发我自动限制中这些丰富而美丽的概念和方法来激发我们的学生，确定可以产生很多创新。我们骄傲地说，们的学生，确定可以产生很多创新。我们骄傲地说，自动限制的理论是一种会激发创新的理论。自动限制的理论是一种会激发创新的理论。4第一章绪论第一章绪论 第一节第一节 概述概述 其次节其次节 基本限制方式基本限制方式 第三节第三节 自动限制系统的组成及术语自动限制系统的组成及术语 第四节第四节 自动限制系统的分类自动限制系统的分类 第五节第五节 自控限制理论概要自控限制理论概要5 第一节第一节 概述概述1 1自动限制问题的提出自动限制问题的提

4、出一一个个简简洁洁的的水水箱箱液液面面，因因生生产产和和生生活活须须要要，希希望望液液面面高高度度h h 维维持持恒恒定定。当当水水的的流流入入量量与与流流出出量量平平衡衡时时，水水箱的液面高度维持在预定的高度上。箱的液面高度维持在预定的高度上。当水的流出量当水的流出量增大或流入量减增大或流入量减小，平衡则被破小，平衡则被破坏，液面的高度坏，液面的高度不能自然地维持不能自然地维持恒定。恒定。水箱水箱流出流出流入流入h6 这种出水量与进水量的不平衡现象必定要常常发生的。这这种出水量与进水量的不平衡现象必定要常常发生的。这使得这种使得这种“水位恒定的要求水位恒定的要求”变得难以实现了。变得难以实现

5、了。所谓限制就是强制性地变更某些物理量（如上例中的进水所谓限制就是强制性地变更某些物理量（如上例中的进水量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度h h）维持在某种）维持在某种特定的标准上。特定的标准上。水箱水箱流出流出流入流入h 这这 种种 人人 为为地地强强制制性性地地变变更更进进水水量量，而而使使液液面面高高度度维维持持恒恒定定的的过过程程，即即是是人人工工限限制制过程。过程。人工限制的例子。人工限制的例子。自自动动限限制制就就是是在在没没有有人人干干脆脆参参与与的的状状况况下下，利利用用限限制制器器使使被被控控对对象象（或或过过程程）的的某某些

6、些物物理理量量（或或状状态态）自自动地按预先给定的规律去运行。动地按预先给定的规律去运行。水水箱箱流出流出流入流入h控制器控制器浮子浮子 当当出出水水与与进进水水的的平平衡衡被被破破坏坏时时，水水箱箱水水位位下下降降(或或上上升升)，出出现现偏偏差差。这这偏偏差差由由浮浮子子检检测测出出来来，自自动动限限制制器器在在偏偏差差的的作作用用下下，限限制制阀阀门门开开大大(或或关关小小)，对对偏偏差差进进行行修修正正，从从而而保保持液面高度不变。持液面高度不变。2 2自动限制的概念自动限制的概念78 2.2.自动限制的基本职能元件自动限制的基本职能元件 自动限制的实现自动限制的实现,事实上是由自动限

7、制装置来代替人的事实上是由自动限制装置来代替人的基本功能，从而实现自动限制的。画出以上人工限制与自基本功能，从而实现自动限制的。画出以上人工限制与自动限制的功能方框图进行比照。动限制的功能方框图进行比照。水箱水箱流出流出流入流入h水箱水箱流出流出流入流入h控制器控制器浮子浮子 眼睛眼睛 浮子浮子 大脑大脑 自动限制器自动限制器 肌肉、手肌肉、手 执行元件执行元件9肌肉和肌肉和阀门阀门希望液位希望液位实际液位实际液位大大脑脑水水箱箱眼眼睛睛 比较两图可以看出，自动限制实现人工限制的功能，比较两图可以看出，自动限制实现人工限制的功能，存在必不行少的三种代替人的职能的基本元件：存在必不行少的三种代替

8、人的职能的基本元件：气气动动阀阀门门希望液位希望液位实际液位实际液位浮浮子子控制器控制器水水箱箱10执执行行元元件件参考输入参考输入输出输出测量变测量变送元件送元件控制器控制器对对象象扰动输入扰动输入 测量元件与变送器（代替眼睛）；测量元件与变送器（代替眼睛）；自动限制器（代替大脑）；自动限制器（代替大脑）；执行元件（代替肌肉、手）。执行元件（代替肌肉、手）。这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动限制系统。下图是典型限制系统方框图。限制系统。下图是典型限制系统方框图。11自动限制中的一些术语及方框图自动限制中的一些术语及方框图 1.1.常用

9、术语常用术语 限制对象限制对象 限制器限制器 系统系统 系统输出系统输出 操作量操作量 参考输入参考输入 扰动扰动 2.2.系统方框图系统方框图 将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注上文将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注上文字或代号，依据各方框之间的信息传递关系，用有向线字或代号，依据各方框之间的信息传递关系，用有向线段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节之突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节之间的相互影响，便于定性和定量分析。间的相互影响，便于定性和定量分析。3 3本课程的主要内容本课程的主要

10、内容12系统数学模型的建立系统数学模型的建立时域分析法时域分析法频域分析法频域分析法根轨迹法根轨迹法限制系统校正限制系统校正离散限制系统离散限制系统非线性系统非线性系统现代限制理论初步现代限制理论初步 13 其次节其次节 基本限制方式基本限制方式1开环限制开环限制定义：假如系统的输出量不参与对系统的限制，则称为开环定义：假如系统的输出量不参与对系统的限制，则称为开环限制。限制。控制器控制器被控对象被控对象控制量控制量被控量被控量 开环限制系统的典型方框图如图所示。开环限制系统的典型方框图如图所示。交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动生交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动

11、生产线，数控车床等等。产线，数控车床等等。14例子：直流电动机转速开环限制系统例子：直流电动机转速开环限制系统 M功率功率放大器放大器电动机电动机负载负载电电位位器器当调整电位器滑臂位置时，变更功率放大器的输入电压，当调整电位器滑臂位置时，变更功率放大器的输入电压，从而变更电动机的电枢电压，最终变更电动机的转速。以上的限从而变更电动机的电枢电压，最终变更电动机的转速。以上的限制过程，用方框图简洁直观地表示出来。制过程，用方框图简洁直观地表示出来。电动机电动机转速转速滑臂位置滑臂位置功率功率放大器放大器电位器电位器152闭环限制闭环限制定义：假如系统的输出量参与对系统的限制，则称为闭环限定义：假

12、如系统的输出量参与对系统的限制，则称为闭环限制。制。闭环限制系统的典型方框图如图所示。闭环限制系统的典型方框图如图所示。依据实际输出来修正限制作用，实现对被控对象进行限制依据实际输出来修正限制作用，实现对被控对象进行限制的任务，这种限制原理称为反馈限制原理。的任务，这种限制原理称为反馈限制原理。控制器控制器被控对象被控对象反馈元件反馈元件输入输入输出输出+-偏差偏差16例子：直流电动机转速闭环限制系统例子：直流电动机转速闭环限制系统 测速发电机检测得到电动机的实际转速测速发电机检测得到电动机的实际转速n，并转换成与给定，并转换成与给定电压相同的物理量电压相同的物理量uf，然后反馈到输入端，与给

13、定电压，然后反馈到输入端，与给定电压ur相比较，相比较，其偏差值其偏差值ue经放大器放大后，来限制电动机的转速，使电动机保经放大器放大后，来限制电动机的转速，使电动机保持在与给定电压持在与给定电压ur相对应的速度下运转。相对应的速度下运转。F测速发动机测速发动机电电位位器器功率功率放大器放大器M功率功率放大器放大器电动机电动机负载负载nurufueua17闭环限制的特点：闭环限制的特点：限制作用不是干脆来自给定输入，而是系统的偏差信限制作用不是干脆来自给定输入，而是系统的偏差信号，由偏差产生对系统被控量的限制；号，由偏差产生对系统被控量的限制；系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差信号，系

14、统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差信号，即影响限制作用的大小。这种自成循环的限制作用，使信息的即影响限制作用的大小。这种自成循环的限制作用，使信息的传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。提高了限制精度。提高了限制精度。电动机电动机转速转速给定给定位置位置功率功率放大器放大器电位器电位器+-负载负载扰动扰动测速发动机测速发动机ufureua18开环与闭环限制系统的比较开环与闭环限制系统的比较:1.闭环限制接受的是负反馈原理闭环限制接受的是负反馈原理:将系统输出量引回输入端将系统输出量引回输入端,与输入量比较与输入量比较,利用所得偏差进行限制利用所得

15、偏差进行限制,使偏差减小或消退使偏差减小或消退.2.开环限制与闭环限制的基本区分在于闭环限制具有反馈环开环限制与闭环限制的基本区分在于闭环限制具有反馈环节节,具有自动修复被控量偏离具有自动修复被控量偏离给定值的实力给定值的实力,具有很强的抗干具有很强的抗干扰实力扰实力.3.在系统参数协作不当时在系统参数协作不当时,闭环系统简洁产生震荡甚至不稳定闭环系统简洁产生震荡甚至不稳定.工程上常接受的复合限制方法，就是把两者结合起来运用。工程上常接受的复合限制方法，就是把两者结合起来运用。19控制器控制器被控对象被控对象前馈控制器前馈控制器输入输入输出输出+-+扰动扰动 1 1、构成：将开环限制和闭环限制

16、结合起来。、构成：将开环限制和闭环限制结合起来。2 2、特特点点：兼兼有有开开环环和和闭闭环环系系统统的的优优点点，限限制精度高，限制作用快，但结构也较为困难。制精度高，限制作用快，但结构也较为困难。3复合限制复合限制204自动限制系统举例自动限制系统举例21第三节第三节 自动限制系统的分类基本组成自动限制系统的分类基本组成一、一、按给定信号的特征划分按给定信号的特征划分 给定信号是系统的指令信息。它代表了系统希望给定信号是系统的指令信息。它代表了系统希望的输出值，反映了限制系统要完成的基本任务和职能。的输出值，反映了限制系统要完成的基本任务和职能。1.1.恒值限制系统：给定输入维持不变，希望

17、输出恒值限制系统：给定输入维持不变，希望输出维持在某一特定值上。维持在某一特定值上。液位限制系统，直流电动机调速系统等等。液位限制系统，直流电动机调速系统等等。2.2.随动限制系统：给定信号上预先不知道的随时随动限制系统：给定信号上预先不知道的随时间随意变更的函数。限制系统能够使被控量以尽可能间随意变更的函数。限制系统能够使被控量以尽可能小的误差跟随给定值的变更。小的误差跟随给定值的变更。跟踪卫星的雷达天线系统跟踪卫星的雷达天线系统 3.3.程序限制系统：给定值按预先给定的规律变更程序限制系统：给定值按预先给定的规律变更的限制系统。机械加工中的程序限制机床等等。的限制系统。机械加工中的程序限制

18、机床等等。22二、二、按系统的数学描述划分按系统的数学描述划分 1.1.线性系统线性系统 当系统各元件输入输出特性是线性特性，系统的当系统各元件输入输出特性是线性特性，系统的状态和性能可以用线性微分（或差分）方程来描述时，状态和性能可以用线性微分（或差分）方程来描述时，则称这种系统为线性系统。则称这种系统为线性系统。所谓线性特性是指元件的静特性是一条过原点的所谓线性特性是指元件的静特性是一条过原点的直线，也称其为线性元件。因此，由线性元件组成的直线，也称其为线性元件。因此，由线性元件组成的系统则必是线性系统。线性系统的一个突出特点就是系统则必是线性系统。线性系统的一个突出特点就是满足叠加原理，

19、可运用叠加原理的两特性质（可叠加满足叠加原理，可运用叠加原理的两特性质（可叠加性和齐次性），作为鉴别系统是否为线性系统的依据。性和齐次性），作为鉴别系统是否为线性系统的依据。线性系统线性系统r(t)c(t)r1(t)c1(t)r2(t)c2(t)r1(t)+r2(t)c1(t)+c2(t)ar1(t)ac1(t)23 yx0b-b yxa-a0-bb2.2.非线性系统非线性系统 系统中只要存在一个非线性特性的元件，系统就系统中只要存在一个非线性特性的元件，系统就由非线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。由非线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。yxka-a0M-Myxka-a024三、三、

20、按信号传递的连续性划分按信号传递的连续性划分 1.连续系统连续系统 连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都是时间的连续函数。这类系统的运动状态是出信号都是时间的连续函数。这类系统的运动状态是用微分方程来描述的。用微分方程来描述的。连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一量，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一般用般用r(t)和和c(t)表示。表示。r(t)t 0c(t)t 025 2.离散系统 限制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码时，该系统

21、即为离散系统。这种系统的状态和性能一般用差分方程来描述。实际物理系统中，信息的表现形式为离散信号的并不多见，往往是限制上的须要，人为地将连续信号离散化，我们称其为采样。c(t)t0c(t)c*(t)c*(t)t026四、四、按系统的输入与输出信号的数量划分按系统的输入与输出信号的数量划分 1.1.单变量系统（单变量系统（SISOSISO）2.2.多变量系统（多变量系统（MIMOMIMO）五、五、自动限制系统的基本组成自动限制系统的基本组成 在形形色色的自动限制系统中，反馈限制是最基在形形色色的自动限制系统中，反馈限制是最基本的限制方式之一。一个典型的反馈限制系统总是由本的限制方式之一。一个典型

22、的反馈限制系统总是由限制对象和各种结构不同的职能元件组成的。除限制限制对象和各种结构不同的职能元件组成的。除限制对象外，其他各部分可统称为限制装置。每一部分各对象外，其他各部分可统称为限制装置。每一部分各司其职，共同完成限制任务。下面给出这些职能元件司其职，共同完成限制任务。下面给出这些职能元件的种类和各自的职能。的种类和各自的职能。27输输出出输输入入放大放大元件元件+-测量变送测量变送元件元件给定给定元件元件执行执行元件元件串联串联校正校正元件元件+-对对象象反馈校正反馈校正元件元件 给定元件：其职能是给出与期望的输出相对应的给定元件：其职能是给出与期望的输出相对应的给定元件：其职能是给出

23、与期望的输出相对应的给定元件：其职能是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统限制指令的装置。系统输入量，是一类产生系统限制指令的装置。系统输入量，是一类产生系统限制指令的装置。系统输入量，是一类产生系统限制指令的装置。28 测量元件：其职能是检测被控量，假如测出的物测量元件：其职能是检测被控量，假如测出的物理量属于非电量，大多状况下要把它转换成电量，以理量属于非电量，大多状况下要把它转换成电量，以便利用电的手段加以处理。便利用电的手段加以处理。比较元件：其职能是把测量元件检测到的实际输比较元件：其职能是把测量元件检测到的实际输出值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之出值与给定

24、元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。间的偏差。放大元件：其职能是将过于微弱的偏差信号加以放大元件：其职能是将过于微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。执行元件：其职能是干脆推动被控对象，使其被执行元件：其职能是干脆推动被控对象，使其被控量发生变更。控量发生变更。校正元件：为改善或提高系统的性能，在系统基校正元件：为改善或提高系统的性能，在系统基本结构基础上附加参数可敏捷调整的元件。工程上称本结构基础上附加参数可敏捷调整的元件。工程上称为调整器。常用串联或反馈的方式连接在系统中。为调整器。常用串联或反馈的方式连接在系统

25、中。29第四节第四节对限制系统的要求和分析设计对限制系统的要求和分析设计一、一、对系统的要求对系统的要求 各类限制系统为达到志向的限制目的，必需具备各类限制系统为达到志向的限制目的，必需具备以下两个方面的性能以下两个方面的性能(基本要求基本要求)：（a a）使系统的输出快速精确地按输入信号要求的）使系统的输出快速精确地按输入信号要求的期望输出值变更。期望输出值变更。（b b）使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。）使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。对自控系统性能的要求一般可归纳为三大性能指标：对自控系统性能的要求一般可归纳为三大性能指标：（1 1）稳定性：要求系统确定稳定且有确定的稳定裕）稳定

26、性：要求系统确定稳定且有确定的稳定裕量。量。（2 2）瞬态质量：要求系统瞬态响应过程具有确定的）瞬态质量：要求系统瞬态响应过程具有确定的快速性和变更的平稳性。快速性和变更的平稳性。30 在实际系统中，由于总是存在着不同性质的储能在实际系统中，由于总是存在着不同性质的储能元件。并且也由于能源功率的限制，使得系统放大实元件。并且也由于能源功率的限制，使得系统放大实力必定有限。因而使相应的运动加速度不会太大，速力必定有限。因而使相应的运动加速度不会太大，速度和位移不会瞬间变更，而要经验一段时间，即系统度和位移不会瞬间变更，而要经验一段时间，即系统运动必定有一个渐变的过程。运动必定有一个渐变的过程。r

27、(t)t0c(t)t0 （3 3）稳态误差：要求系统最终的响应精确度，限制）稳态误差：要求系统最终的响应精确度，限制在工程允许的范围之内，是系统限制精度的恒量。在工程允许的范围之内，是系统限制精度的恒量。31二、二、限制系统的分析和设计限制系统的分析和设计 1.1.系统分析系统分析 系统给定，在规定的工作条件下，对它进行分析系统给定，在规定的工作条件下，对它进行分析探讨，其中包括稳态性能和动态性能分析，看是否满探讨，其中包括稳态性能和动态性能分析，看是否满足要求，以及分析某个参数变更时对上述性能指标的足要求，以及分析某个参数变更时对上述性能指标的影响，确定如何合理地选取等。影响，确定如何合理地

28、选取等。2.2.系统的设计系统的设计 系统设计的目的，是要找寻一个能够实现所要求系统设计的目的，是要找寻一个能够实现所要求性能的自动限制系统。因此，在系统应完成的任务和性能的自动限制系统。因此，在系统应完成的任务和应具备的性能已知的条件下，依据被控对象的特点，应具备的性能已知的条件下，依据被控对象的特点，构造出适合的限制器是设计的主要任务。应进行的步构造出适合的限制器是设计的主要任务。应进行的步骤如下：骤如下：（1 1）熟悉对系统性能的要求。）熟悉对系统性能的要求。（2 2）依据要求的性能指标综合确定系统的数学模型。）依据要求的性能指标综合确定系统的数学模型。32 （3 3）若限制对象是已知的

29、，依据确定的系统数学模）若限制对象是已知的，依据确定的系统数学模型和已知部分的数学模型，求得限制器的数模和限制规型和已知部分的数学模型，求得限制器的数模和限制规律。律。（4 4）按综合确定的数模进行系统分析，验证它在各）按综合确定的数模进行系统分析，验证它在各种信号作用下是否满足要求。若不满足，刚好修正。种信号作用下是否满足要求。若不满足，刚好修正。（5）样机设计制造和试验，验证设计结果。）样机设计制造和试验，验证设计结果。33 第五节第五节 自动限制理论发展简况自动限制理论发展简况WaterClock水运仪象台水运仪象台欧洲工业革命欧洲工业革命1750Prehistory of Auto C

30、ontrolPrimitive PeriodClassic PeriodModern Period电话电话&世界大战世界大战1910-1945空间技术空间技术&电脑电脑时代时代195734n300BC 古希腊人独创的浮球调整装置古希腊人独创的浮球调整装置n800AD 古阿拉伯人利用浮球进行水钟限制古阿拉伯人利用浮球进行水钟限制n1086AD 苏颂苏颂韩公廉独创的水运仪象台韩公廉独创的水运仪象台水运仪象台水运仪象台351788英国英国J.Watt用飞球调整限制蒸汽机的速度用飞球调整限制蒸汽机的速度气阀汽机齿轮传动飞球调速器飞球套筒标定高度（期望的汽机速度）蒸汽流量的变化量负载转矩变化量飞球套筒实

31、际高度361868年，英国年，英国J.C.Maxwell系统分析系统分析了反馈限制系统的稳定性了反馈限制系统的稳定性1877年，英国年，英国和和1895年年A.Hurwitz分别建立了分别建立了“Routh-HurwitzStabilityCriteria”1892年，俄国年，俄国A.M.Lyapunov完成完成了博士论文了博士论文“论运动稳定性的一般论运动稳定性的一般问题问题”代数判据代数判据稳定性判据稳定性判据37u1927年，美国年，美国H.S.Black提出了负反馈放大器；提出了负反馈放大器；u1932年，美国年，美国H.Nyquist提出了基于极坐标的频率提出了基于极坐标的频率域的稳

32、定性判据；域的稳定性判据；u1942年，美国年，美国H.Harry引入了传递函数的概念；引入了传递函数的概念；u1945年，美国年，美国H.W.Bode引入了对数坐标系，使限引入了对数坐标系，使限制系统的频率域响应方法更适于工程应用；制系统的频率域响应方法更适于工程应用；u1948年，美国年，美国W.R.Evans提出了根轨迹法；提出了根轨迹法；38三个局限性：三个局限性：39现代限制理论：现代限制理论：p状态空间法：状态空间法：时域法时域法状态空间模型状态空间模型可控性、可观性可控性、可观性先进限制理论：先进限制理论：智能限制理论：智能限制理论：让限制器具有智能让限制器具有智能生生物的智能。解决难以解物的智能。解决难以解决的困难的限制决的困难的限制40结结 束束