自动控制原理-高国燊ch1

《自动限制原理》与其它课程的关系微积分电机与拖动模拟电子技术电路分析信号与系统复变函数与积分变换大学物理（力学、热力学）自动控制原理各类控制系统课程1.胡寿松，《自动限制原理》(第4版)，科学出版社2.涂植英，《自动限制原理》(其次版)，重庆高校出版社4.孙亮，《自动限制原理》，北京工业高校出版社参考书主要教学环节1.课堂教学细致听课，主动思索，主动学习，理解基本概念、基本理论，驾驭分析、设计简洁自动限制系统的方法、技巧。2.课后自学、独立完成作业培育自学实力和分析与处理问题的实力。考试方式：闭卷总成果=平常成果×30％+期末成果×70%考试方式及成果评定第一章绪论1.1引言1.2自动限制的基本概念1.3自动限制系统的组成1.4自动限制系统的分类1.6对自动限制系统的基本要求及本课程的探讨内容1.1引言一、自动限制的定义及应用自动限制技术在化工、造纸、电力、汽车和钢铁等领域起着越来越重要的作用。近几十年来，计算机技术的发展与应用，自动限制技术在很多高科技领域(航空航天、导弹制导、核动力)作用更大，且扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他很多社会领域。自动限制：在没有人干脆参与的状况下，利用限制装置使被控对象自动地依据预定的规律运行。锅炉设备的压力和温度自动保持恒定；数控机床依据预定的程序自动地切削工件；导弹放射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标；无人驾驶飞机能按预定轨道自动飞行；人造地球卫星能够放射到预定轨道并能精确回收；……人造地球卫星无人驾驶飞机雷达技术制导导弹二、自动限制理论的发展1.经典限制理论(自动限制原理)限制理论的发展初期是以反馈理论为基础的自动调整原理，主要用于工业限制。其次次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动限制理论的发展。两千年前我国独创的指南车，就是一种开环自动调整系统。公元1086-1092年(北宋)，我国独创的水运仪象台，就是一种闭环自动调整系统。水运仪象台是集观测天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的大型综合性观测仪器。随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪，自动限制技术渐渐应用到现代工业中。1765年瓦特(J.Watt)独创蒸汽机，1788年瓦特利用反馈原理独创蒸汽机用的离心调速器。1868年马克斯威尔(J.C.Maxwell)发表《论调整器》，提出了低阶系统的稳定性代数判据，解决了蒸汽机调速系统中出现的猛烈振荡的不稳定问题。1877年劳斯(Routh)、1895年赫尔维茨(Hurwitz)把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更困难的系统中，分别独立地提出了两个著名的稳定性判据—劳斯判据和赫尔维茨判据，基本上满足了二十世纪初期限制工程师的须要。赫尔维茨(Hurwitz)由于其次次世界大战须要限制系统具有精确跟踪与补偿实力，1932年奈魁斯特(H.Nyquist)提出了频域内探讨系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态精确度的军用限制系统供应了所需的分析工具。奈魁斯特(H.Nyquist)1945年伯德(H.W.Bode)提出了简便而好用的伯德图法(频率法)；1948年伊文思(W.R.Evans)提出了直观而又形象的根轨迹法；20世纪50年头非线性系统理论和离散限制理论。探讨对象：单输入单输出(SISO)、线性定常系统核心概念：输出反馈数学基础：微积分、积分变换系统描述方法：传递函数探讨方法：时域法、根轨迹法、频率特性法2.现代限制理论由于经典限制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只留意系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年头初，在经典限制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代限制理论快速发展起来。五十年头后期，贝尔曼(Bellman)等人提出了状态分析法，在1957年提出了动态规划。1960年卡尔曼(Kalman)成功地应用了状态空间法，提出了可控性和可观测性的新概念。卡尔曼1965年罗森布洛克(H.H.Rosenbrock)提出了寻求最优限制的动态规划方法。1961年庞特里亚金(俄国人)证明白最优限制中的极大值原理。庞特里亚金(L.S.Pontryagin)与此同时，关于系统辨识、最优限制、离散时间系统和自适应限制的发展大大丰富了现代限制理论的内容，形成若干分支。探讨对象：多输入多输出(MIMO)、非线性、时变系统核心概念：状态反馈数学基础：线性代数、矩阵理论系统描述方法：状态空间表达式探讨方法：时域法1.2自动限制的基本概念一、人工限制与自动限制人工限制的恒值水位系统水池进水出水实际水位要求水位阀门被控对象--水池被控量--水池中的水位简洁的水位自动限制系统水池出水浮子连杆进水阀二、限制系统的两种基本形式1.开环限制系统输入量被控对象输出量控制器特点：(1)只有正向作用，没有反馈作用；(2)结构简洁，成本低，调试便利；(3)抗干扰实力差，限制精度不高。应用：自动售货机、自动洗衣机、自动流水线、包装机等直流电动机转速开环限制系统+电压放大器功率放大器+-+-+-+-+ERWuruaMCn电动机负载给定量ur电压放大器功率放大器输出量n(对象)直流电动机MC干扰(控制装置)ua2.闭环限制系统特点：(1)既有正向作用，又有反馈限制；(2)系统具有订正偏差的实力；(3)具有较高的限制精度和较强的抗干扰实力；(4)包含元件多，结构困难，成本相对较高。输入量被控对象输出量控制器测量元件+-偏差量反馈量直流电动机转速闭环限制系统+电压放大器功率放大器+-+-+-+-+ERWuruaMCn电动机负载uf+-+-u1ue测速发电机开环与闭环限制系统的比较开环限制系统：1.结构简洁、成本低廉；2.调试便利；3.抗干扰实力差，限制精度不高。闭环限制系统：1.系统具有订正偏差的实力；2.抗扰性好，限制精度高；3.包含元件多，结构困难，价格高；4.参数应选择适当。开环＋闭环＝复合限制系统(兼有两者的优点，精度很高)三、自动限制系统的特征和定义特征：1.必须要有负反馈；2.由偏差产生限制作用；3.限制的作用是使被控量尽量接近期望值。自动限制系统：为实现某种自动限制，须要把一些相互关联的部件按确定的模式组合起来，构成一个系统，来实现自动限制。1.3自动限制系统的组成一、基本组成串联校正元件放大元件执行元件并联校正元件反馈元件输出——r(t)c(t)输入信号++偏差信号e主反馈信号测量反馈元件主反馈局部反馈比较元件扰动控制对象基本元部件测量反馈元件：测量被限制量并将其转换成与输入相同的物理量后，再反馈到输入端以作比较。测速发电机、电位器、热电偶比较元件：用来比较输入信号与反馈信号，并产生反映两者差值的偏差信号。差动放大器、机械差动装置、电桥电路放大元件：将微弱的信号作线性放大，用来推动执行元件去限制被控对象。电压放大级、功率放大级执行元件：依据偏差信号的性质执行相应的限制作用，以便被使被控量按期望值变更。阀、电动机、液压马达校正环节：用于改善系统性能，校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内，也可加于某一局部反馈通道内。由电阻、电容组成的无源或有源网络限制对象：生产过程中须要进行限制的工作机械或生产过程。被控量：出现于被控对象中须要限制的物理量。二、常用名词术语系统：由被控对象和自动限制装置按确定方式联接起来的，以完成某种自动限制任务的有机整体。输入信号：参考输入、给定值、期望值输出信号：被限制量反馈信号：由系统的输出端送回到系统的输入端的信号。偏差信号：参考输入与主反馈之差。误差信号：输出量的实际值与期望值之差。在单位反馈下：误差信号＝偏差信号扰动信号：一种对系统的输出产生不利影响的信号。1.4自动限制系统的分类一、按参考输入信号分1.恒值限制系统--输入信号为常数(恒值)如温度、流量、液位、压力限制tr(t)2.程序限制系统--输入信号为预知的随时间变更函数如数控机床、热处理炉温限制3.随动限制系统(伺服系统)--输入信号是未知的随时间变更随意函数如火炮限制、雷达天线限制二、按系统数学性质分1.线性系统--可用线性微分方程(差分方程)描述。2.非线性系统--需用非线性微分方程(或差分方程)描述。三、按系统传递的信号分1.连续系统2.离散系统四、按时间信号分1.定常系统2.时变系统1.6对自动限制系统的基本要求及本课程的探讨内容

1.“稳”定性(stability)--基本要求