自动控制原理-胡寿松-第五版-第一章-绪论解析优秀PPT.ppt

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1、自动限制原理自动限制原理电气工程学院电气工程学院张张 忠忠第一章第一章 绪论绪论课程的性质、目的和任务课程的性质、目的和任务 本课程是自动化类学生的一门专业基础课，是一门理论性本课程是自动化类学生的一门专业基础课，是一门理论性和工程应用性都很强的技术基础课，也是后续专业课的桥梁，和工程应用性都很强的技术基础课，也是后续专业课的桥梁，因此具有特别重要的地位。因此具有特别重要的地位。3学分！奖学金，考研，学位、毕业等均具有很重的重量！学分！奖学金，考研，学位、毕业等均具有很重的重量！本课程的目的本课程的目的:培育学生的辩证思维实力培育学生的辩证思维实力 树立理论联系实际的科学观点树立理论联系实际的

2、科学观点 提高综合分析问题的实力。提高综合分析问题的实力。本课程的基本任务本课程的基本任务:获得自动限制系统的基本理论获得自动限制系统的基本理论 驾驭系统的基本分析方法驾驭系统的基本分析方法 为设计自动限制系统打下确定的基础为设计自动限制系统打下确定的基础 为进一步的学习和探讨限制理论创建条为进一步的学习和探讨限制理论创建条件件目标：学到真本事，考个好成果！目标：学到真本事，考个好成果！要求：细致听课，不能无故旷课、迟到；独立完成作业，能够提要求：细致听课，不能无故旷课、迟到；独立完成作业，能够提出问题，探讨问题。出问题，探讨问题。即：肃穆细致，生动活泼！即：肃穆细致，生动活泼！什么是限制？什

3、么是限制理论？什么是限制？什么是限制理论？什么是限制？什么是限制理论？什么是限制？什么是限制理论？我们汉字中的我们汉字中的“控控”和和“制制”都含有都含有“对某种对象依据某种要求进行操对某种对象依据某种要求进行操纵纵”的含义。因此，人类从远古时代就起先了的含义。因此，人类从远古时代就起先了“限制限制(control)”(control)”。几乎全部。几乎全部的能的能“动动”的人造物，都是被限制的。的人造物，都是被限制的。当然，限制的思想不仅存在于人造物，已渗透到我们的日常生活中。例当然，限制的思想不仅存在于人造物，已渗透到我们的日常生活中。例如：人们的关系。你让某人完成某项工作，你动用了某些手

4、段，使某人很好如：人们的关系。你让某人完成某项工作，你动用了某些手段，使某人很好的完成了工作，就可以说你的完成了工作，就可以说你“限制限制”了对方。了对方。因此，因此，“限制限制”是特别广义的，是特别广义的，“限制理论限制理论”就是探讨那些渗透于就是探讨那些渗透于“限限制制”中的，具有普遍意义的限制原理。中的，具有普遍意义的限制原理。1.1 1.1 引言引言 为了解决生产实际中的问题，推动了限制论的形为了解决生产实际中的问题，推动了限制论的形成和发展。随着科技的进步，她所起的作用也越来越大。成和发展。随着科技的进步，她所起的作用也越来越大。试问：没有自动限制，现在的社会会是一个什么样子试问：没

5、有自动限制，现在的社会会是一个什么样子？大家可以在网上查询大家可以在网上查询“自动限制与人类进步自动限制与人类进步”的材料的材料 Automatic Control&Human Civilization 希望通过上网了解对限制有一个更好的理解。希望通过上网了解对限制有一个更好的理解。自动限制技术与人类进步Automatic Control&Human Civilization前言前言 自动限制是人类在相识世界和独创创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解放出来，从事更富创建性的工作。限制论是一门多科性的技术科学。在理论探讨中，广泛的运用了各种数限制论是

6、一门多科性的技术科学。在理论探讨中，广泛的运用了各种数学工具：微积分，概率论，复变函数，泛函，变分法，拓扑学等，事实上是学工具：微积分，概率论，复变函数，泛函，变分法，拓扑学等，事实上是数学的一个分支。数学的一个分支。我们探讨的自控原理，仅仅是限制论的一个小部分，只探讨了限制系统我们探讨的自控原理，仅仅是限制论的一个小部分，只探讨了限制系统分析和设计的最一般的理论。属于经典限制部分。分析和设计的最一般的理论。属于经典限制部分。Chapter 1:Chapter 1:主要介绍自动限制的基本概念，限制系统的常用术语及方框图表示；主要介绍自动限制的基本概念，限制系统的常用术语及方框图表示；主要介绍自

7、动限制的基本概念，限制系统的常用术语及方框图表示；主要介绍自动限制的基本概念，限制系统的常用术语及方框图表示；chapter 2:chapter 2:如何建立系统的数学模型（定量分析的基础），着重探讨对传递如何建立系统的数学模型（定量分析的基础），着重探讨对传递如何建立系统的数学模型（定量分析的基础），着重探讨对传递如何建立系统的数学模型（定量分析的基础），着重探讨对传递函数的分析和基于方框图、梅逊公式的数学模型的简化方法；函数的分析和基于方框图、梅逊公式的数学模型的简化方法；函数的分析和基于方框图、梅逊公式的数学模型的简化方法；函数的分析和基于方框图、梅逊公式的数学模型的简化方法；主要内容：

8、主要内容：1.1.自动限制、自动限制系统的概念自动限制、自动限制系统的概念 2.2.自动限制系统的基本方式自动限制系统的基本方式 3.3.自动限制系统的类型自动限制系统的类型 4.4.自动限制系统的要求和分析设计自动限制系统的要求和分析设计chapter 6:chapter 6:介绍了线性系统的校正方法，频率法校正、反馈校正、复合校正介绍了线性系统的校正方法，频率法校正、反馈校正、复合校正的设计方法和性能指标的验算方法的设计方法和性能指标的验算方法；chapter 7:chapter 7:介绍了分析非线性系统的描述函数法和相平面法；探讨了工程实介绍了分析非线性系统的描述函数法和相平面法；探讨了

9、工程实介绍了分析非线性系统的描述函数法和相平面法；探讨了工程实介绍了分析非线性系统的描述函数法和相平面法；探讨了工程实际中常用的非线性特性及解决的一般方法；际中常用的非线性特性及解决的一般方法；际中常用的非线性特性及解决的一般方法；际中常用的非线性特性及解决的一般方法；chapter 8:chapter 8:介绍了离散限制系统理论（计算机限制基础），介绍了离散限制系统理论（计算机限制基础），介绍了离散限制系统理论（计算机限制基础），介绍了离散限制系统理论（计算机限制基础），z z变换理论，数字变换理论，数字变换理论，数字变换理论，数字限制器的设计方法。限制器的设计方法。限制器的设计方法。限制器

10、的设计方法。chapter 3:chapter 3:介绍线性系统的时域分析，并重点对系统的稳定性、快速性和精介绍线性系统的时域分析，并重点对系统的稳定性、快速性和精介绍线性系统的时域分析，并重点对系统的稳定性、快速性和精介绍线性系统的时域分析，并重点对系统的稳定性、快速性和精确性的分析进行了探讨。确性的分析进行了探讨。确性的分析进行了探讨。确性的分析进行了探讨。chapter 4:chapter 4:介绍了线性系统的根轨迹分析方法，重点介绍了根轨迹作图方法；介绍了线性系统的根轨迹分析方法，重点介绍了根轨迹作图方法；chapter 5chapter 5:频域法：极坐标图，伯德图，奈奎斯特稳定判据

11、，性能指标计算频域法：极坐标图，伯德图，奈奎斯特稳定判据，性能指标计算等；等；人类企图限制自然的欲望，是历史发展的动力，完成了很多超出人们力所人类企图限制自然的欲望，是历史发展的动力，完成了很多超出人们力所能及的任务（上天）。能及的任务（上天）。现实当中，由于存在希望和要求，比如：要求某些物理量维持在一个特定现实当中，由于存在希望和要求，比如：要求某些物理量维持在一个特定的标准上，但往往由于种种缘由，实现起来并不是很简洁，于是须要的标准上，但往往由于种种缘由，实现起来并不是很简洁，于是须要“限制限制”。当水的流出量增大当水的流出量增大或流入量减小，平衡或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高则被破

12、坏，液面的高度度不能自然不能自然地维持恒地维持恒定。定。水箱水箱流出流出流入流入h图图1.1 水箱液面水箱液面 例如：下面的水箱液面，因生产和生活须要，希望液面高度例如：下面的水箱液面，因生产和生活须要，希望液面高度h 维持恒定。当水的流维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。1.2.1 1.2.1 1.2.1 1.2.1 自动限制问题的提出自动限制问题的提出自动限制问题的提出自动限制问题的提出1.2 1.2 自控限制和自动限制系统自控限制和自动限制系统 这种出水量与进水量的不平衡现象必定要常常发生这种出水量

13、与进水量的不平衡现象必定要常常发生的。这便使得这种的。这便使得这种“水位恒定的要求水位恒定的要求”变得难以实现。变得难以实现。所谓限制就是强制性地变更某些物理量（如上例中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（如液面高度的进水量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度h h）维持在某种特定的标准上。）维持在某种特定的标准上。下面是人工限制的例子。下面是人工限制的例子。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。水箱水箱流出流出流入流入h图图1.

14、2 液面人工控制液面人工控制 不能满足困难、快不能满足困难、快速和精确的要求，不速和精确的要求，不利于减轻劳动强度。利于减轻劳动强度。1.2.2 1.2.2 1.2.2 1.2.2 自动限制的定义及基本职能元件自动限制的定义及基本职能元件自动限制的定义及基本职能元件自动限制的定义及基本职能元件1.1.1.1.自动限制的定义自动限制的定义自动限制的定义自动限制的定义 自动限制就是在没有人干脆参与的状况下，利用限制器自动限制就是在没有人干脆参与的状况下，利用限制器自动限制就是在没有人干脆参与的状况下，利用限制器自动限制就是在没有人干脆参与的状况下，利用限制器使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态

15、）自动地按预使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态）自动地按预使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态）自动地按预使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态）自动地按预先给定的规律去运行。先给定的规律去运行。先给定的规律去运行。先给定的规律去运行。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，从从而而保保持持液液面面高高度度不不变。变。水箱水箱流出流出流入流入h控制

16、器控制器浮子浮子图图1.3 液面自动控制液面自动控制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 自动限自动限制器制器 肌肉、手肌肉、手 执行执行元件元件2.2.自动限制的基本职能元件自动限制的基本职能元件 自动限制自动限制,事实上就是由自动限制装置来代替人的基事实上就是由自动限制装置来代替人的基本功能来实现的。本功能来实现的。比较两图可以看出，用自动限制实现人工限制的功能，比较两图可以看出，用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基本元件：存在必不行少的三种代替人的职能基本元件：图图14 限制功能框图限制功能框图

17、（a）人工限制）人工限制 (b)自动限制自动限制肌肉和阀门肌肉和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(a)气气 动阀动阀 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(b)画出以上人工限制与自动限制的功能方框图进行比照。画出以上人工限制与自动限制的功能方框图进行比照。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。图限制系统。图1

18、.51.5是典型限制系统方框图。是典型限制系统方框图。执执 行元行元 件件参考输入参考输入输输 出出测量变送元件测量变送元件控制器控制器对对 象象扰动输入扰动输入图图15 控制系统典型方框图控制系统典型方框图1.2.3 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.常用术语常用术语 限制对象：被控设备或物体，也可是被控过程（炉温）。限制对象：被控设备或物体，也可是被控过程（炉温）。限制器：使被控对象具有所要求的性能或状态的限制设备。接收输入或偏差信限制器：使被控对象具有所要求的性能或状态的限制设备。接收输入或偏差信号按限制规律给出操作量，送到限制对象。号按限制规律给出操作量，送到

19、限制对象。系统：一个整体，是一些部件的组合，完成确定任务。系统：一个整体，是一些部件的组合，完成确定任务。系统输出：被限制的量，称对输入的响应。系统输出：被限制的量，称对输入的响应。操作量：由限制器变更的量值或状态，也称限制量。真正起限制作用的量！操作量：由限制器变更的量值或状态，也称限制量。真正起限制作用的量！参考输入：给定，使系统具有预定输出或性能的激发信号。代表输出的希望值；参考输入：给定，使系统具有预定输出或性能的激发信号。代表输出的希望值；又称给定输入，指令输入，期望输出等。又称给定输入，指令输入，期望输出等。扰动：干扰和破坏系统具有预定性能和输出的干扰信号，分内部和外部扰动扰动：干

20、扰和破坏系统具有预定性能和输出的干扰信号，分内部和外部扰动（输入量）。（输入量）。特性：输入与输出之间的关系，分动态和静态，可用特性曲线直观描述。特性：输入与输出之间的关系，分动态和静态，可用特性曲线直观描述。静态特性：系统稳定后，静态特性：系统稳定后，IN&OUT;d(参数和信号参数和信号)=0;静态放大倍数。静态放大倍数。动态特性：动态特性：IN 和和OUT处在变更过程中所表现的特性；过渡过程处在变更过程中所表现的特性；过渡过程-平衡平衡-另一个平另一个平衡；衡；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，并注上文字或代号，依据将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注

21、上文字或代号，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。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间的相互影响，便于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。定性和定量分析。执执 行元行元 件件参考输入参考输入输输 出出测量变送元件测量变送元件控制器控制器对对 象象扰动输入扰动输入图图15 控制系统典型方框图控制系统典型方框图控制量控制量1.3.1 1.3.1 开环限制开环限制 开环限制是最简洁的一种限制方式，我们可以给出开环限制的开环限制是最简洁

22、的一种限制方式，我们可以给出开环限制的一般定义：一般定义：定义：若系统的输出量对系统的限制作用没有影响，则称为开定义：若系统的输出量对系统的限制作用没有影响，则称为开环限制系统。环限制系统。特点是：限制量与被限制量之间只有前向通道而没有反向通道特点是：限制量与被限制量之间只有前向通道而没有反向通道,信息的传递路径不是闭合的，故称开环。信息的传递路径不是闭合的，故称开环。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。1.3 1.3 开环限制和闭环限制开环限制和闭环限制控制器控制器被制对象被制对象输入量输入量输出量输出量 例子：交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，例子：交

23、通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动生产线，数控车床等等。产品自动生产线，数控车床等等。按输入信号的不同，可分为按给定限制和按扰动限制按输入信号的不同，可分为按给定限制和按扰动限制两种常见形式。两种常见形式。自动限制的形式多种多样，实行何种限制手段，视具体用途和目的而定，本节介绍两种常见形式：开环和闭环限制。1.1.按给定限制按给定限制 图图1 16 6是一个直流电动机转速限制系统。是一个直流电动机转速限制系统。当调整电位器滑臂位置时，变更功率放大器的输入电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。压，从而变更电动机的电枢电压，

24、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。以上的限制过程，用方框图简洁直观地表示出来。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图图16 直流电动机转速开环控制直流电动机转速开环控制图图17 直流电动机转速控制方框图直流电动机转速控制方框图电动机电动机转速转速滑臂位置滑臂位置功率放大器功率放大器电位器电位器 限制精度取决于所用元件性能的优劣及校准的精度！系统本身无法保证。任何的干扰都会使输出变更。优点：结构简洁，调整便利优点：结构简洁，调整便利缺点：精度差，抗干扰性差缺点：精度差，抗干扰性差2.2.按扰动限制按扰动限制 图图1 18 8 是一个按扰动限制的直

25、流电动机转速限制系统。是一个按扰动限制的直流电动机转速限制系统。电压电压放大器放大器M功率功率放大器放大器负载负载+-R i+图图18 按扰动控制直流电机转速按扰动控制直流电机转速 假如扰动可量测，可把它作为一种输入，施加相应的限制，对系统的输出产生影响。“防患未然”，起到抗干扰的作用。把负载变更视为外部扰动输入，对输出转速产生影把负载变更视为外部扰动输入，对输出转速产生影响及限制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端传送到响及限制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端传送到输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。有时我们输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。有时我们称按扰动限制为顺馈限制。称按扰动

26、限制为顺馈限制。限制过程可用方框图表示成如图限制过程可用方框图表示成如图1.91.9所示的形式。所示的形式。电动机电动机转速转速给定不变给定不变功率放大器功率放大器电位器电位器-+扰动扰动电压电压放大器放大器检检 测测电电 阻阻图图1.9 按扰动控制方框图按扰动控制方框图信号汇合点，信号汇合点，+代表加，代表加，-代代表减表减开环限制的特点：开环限制的特点：开环限制的特点：开环限制的特点：（1 1 1 1）结构简洁、调整便利、成本低。）结构简洁、调整便利、成本低。）结构简洁、调整便利、成本低。）结构简洁、调整便利、成本低。（2 2 2 2）给定一个输入，有相应的一个输出。）给定一个输入，有相应

27、的一个输出。）给定一个输入，有相应的一个输出。）给定一个输入，有相应的一个输出。（3 3 3 3）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的，形成开环。）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的，形成开环。）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的，形成开环。）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的，形成开环。（4 4 4 4）输出不影响输入。）输出不影响输入。）输出不影响输入。）输出不影响输入。（5 5 5 5）若系统有外界扰动时，系统输出量不行能有精确的数值，）若系统有外界扰动时，系统输出量不行能有精确的数值，）若系统有外界扰动时，系统输出量不行能有精确的数值，）若系统有外界扰动时，系统输出量不行

28、能有精确的数值，即开环限制精度不高，或抗干扰实力差。即开环限制精度不高，或抗干扰实力差。即开环限制精度不高，或抗干扰实力差。即开环限制精度不高，或抗干扰实力差。“致命致命致命致命”缺点！缺点！缺点！缺点！1.3.2 1.3.2 闭环限制闭环限制 定义：凡是系统输出信号对限制作用有干脆影响的系定义：凡是系统输出信号对限制作用有干脆影响的系统，都叫做闭环限制系统。统，都叫做闭环限制系统。在限制系统中，限制装置对被控对象所施加的限制作在限制系统中，限制装置对被控对象所施加的限制作用用(限制器输出限制器输出)，若部分或全部取自被控量的反馈信息，若部分或全部取自被控量的反馈信息，即依据实际输出来修正限制

29、作用，实现对被控对象进行限即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。正是由于引制的任务，这种限制原理称为反馈限制原理。正是由于引入了反馈信息，使整个限制过程成为闭合的。因此，按反入了反馈信息，使整个限制过程成为闭合的。因此，按反馈原理建立起来的限制系统，叫做闭环限制系统。馈原理建立起来的限制系统，叫做闭环限制系统。在闭在闭环限制系统中，其限制量是被控量与给定值之间的偏差。环限制系统中，其限制量是被控量与给定值之间的偏差。控制装置控制装置控制对象控制对象反馈元件反馈元件输入输入输出输出+-偏差偏差图图1-13 闭环控制系统方框图闭环控制系统方框图

30、人本身就是一个具有高度困难限制实力的闭环系统。比如，人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现了闭环限制的原理。图1.11是直流电动机转速闭环限制的例子。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F测速发动机测速发动机图图1-11 直流电动机转速闭环控制系统直流电动机转速闭环控制系统电动机电动机转速转速给定位置给定位置功率功率放大器放大器电位器电位器+-负载扰动负载扰动测速发动机测速发动机ufureua图图1-12 直流电动机转速闭环控制方框图直流电动机转速闭环控制方框图 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，而是系统的偏限制作用不是干脆来自给定输入，而是系统的偏

31、差信号，由偏差产生对系统被控量的限制；差信号，由偏差产生对系统被控量的限制；信息的传递路径为一个闭合的环路，称为闭环。信息的传递路径为一个闭合的环路，称为闭环。限制精度高，抗干扰实力强。限制精度高，抗干扰实力强。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。控制器控制器控制对象控制对象反馈元件反馈元件输入输入输出输出+-偏差偏差图图1-13 闭环控制系统方框图闭环控制系统方框图1.3.3 1.3.3 开环与闭环限制系统的比较开环与闭环限制系统的比较 闭环系统的优点是接受了反馈，因而使系统的响应对闭环系统的优点是接受了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变更均相

32、当不敏感。这样，对外部干扰和内部系统的参数变更均相当不敏感。这样，对于给定的限制对象，有可能接受不太精密且成本较低的元于给定的限制对象，有可能接受不太精密且成本较低的元件构成精密的限制系统。在开环状况下，就不行能做到这件构成精密的限制系统。在开环状况下，就不行能做到这一点。一点。从稳定性的观点动身，开环限制系统比较简洁建立，从稳定性的观点动身，开环限制系统比较简洁建立，因为对开环系统来说，不存在稳定性的问题。但是在闭环因为对开环系统来说，不存在稳定性的问题。但是在闭环系统中，稳定性则始终是一个重要问题。因为闭环系统可系统中，稳定性则始终是一个重要问题。因为闭环系统可能引起过调误差，从而导致系统

33、做等幅振荡或变幅振荡。能引起过调误差，从而导致系统做等幅振荡或变幅振荡。工程上常接受的复合限制方法，就是把两者结合起来工程上常接受的复合限制方法，就是把两者结合起来运用。复合限制实质上是在闭环限制回路的基础上，附加运用。复合限制实质上是在闭环限制回路的基础上，附加一个输入信号（给定或扰动）的顺馈通路，对该信号实行一个输入信号（给定或扰动）的顺馈通路，对该信号实行加强或补偿，以达到精确的限制效果。常见的方式有以下加强或补偿，以达到精确的限制效果。常见的方式有以下两种：两种：1.1.1.1.附加给定输入补偿附加给定输入补偿附加给定输入补偿附加给定输入补偿 通常，附加的补偿装置可供应一个顺馈限制信号

34、，与通常，附加的补偿装置可供应一个顺馈限制信号，与原输入信号一起对被控对象进行限制，以提高系统的跟踪原输入信号一起对被控对象进行限制，以提高系统的跟踪实力。实力。控制器控制器控制对象控制对象补偿装置补偿装置输入输入输出输出+-图图1-14 附加输入给定补偿附加输入给定补偿微分环节，超前微分环节，超前限制，快速限制限制，快速限制2.2.2.2.附加扰动输入补偿附加扰动输入补偿附加扰动输入补偿附加扰动输入补偿 该种复合限制方框图。附加的补偿装置所供应的限制作用，主要起到该种复合限制方框图。附加的补偿装置所供应的限制作用，主要起到该种复合限制方框图。附加的补偿装置所供应的限制作用，主要起到该种复合限

35、制方框图。附加的补偿装置所供应的限制作用，主要起到对扰动影响对扰动影响对扰动影响对扰动影响“防患未然防患未然防患未然防患未然”的效果。的效果。的效果。的效果。控制器控制器控制对象控制对象补偿装置补偿装置输入输入输出输出+-+扰动扰动图图1-15 附加扰动输入补偿附加扰动输入补偿 附加的顺馈回路相当于开环限制，对补偿装置稳定性的要求较高，否则会减弱补偿效果。但对闭环性能影响不大，特殊对稳定性无影响，却能大大供应限制精度，获得广泛应用。1-4 1-4 1-4 1-4 自动限制系统的分类及基本组成自动限制系统的分类及基本组成自动限制系统的分类及基本组成自动限制系统的分类及基本组成 自动限制系统有多种

36、分类方法。例如，按信号传递路径，可分为开环，闭环等限制系统；自动限制系统有多种分类方法。例如，按信号传递路径，可分为开环，闭环等限制系统；按系统元件的属性可分为机械，电气，液压和气动限制系统。按功率大小分为按系统元件的属性可分为机械，电气，液压和气动限制系统。按功率大小分为都是按系都是按系统明显的结构特征来分的。分类的目的在于应用上的便利，从探讨自控系统的动态性能，运统明显的结构特征来分的。分类的目的在于应用上的便利，从探讨自控系统的动态性能，运动规律和设计方法的理论角度，除按系统信号传递路径特别，还可以按如下四种状况来划分。动规律和设计方法的理论角度，除按系统信号传递路径特别，还可以按如下四

37、种状况来划分。1.4.1 1.4.1 按给定信号的特征划分按给定信号的特征划分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。它代表了系统希望的输出值，反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。映了限制系统要完成的基本任务和职能。映了限制系统要完成的基本任务和职能。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，希望输出维持在某一特定恒值限制系统：给定输入维持不变，希望输出维持在某一特定恒值

38、限制系统：给定输入维持不变，希望输出维持在某一特定恒值限制系统：给定输入维持不变，希望输出维持在某一特定值上。液位限制系统，直流电动机调速系统等等。值上。液位限制系统，直流电动机调速系统等等。值上。液位限制系统，直流电动机调速系统等等。值上。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：给定信号是预先不知道的随机信号。要求系统随动限制系统：给定信号是预先不知道的随机信号。要求系统随动限制系统：给定信号是预先不知道的随机信号。要求系统随动限制系统：给定信号是预先不知道的随机信号。要求系统的输出快速、精确地跟随给定值的变更。的输出快速、精确地跟随给定值的变更。的输出快速、精确地跟随给

39、定值的变更。的输出快速、精确地跟随给定值的变更。NO.1NO.1跟随性，跟随性，跟随性，跟随性，NO.2NO.2抗干抗干抗干抗干扰性。跟踪卫星的雷达天线系统，自动导航系统，自动测量仪器扰性。跟踪卫星的雷达天线系统，自动导航系统，自动测量仪器扰性。跟踪卫星的雷达天线系统，自动导航系统，自动测量仪器扰性。跟踪卫星的雷达天线系统，自动导航系统，自动测量仪器等。等。等。等。3.3.程序限制系统：给定值按预先给定的规律变更的限制系统。比程序限制系统：给定值按预先给定的规律变更的限制系统。比程序限制系统：给定值按预先给定的规律变更的限制系统。比程序限制系统：给定值按预先给定的规律变更的限制系统。比随动系统

40、的设计有针对性，数控机床，加热炉温度自动限制等。随动系统的设计有针对性，数控机床，加热炉温度自动限制等。随动系统的设计有针对性，数控机床，加热炉温度自动限制等。随动系统的设计有针对性，数控机床，加热炉温度自动限制等。1.4.2 1.4.2 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都是线性特性，系统的状当系统各元件输入输出特性都是线性特性，系统的状态和性能可以用线性微分（或差分）方程来描述时，则称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。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直线，所谓线性特性

41、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，由线性元件组成的系统则必是也称其为线性元件。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满足叠加原理，线性系统。线性系统的一个突出特点就是满足叠加原理，可运用叠加原理的两特性质（叠加性和奇次性），作为鉴可运用叠加原理的两特性质（叠加性和奇次性），作为鉴别系统是否为线性系统的依据。别系统是否为线性系统的依据。可细分为线性定常系统和线性时变系统。可细分为线性定常系统和线性时变系统。2.2.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，系统就由非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

42、，这种系统称为非线性系统。线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。图图1-16 常见非线性特性常见非线性特性（a）饱和特性（）饱和特性（b）继电特性（）继电特性（c）死区特性）死区特性INOUT本质非线本质非线性性非本质非非本质非线性线性非本质非非本质非线性线性1.4.3 1.4.3 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出信号都是时间的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连续函数连续函数连续函数。这类系统的运动状态是用微分方程来描述的。这类系统的运动状态是用微分方程来描述的。连续系统中各元件

43、传输的信息在工程上称为连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量模拟量模拟量模拟量，多数实际物理系统都属，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一般用于这一类，其输入输出一般用r(t)和和c(t)表示。表示。r(t)t 0c(t)t 0 图图图图1-17 1-17 模拟量的输入输出模拟量的输入输出模拟量的输入输出模拟量的输入输出模拟元件模拟元件r(t)c(t)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。

44、c(t)t 0c(t)c*(t)c*(t)t 0图图1-18 采样过程采样过程A/D计算机计算机D/A放大器放大器对象对象检测元件检测元件+-r(t)e(t)e*(t)数字控制器数字控制器c(t)图图1-19 计算机控制系统计算机控制系统1.4.4 1.4.4 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）外部特性是只有一个输入，一个输出，但内部可以是多外部特性是只有一个输入，一个输出，但内部可以是多回路，多变量。回路，多变量。经典限制理论的主要探讨对象，工具：传递函数；本课经典限制理论的主要探讨对象，工具：传递函数；本课程

45、讲授的内容。程讲授的内容。2.2.多变量系统（多变量系统（MIMOMIMO）现代限制理论的主要探讨对象，工具：状态空间法；现代限制理论的主要探讨对象，工具：状态空间法；探讨多参数、多变量、非线性、高精度、高效能等限制系统的探讨多参数、多变量、非线性、高精度、高效能等限制系统的分析和设计。分析和设计。随着科技的发展，系统越来越困难，计算机的运用，使随着科技的发展，系统越来越困难，计算机的运用，使困难系统的精确限制成为可能。并使得现控向纵深发展，最佳困难系统的精确限制成为可能。并使得现控向纵深发展，最佳限制，自适应，自学习，鲁棒，得到充分的探讨。并扩充到非限制，自适应，自学习，鲁棒，得到充分的探讨

46、。并扩充到非工程领域，如经济，生物，社会经济系统等。工程领域，如经济，生物，社会经济系统等。1.4.5 1.4.5 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，反馈限制是最基本的限制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限制对象和各种结方式之一。一个典型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。除限制对象外，其他各部分可统称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。每一部分各司其职，共同完成限制任务。下面给为限制装置。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

47、的种类和各自的职能。出这些职能元件的种类和各自的职能。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。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。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。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。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测量元件：其职能是检测被控量，假如测出的物理量

48、属于非电量，大多状况下要把它转换成电测量元件：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，以便利用电的手段加以处理。量，以便利用电的手段加以处理。量，以便利用电的手段加以处理。量，以便利用电的手段加以处理。输出输出输输入入放大放大元件元件+-测量变送元件测量变送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+-对对象象反馈校正元件反馈校正元件图图1-22 反馈控制系统基本组成反馈控制系统基本组成 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，求出它们之间的偏差。件

49、给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件：其职能是将过于微弱的偏差信号加以放大，以足够放大元件：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。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，使其被控量发生变更。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。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。工程上称为调整器。常用串联或反馈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。的方式连接在系统中。输出输出输

50、入输入放大放大元件元件+-测量变送元件测量变送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+-对对象象反馈校正元件反馈校正元件图图1-22 反馈控制系统基本组成反馈控制系统基本组成1.5 1.5 1.5 1.5 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1.5.1 1.5.1 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，必需具备以下两个方面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：的性能：（1 1）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。）使系统的输出快速精确地按输入