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1、自动限制原理（第自动限制原理（第3版）版）青岛理工高校（临沂）1青岛理工高校（临沂）青岛理工高校（临沂）电气自动化教研室电气自动化教研室曲绍华曲绍华联系方式：办公室联系方式：办公室2#42#4楼楼 电话：电话：57970145797014 Email Email：douzishuo1016163 douzishuo1016163 2学期支配学期支配课堂课堂讲授、习题课、复习讲授、习题课、复习60学时学时作业作业监督、发觉解决问题监督、发觉解决问题考核：考核：期末考试期末考试70%平常成果平常成果考勤、作业、课堂表现考勤、作业、课堂表现30%3自动限制理论发展简史v经典限制理论 (20世纪初)v
2、 时域法v 复域法(根轨迹法)v 频域法 v现代限制理论 (20世纪60年头)v 自适应限制 v 最优限制 鲁棒限制v 最佳估计 容错限制v 系统辨识 集散限制 v智能限制理论 (20世纪70年头)v 专家系统v 模糊限制v 神经网络v 遗传算法4自动限制原理课程的任务与体系结构5自动限制的几个实例v数控车床依据预定程序自动地切削工件v化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定v雷达和计算机组成的导弹放射和制导系统，自动地将导弹引导到敌方目标v无人驾驶飞机依据预定航迹自动升降和飞行v人造卫星精确地进入预定轨道运行并回收等。6热蒸气热蒸气水水1、水温的手动限制示意图、水温的手动限制示意图操作员要用手（
3、通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与他要求的值（给定值）相他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。同时比较（通过大脑）。同时他他要要决决定定（通过大脑）：（通过大脑）：他的手应当朝哪个方向旋转加温用的蒸汽他的手应当朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀阀门门和旋转多大的角度。和旋转多大的角度。水温限制水温限制-麻烦、费劲、辛苦、不精确！麻烦、费劲、辛苦、不精确！例例：72、水温的自动限制的示意图、水温的自动限制的示意图接受自动限制时，上述功能都用相应的元件和仪表来代替。接受自动限制时，上述功能都用相应的元件和仪表来代替。例如，用温度测量元件、限制记录
4、仪表和调整阀等。例如，用温度测量元件、限制记录仪表和调整阀等。8学习方法v驾驭基本概念、基本方法、基本原理v要留意前后联系，融会贯穿，保持学问的连贯性v要理论联系实际，培育自己分析和解决工程实际问题的实力v要养成综合分析，全面思索，细致负责的良好学习习惯9学习建议v勤视察，善思索v能抽象，会画图：建立数学模型，驾驭常用的分析方法并能用简图来描述限制系统。v多做题，善总结：每一类题都有内在的规律性，多做题并总结解题技巧和方法，做到举一反三10第一章第一章自动限制系统的基本概念自动限制系统的基本概念本章要点：本章要点：（1）驾驭自动限制相关概念及基本方式，几种限制方）驾驭自动限制相关概念及基本方式
5、，几种限制方式的定义，系统框图式的定义，系统框图，了解几个实例的运行过程。，了解几个实例的运行过程。（2）驾驭闭环系统的基本组成，典型闭环系统的框图。）驾驭闭环系统的基本组成，典型闭环系统的框图。（3）熟悉自动限制系统的几种分类方法及分类结果。）熟悉自动限制系统的几种分类方法及分类结果。（4）驾驭对限制系统的基本要求，驾驭对限制系统的基本要求，“稳稳”，“准准”，“快快”。111.1自动限制的基本方式自动限制的基本方式一、基本概念：一、基本概念：（1）自动限制：在没人干脆参与的状况下，利）自动限制：在没人干脆参与的状况下，利用限制装置使被控对象或过程自动地按预用限制装置使被控对象或过程自动地按
6、预定规律或数值运行。定规律或数值运行。（2）自动限制系统：能够对被控对象的工作状）自动限制系统：能够对被控对象的工作状态进行自动限制系统。一般由限制器态进行自动限制系统。一般由限制器(含测含测量元件量元件)和限制对象组成。和限制对象组成。（3）被控对象：要求实现自动限制的机器、设）被控对象：要求实现自动限制的机器、设备或生产过程。备或生产过程。（4）限制装置：对被控对象起限制作用的限制）限制装置：对被控对象起限制作用的限制装置总和。装置总和。（5）输出量：位于限制系统输出端，并要求实）输出量：位于限制系统输出端，并要求实现自动限制的物理量，也称为被控量。现自动限制的物理量，也称为被控量。（6）
7、输入量：作用于限制系统输入端，并可使）输入量：作用于限制系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。系统具有预定功能或预定输出的物理量。12二、三种基本限制方式二、三种基本限制方式1、开环限制方式、开环限制方式限制系统的输出量对系统没有限制作用，限制系统的输出量对系统没有限制作用，系统输出端与输入端之间不存在反馈回路，这系统输出端与输入端之间不存在反馈回路，这种系统是开环限制系统。种系统是开环限制系统。开环限制系统的特点：开环限制系统的特点：（1）系统输出量对限制作用无影响）系统输出量对限制作用无影响（2）无反馈环节）无反馈环节（3）出现干扰靠人工消退）出现干扰靠人工消退（4）无法实
8、现高精度限制）无法实现高精度限制13举例：举例：开环调速系统（不考虑测速反馈）开环调速系统（不考虑测速反馈）工作原理：工作原理：变更电位器滑动端的位置，相应地变更了电压变更电位器滑动端的位置，相应地变更了电压Ug值的大小，值的大小，其值经功率放大器其值经功率放大器放大后施加在直流电动机的电枢两端，放大后施加在直流电动机的电枢两端，由于直流电动机具有恒定的励磁电流。因此，由于直流电动机具有恒定的励磁电流。因此，随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，变更随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，变更Ug的大小，便限制了电动机转速的凹凸。系统中，的
9、大小，便限制了电动机转速的凹凸。系统中，Ug是给定输入量；电动机的转速是给定输入量；电动机的转速n是是系统的输出量即被控量，功率放大器的电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变系统的输出量即被控量，功率放大器的电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变更等，是扰动输入量。更等，是扰动输入量。可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参与系统的限制。可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参与系统的限制。14开环限制系统职能框图开环限制系统职能框图任何开环限制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结构框图表示。任何开环限制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结构框图表示。2、闭
10、环限制方式：、闭环限制方式：把输出量干脆或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与限制，这种系统叫闭环限制系把输出量干脆或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与限制，这种系统叫闭环限制系统。统。实际的闭环限制系统，都是以负反馈的形式出现。实际的闭环限制系统，都是以负反馈的形式出现。（7）扰动：破坏系统输入量和输出量之间预定规律的信号。）扰动：破坏系统输入量和输出量之间预定规律的信号。（8）反馈：将系统的输出量馈送到参考输入端，并与参考输入进行比较的）反馈：将系统的输出量馈送到参考输入端，并与参考输入进行比较的过程。过程。（9）反馈限制：将系统的输出量与参考输入进行比较，并力图保持两者之间既定
11、关系的限制原）反馈限制：将系统的输出量与参考输入进行比较，并力图保持两者之间既定关系的限制原理。理。（10）前向通道：从给定信号到被控变量的通道。）前向通道：从给定信号到被控变量的通道。（11）反馈通道：从被控变量到比较点的通道。）反馈通道：从被控变量到比较点的通道。（12）误差：期望输出值与实际输出值之间的偏差。在反馈限制系统中，参考输入和反馈信号）误差：期望输出值与实际输出值之间的偏差。在反馈限制系统中，参考输入和反馈信号的偏差也称为误差。的偏差也称为误差。15举例：闭环调速系统举例：闭环调速系统测速发电机检测输出量即转速测速发电机检测输出量即转速n并把它转换成与给定电压并把它转换成与给定
12、电压物理量物理量相同的反馈电压相同的反馈电压。反馈电压与给定电压相比较后产生一偏差电压。反馈电压与给定电压相比较后产生一偏差电压，再经过放大器放大后去限制直流电动机的转速。，再经过放大器放大后去限制直流电动机的转速。闭环限制的工作原理：将系统的输出量经测量、变换反馈到输入端，闭环限制的工作原理：将系统的输出量经测量、变换反馈到输入端，与给定输入相比较得到偏差信号，由偏差信号经限制器产生限制作用，与给定输入相比较得到偏差信号，由偏差信号经限制器产生限制作用，限制作用使偏差消退或削减，保证系统的输出量按给定输入要求变更。限制作用使偏差消退或削减，保证系统的输出量按给定输入要求变更。16闭环限制系统
13、职能框图闭环限制系统职能框图任何闭环限制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结任何闭环限制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结构框图表示。构框图表示。3、复合限制方式、复合限制方式开环限制开环限制+闭环限制闭环限制两种结构：按输入信号补偿两种结构：按输入信号补偿按扰动信号补偿按扰动信号补偿171.2闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成一、基本组成一、基本组成结构方块图如图所示结构方块图如图所示系统的基本元部件用框表示；信号的传输方向用箭头表示；信号的综合，用带系统的基本元部件用框表示；信号的传输方向用箭头表示；信号的综合，用带“”的圆圈表示，的圆圈表示，+号表示两信号
14、相加，即正反馈。号表示两信号相加，即正反馈。-表示两信号相减，即负反表示两信号相减，即负反馈。馈。18(1）被控对象：要进行限制的设备或生产过程。（例，工作机械）被控对象：要进行限制的设备或生产过程。（例，工作机械）(2）执行机构：作用于被限制对象的装置或设备。）执行机构：作用于被限制对象的装置或设备。(例，电动机例，电动机)（3）测量装置：用来检测被控量，并将其转换成与给定量相）测量装置：用来检测被控量，并将其转换成与给定量相同同物理物理量的装置（例，测速发电机）量的装置（例，测速发电机）（4）放大环节：对信号进行放大或能量形式的转换，使之适合）放大环节：对信号进行放大或能量形式的转换，使之
15、适合执行机构工作。（例，电压放大器，可控硅整流功放）执行机构工作。（例，电压放大器，可控硅整流功放）（5）给定环节：产生系统的给定输入信号。（电位器）给定环节：产生系统的给定输入信号。（电位器）（6）比较环节：将所测的被控量与给定量进行比较。）比较环节：将所测的被控量与给定量进行比较。（7）校正环节：用于改善系统性能的电路。）校正环节：用于改善系统性能的电路。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。前者称为串联校正环节，后者称为并联于某一局部反馈通道内。前者称为串联校正环节，后者称为并联校正或校正或(局部局部
16、)反馈校正环节。反馈校正环节。闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成19二、闭环限制系统的特点二、闭环限制系统的特点（1）系统输出量干脆或间接地参与了对系统的限制作用）系统输出量干脆或间接地参与了对系统的限制作用（2）有负反馈环节，并应用反馈减小或消退误差）有负反馈环节，并应用反馈减小或消退误差（3）当出现干扰时，可以自动减弱其影响）当出现干扰时，可以自动减弱其影响（4）系统可能工作不稳定）系统可能工作不稳定20电动电动机速度限制系机速度限制系统统工作原理工作原理图图(2)画出系统方框图。画出系统方框图。例：电动机速度限制系统例：电动机速度限制系统依据图所示的电动机速度限制系统工作原理图，完成：
17、依据图所示的电动机速度限制系统工作原理图，完成：(1)将将a，b，c，d用线连接成负反馈方式；用线连接成负反馈方式；21（1）负反馈连接方式应为）负反馈连接方式应为：因为，放大器输入端的电压应为给定电压与反馈电压两者之差，因为，放大器输入端的电压应为给定电压与反馈电压两者之差，才产生偏差电压。依据基尔霍夫回路电压定律，应才产生偏差电压。依据基尔霍夫回路电压定律，应接接，接接。相接。相接。，（2）首先，系统中的每个部件各用一方框表示，各方框内写入）首先，系统中的每个部件各用一方框表示，各方框内写入该部件的名称；然后，依据系统信号的流向，方块间用带箭头该部件的名称；然后，依据系统信号的流向，方块间
18、用带箭头的信号线连接，如图所示。的信号线连接，如图所示。解解22(1)分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量；分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量；(2)(2)画出系统方框图。画出系统方框图。例、工业炉温自动限制系统例、工业炉温自动限制系统炉温自动限制系统炉温自动限制系统23加热炉接受的是电加热的方式。由加热炉接受的是电加热的方式。由可知，电热器产可知，电热器产生的热量与调压器输出电压的平方成正比，而调压器输出电压的生的热量与调压器输出电压的平方成正比，而调压器输出电压的凹凸与调压器滑动触点的位置有关，而该滑动触点由可逆转的直凹凸与调压器滑动触点的位置有关，而该滑动触点由
19、可逆转的直流电动机驱动。流电动机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量，经放大后输出电压为炉子的实际温度用热电偶测量，经放大后输出电压为，并作为系统的反馈电压与给定电压，并作为系统的反馈电压与给定电压进行比较，得出偏差进行比较，得出偏差电压电压，经电压放大器、功率放大器放大后，作为电动机，经电压放大器、功率放大器放大后，作为电动机的电枢电压驱动电机转动。的电枢电压驱动电机转动。解解当加热炉达热平衡时，反馈电压与给定电压相等，偏差电压为零，可逆电当加热炉达热平衡时，反馈电压与给定电压相等，偏差电压为零，可逆电动机不转动，动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，加热电压不变，调压器的滑动触点
20、停留在某个合适的位置上，加热电压不变，温度保持恒定的期望值。温度保持恒定的期望值。当炉膛温度由于某种缘由变更时，当炉膛温度由于某种缘由变更时，偏差电压不偏差电压不为为0，电动机的电枢电压也电动机的电枢电压也不为不为0，电动机的转动带动滑动触点上移或下移，使加热电压变更，使炉膛温度，电动机的转动带动滑动触点上移或下移，使加热电压变更，使炉膛温度变更，直至炉膛温度的实际值等于期望值为止。变更，直至炉膛温度的实际值等于期望值为止。24系统中，加热炉是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设系统中，加热炉是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压。定的电压。(2)系统方框图系统方框
21、图系统中的每个元部件各用一方框表示，各方框内写入该部件系统中的每个元部件各用一方框表示，各方框内写入该部件的名称，依据系统信的名称，依据系统信号的流向，方块间用带箭头的信号线连接，号的流向，方块间用带箭头的信号线连接，如图所示。如图所示。限制装置限制装置被控对象被控对象检测装置检测装置251.3自动限制系统的分类自动限制系统的分类一、按数学描述形式分类：一、按数学描述形式分类：1线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统（1）线性系统：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。）线性系统：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。重要性质：满足叠加性和齐次性重要性质：满足叠加性和齐次性当系统输入为当
22、系统输入为、时，系统为时，系统为、，则系统总的输出为则系统总的输出为叠加性叠加性当输入为当输入为，则输出则输出齐次性齐次性（2）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。重要性质：不满足叠加性和齐次性重要性质：不满足叠加性和齐次性留意：任何的物理系统都是非线性的，但是在确定条件下可以留意：任何的物理系统都是非线性的，但是在确定条件下可以将某些非线性特性线性化，近似地用线性微分方程去描将某些非线性特性线性化，近似地用线性微分方程去描述，这样就可以依据线性系统来处理。述，这样就可以依据线性系统来处理。262连续系统和离散系统连续系统和离散
23、系统（1）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的的连续函数。连续系统的运动规律可用微分方程描述，系统连续函数。连续系统的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。中各部分信号都是模拟量。（2）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。离散系统的运动规律可以用差分数码的形式传递的系统。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机限制系统就是典型的离散系统。方程来描述。计算机限制系统就是典型的离散系统。二、按给定信号分类二、按给定信号分类（1）恒值
24、限制系统：）恒值限制系统：给定值不变，要求系统输出量以确定的精度接近给定希望给定值不变，要求系统输出量以确定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动限制系统属于恒值系统。电动机转速等自动限制系统属于恒值系统。（2）随动限制系统：）随动限制系统：给定值按未知时间函数变更，要求输出跟随给定值的变更。给定值按未知时间函数变更，要求输出跟随给定值的变更。如跟随卫星的雷达天线系统。如跟随卫星的雷达天线系统。（3）程序限制系统：）程序限制系统：给定值按确定时间函数变更。如程控机床。给定值按确定时间函数变更。如
25、程控机床。27限制系统的分类1.按给定信号的形式 恒值系统 /随动系统 /程控系统2.按是否满足叠加原理 线性系统 /非线性系统3.按参数是否随时间变更 定常系统 /时变系统4.按信号传递的形式 连续系统 /离散系统5.按输入输出变量的多少 单变量系统/多变量系统281.4对限制系统的基本要求对限制系统的基本要求对限制系统的基本要求归纳为稳定性、动对限制系统的基本要求归纳为稳定性、动态特性和稳态特性三个方面。（稳、快、准）态特性和稳态特性三个方面。（稳、快、准）一、稳定性一、稳定性一个处于静止或平衡工作状态的系统，当一个处于静止或平衡工作状态的系统，当受到任何输入（给定信号或干扰）作用后，就受
26、到任何输入（给定信号或干扰）作用后，就可能偏离原有的平衡状态。当作用消逝后，系可能偏离原有的平衡状态。当作用消逝后，系统中的状态和输出都能复原到原来的平衡状态统中的状态和输出都能复原到原来的平衡状态的系统称为稳定的系统。的系统称为稳定的系统。若作用消逝后，系统中的状态和输动身生若作用消逝后，系统中的状态和输动身生增幅振荡或单调增长现象的系统称为不稳定系增幅振荡或单调增长现象的系统称为不稳定系统。统。29二、动态特性二、动态特性动态特性就是反映系统在动态过程中，系统跟踪限制信号动态特性就是反映系统在动态过程中，系统跟踪限制信号或抑制扰动的实力。动态性能好的系统，既要求过渡过程时间或抑制扰动的实力
27、。动态性能好的系统，既要求过渡过程时间短，又要求过程平稳、振荡幅度小。短，又要求过程平稳、振荡幅度小。三、稳态特性三、稳态特性系统在过渡过程结束后，其输出量的状态一般由稳态特性系统在过渡过程结束后，其输出量的状态一般由稳态特性来描述。稳态误差的大小反映了系统限制的精度。稳态误差值来描述。稳态误差的大小反映了系统限制的精度。稳态误差值越小的系统，说明系统的限制精度越高，稳态特性越好。越小的系统，说明系统的限制精度越高，稳态特性越好。值得留意的是，对于同一个系统体现稳定性、动态特性和值得留意的是，对于同一个系统体现稳定性、动态特性和稳态特性的稳、快、准这三个要求是相互制约的。稳态特性的稳、快、准这三个要求是相互制约的。30 31