自動控制原理-高國燊ch1

《自動限制原理》與其它課程的關(guān)系微積分電機與拖動模擬電子技術(shù)電路分析信號與系統(tǒng)復(fù)變函數(shù)與積分變換大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）自動控制原理各類控制系統(tǒng)課程1.胡壽松，《自動限制原理》(第4版)，科學(xué)出版社2.涂植英，《自動限制原理》(其次版)，重慶高校出版社4.孫亮，《自動限制原理》，北京工業(yè)高校出版社參考書主要教學(xué)環(huán)節(jié)1.課堂教學(xué)細致聽課，主動思索，主動學(xué)習(xí)，理解基本概念、基本理論，駕馭分析、設(shè)計簡潔自動限制系統(tǒng)的方法、技巧。2.課后自學(xué)、獨立完成作業(yè)培育自學(xué)實力和分析與處理問題的實力。考試方式：閉卷總成果=平常成果×30％+期末成果×70%考試方式及成果評定第一章緒論1.1引言1.2自動限制的基本概念1.3自動限制系統(tǒng)的組成1.4自動限制系統(tǒng)的分類1.6對自動限制系統(tǒng)的基本要求及本課程的探討內(nèi)容1.1引言一、自動限制的定義及應(yīng)用自動限制技術(shù)在化工、造紙、電力、汽車和鋼鐵等領(lǐng)域起著越來越重要的作用。近幾十年來，計算機技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，自動限制技術(shù)在很多高科技領(lǐng)域(航空航天、導(dǎo)彈制導(dǎo)、核動力)作用更大，且擴展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其他很多社會領(lǐng)域。自動限制：在沒有人干脆參與的狀況下，利用限制裝置使被控對象自動地依據(jù)預(yù)定的規(guī)律運行。鍋爐設(shè)備的壓力和溫度自動保持恒定；數(shù)控機床依據(jù)預(yù)定的程序自動地切削工件；導(dǎo)彈放射與制導(dǎo)系統(tǒng)，自動地使導(dǎo)彈攻擊敵方目標(biāo)；無人駕駛飛機能按預(yù)定軌道自動飛行；人造地球衛(wèi)星能夠放射到預(yù)定軌道并能精確回收；……人造地球衛(wèi)星無人駕駛飛機雷達技術(shù)制導(dǎo)導(dǎo)彈二、自動限制理論的發(fā)展1.經(jīng)典限制理論(自動限制原理)限制理論的發(fā)展初期是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)整原理，主要用于工業(yè)限制。其次次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計和制造飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進一步促進和完善了自動限制理論的發(fā)展。兩千年前我國獨創(chuàng)的指南車，就是一種開環(huán)自動調(diào)整系統(tǒng)。公元1086-1092年(北宋)，我國獨創(chuàng)的水運儀象臺，就是一種閉環(huán)自動調(diào)整系統(tǒng)。水運儀象臺是集觀測天象的渾儀、演示天象的渾象、計量時間的漏刻和報告時刻的機械裝置于一體的大型綜合性觀測儀器。隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八世紀，自動限制技術(shù)漸漸應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)中。1765年瓦特(J.Watt)獨創(chuàng)蒸汽機，1788年瓦特利用反饋原理獨創(chuàng)蒸汽機用的離心調(diào)速器。1868年馬克斯威爾(J.C.Maxwell)發(fā)表《論調(diào)整器》，提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)，解決了蒸汽機調(diào)速系統(tǒng)中出現(xiàn)的猛烈振蕩的不穩(wěn)定問題。1877年勞斯(Routh)、1895年赫爾維茨(Hurwitz)把馬克斯韋爾的思想擴展到高階微分方程描述的更困難的系統(tǒng)中，分別獨立地提出了兩個著名的穩(wěn)定性判據(jù)—勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)，基本上滿足了二十世紀初期限制工程師的須要。赫爾維茨(Hurwitz)由于其次次世界大戰(zhàn)須要限制系統(tǒng)具有精確跟蹤與補償實力，1932年奈魁斯特(H.Nyquist)提出了頻域內(nèi)探討系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法，為具有高質(zhì)量的動態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)精確度的軍用限制系統(tǒng)供應(yīng)了所需的分析工具。奈魁斯特(H.Nyquist)1945年伯德(H.W.Bode)提出了簡便而好用的伯德圖法(頻率法)；1948年伊文思(W.R.Evans)提出了直觀而又形象的根軌跡法；20世紀50年頭非線性系統(tǒng)理論和離散限制理論。探討對象：單輸入單輸出(SISO)、線性定常系統(tǒng)核心概念：輸出反饋數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：微積分、積分變換系統(tǒng)描述方法：傳遞函數(shù)探討方法：時域法、根軌跡法、頻率特性法2.現(xiàn)代限制理論由于經(jīng)典限制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只留意系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。因而在實際應(yīng)用中有很大局限性。隨著航天事業(yè)和計算機的發(fā)展，20世紀60年頭初，在經(jīng)典限制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代限制理論快速發(fā)展起來。五十年頭后期，貝爾曼(Bellman)等人提出了狀態(tài)分析法，在1957年提出了動態(tài)規(guī)劃。1960年卡爾曼(Kalman)成功地應(yīng)用了狀態(tài)空間法，提出了可控性和可觀測性的新概念。卡爾曼1965年羅森布洛克(H.H.Rosenbrock)提出了尋求最優(yōu)限制的動態(tài)規(guī)劃方法。1961年龐特里亞金(俄國人)證明白最優(yōu)限制中的極大值原理。龐特里亞金(L.S.Pontryagin)與此同時，關(guān)于系統(tǒng)辨識、最優(yōu)限制、離散時間系統(tǒng)和自適應(yīng)限制的發(fā)展大大豐富了現(xiàn)代限制理論的內(nèi)容，形成若干分支。探討對象：多輸入多輸出(MIMO)、非線性、時變系統(tǒng)核心概念：狀態(tài)反饋數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：線性代數(shù)、矩陣理論系統(tǒng)描述方法：狀態(tài)空間表達式探討方法：時域法1.2自動限制的基本概念一、人工限制與自動限制人工限制的恒值水位系統(tǒng)水池進水出水實際水位要求水位閥門被控對象--水池被控量--水池中的水位簡潔的水位自動限制系統(tǒng)水池出水浮子連桿進水閥二、限制系統(tǒng)的兩種基本形式1.開環(huán)限制系統(tǒng)輸入量被控對象輸出量控制器特點：(1)只有正向作用，沒有反饋作用；(2)結(jié)構(gòu)簡潔，成本低，調(diào)試便利；(3)抗干擾實力差，限制精度不高。應(yīng)用：自動售貨機、自動洗衣機、自動流水線、包裝機等直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)限制系統(tǒng)+電壓放大器功率放大器+-+-+-+-+ERWuruaMCn電動機負載給定量ur電壓放大器功率放大器輸出量n(對象)直流電動機MC干擾(控制裝置)ua2.閉環(huán)限制系統(tǒng)特點：(1)既有正向作用，又有反饋限制；(2)系統(tǒng)具有訂正偏差的實力；(3)具有較高的限制精度和較強的抗干擾實力；(4)包含元件多，結(jié)構(gòu)困難，成本相對較高。輸入量被控對象輸出量控制器測量元件+-偏差量反饋量直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)限制系統(tǒng)+電壓放大器功率放大器+-+-+-+-+ERWuruaMCn電動機負載uf+-+-u1ue測速發(fā)電機開環(huán)與閉環(huán)限制系統(tǒng)的比較開環(huán)限制系統(tǒng)：1.結(jié)構(gòu)簡潔、成本低廉；2.調(diào)試便利；3.抗干擾實力差，限制精度不高。閉環(huán)限制系統(tǒng)：1.系統(tǒng)具有訂正偏差的實力；2.抗擾性好，限制精度高；3.包含元件多，結(jié)構(gòu)困難，價格高；4.參數(shù)應(yīng)選擇適當(dāng)。開環(huán)＋閉環(huán)＝復(fù)合限制系統(tǒng)(兼有兩者的優(yōu)點，精度很高)三、自動限制系統(tǒng)的特征和定義特征：1.必須要有負反饋；2.由偏差產(chǎn)生限制作用；3.限制的作用是使被控量盡量接近期望值。自動限制系統(tǒng)：為實現(xiàn)某種自動限制，須要把一些相互關(guān)聯(lián)的部件按確定的模式組合起來，構(gòu)成一個系統(tǒng)，來實現(xiàn)自動限制。1.3自動限制系統(tǒng)的組成一、基本組成串聯(lián)校正元件放大元件執(zhí)行元件并聯(lián)校正元件反饋元件輸出——r(t)c(t)輸入信號++偏差信號e主反饋信號測量反饋元件主反饋局部反饋比較元件擾動控制對象基本元部件測量反饋元件：測量被限制量并將其轉(zhuǎn)換成與輸入相同的物理量后，再反饋到輸入端以作比較。測速發(fā)電機、電位器、熱電偶比較元件：用來比較輸入信號與反饋信號，并產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。差動放大器、機械差動裝置、電橋電路放大元件：將微弱的信號作線性放大，用來推動執(zhí)行元件去限制被控對象。電壓放大級、功率放大級執(zhí)行元件：依據(jù)偏差信號的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的限制作用，以便被使被控量按期望值變更。閥、電動機、液壓馬達校正環(huán)節(jié)：用于改善系統(tǒng)性能，校正環(huán)節(jié)可加于偏差信號與輸出信號之間的通道內(nèi)，也可加于某一局部反饋通道內(nèi)。由電阻、電容組成的無源或有源網(wǎng)絡(luò)限制對象：生產(chǎn)過程中須要進行限制的工作機械或生產(chǎn)過程。被控量：出現(xiàn)于被控對象中須要限制的物理量。二、常用名詞術(shù)語系統(tǒng)：由被控對象和自動限制裝置按確定方式聯(lián)接起來的，以完成某種自動限制任務(wù)的有機整體。輸入信號：參考輸入、給定值、期望值輸出信號：被限制量反饋信號：由系統(tǒng)的輸出端送回到系統(tǒng)的輸入端的信號。偏差信號：參考輸入與主反饋之差。誤差信號：輸出量的實際值與期望值之差。在單位反饋下：誤差信號＝偏差信號擾動信號：一種對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號。1.4自動限制系統(tǒng)的分類一、按參考輸入信號分1.恒值限制系統(tǒng)--輸入信號為常數(shù)(恒值)如溫度、流量、液位、壓力限制tr(t)2.程序限制系統(tǒng)--輸入信號為預(yù)知的隨時間變更函數(shù)如數(shù)控機床、熱處理爐溫限制3.隨動限制系統(tǒng)(伺服系統(tǒng))--輸入信號是未知的隨時間變更隨意函數(shù)如火炮限制、雷達天線限制二、按系統(tǒng)數(shù)學(xué)性質(zhì)分1.線性系統(tǒng)--可用線性微分方程(差分方程)描述。2.非線性系統(tǒng)--需用非線性微分方程(或差分方程)描述。三、按系統(tǒng)傳遞的信號分1.連續(xù)系統(tǒng)2.離散系統(tǒng)四、按時間信號分1.定常系統(tǒng)2.時變系統(tǒng)1.6對自動限制系統(tǒng)的基本要求及本課程的探討內(nèi)容

1.“穩(wěn)”定性(stability)--基本要求