第一章自動(dòng)限制概論

自動(dòng)化（Automation）是指機(jī)器或裝置在無(wú)人干預(yù)的狀況下按規(guī)定的程序或指令自動(dòng)地進(jìn)行操作或運(yùn)行，脫離具體物理對(duì)象而去探討自動(dòng)化是毫無(wú)意義的。

自動(dòng)化是延長(zhǎng)人類體能和智能、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。限制（Control）是人們?yōu)閷?shí)現(xiàn)所要達(dá)到的目標(biāo)而接受的方法與手段，因而可以脫離具體物理對(duì)象而去探討限制。相應(yīng)的限制論可分為工程限制論、社會(huì)限制論、經(jīng)濟(jì)限制論、生物限制論等。2.自動(dòng)化的含義自動(dòng)限制是一門不斷發(fā)展的、綜合性的技術(shù)科學(xué)涉及到的學(xué)科:物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、人工智能、信息論、生命科學(xué)以及社會(huì)科學(xué)。限制技術(shù)的運(yùn)用從工業(yè)限制已進(jìn)入到生物限制、醫(yī)學(xué)、環(huán)境限制、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口限制等各個(gè)領(lǐng)域。自動(dòng)化專業(yè)的主干學(xué)科為:限制科學(xué)與工程，并與電氣工程、信息與通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、儀器科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科相關(guān)。我國(guó)首批設(shè)立的專業(yè)：工業(yè)電氣自動(dòng)化國(guó)防院校：自動(dòng)限制自動(dòng)化我國(guó)自動(dòng)化學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域包括：1個(gè)一級(jí)學(xué)科、5個(gè)二級(jí)學(xué)科，即0811限制科學(xué)與工程081101限制理論與限制工程

081102檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)扮裝置

081103系統(tǒng)工程

081104模式識(shí)別與智能系統(tǒng)

081105導(dǎo)航、制導(dǎo)與限制《自動(dòng)限制原理》課程介紹先修課程：《工程數(shù)學(xué)》/《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)內(nèi)容：利用各種數(shù)學(xué)方法對(duì)限制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)：限制方法的MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)

省略數(shù)學(xué)證明淡化解題技巧補(bǔ)充內(nèi)容：MATLAB限制類工具箱的運(yùn)用配套教材:胡壽松.《自動(dòng)限制原理基礎(chǔ)教程》科學(xué)出版社,2013.胡壽松.《自動(dòng)限制原理簡(jiǎn)明教程（第2版）》科學(xué)出版社,2008.教材:胡壽松.《自動(dòng)限制原理（第6版）》科學(xué)出版社,2013.參考書(shū)目:王正林.《MATLAB/Simulink與限制系統(tǒng)仿真(第3版)》電子工業(yè)出版社,2012.薛定宇.《限制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)協(xié)助設(shè)計(jì)——MATLAB語(yǔ)言與應(yīng)用(第3版)》清華高校出版社,2012.考核形式:上課狀況(20分)+作業(yè)(20分)+實(shí)踐測(cè)試(30分)+期末考試(30分)古典（經(jīng)典）限制理論自動(dòng)限制原理（理論）（1787——1960）以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)探討單輸入－單輸出定常限制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。現(xiàn)代（近代）限制理論（1960——1980）以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，探討多輸入－多輸出限制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。最優(yōu)限制、自適應(yīng)限制計(jì)算機(jī)限制、系統(tǒng)辨識(shí)智能限制理論（1980——）以人工智能為基礎(chǔ)，探討困難對(duì)象（車間、工廠、集團(tuán)）、困難任務(wù)、困難環(huán)境。管理和限制一體化:計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，困難限制系統(tǒng)1.2自動(dòng)限制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)限制，是指在沒(méi)有人干脆參與的狀況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為限制器或限制裝置），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（統(tǒng)稱被控量）自動(dòng)地依據(jù)預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)限制系統(tǒng)，是指能夠?qū)Ρ幌拗茖?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)限制的系統(tǒng)。1.2.1反饋限制原理在自動(dòng)限制系統(tǒng)中，被控量是要求嚴(yán)格加以限制的物理量；而作為對(duì)被控對(duì)象施加限制作用的限制裝置，可以接受不同的原理和方式完成賜予的任務(wù)。其中，最基本的限制原理就是反饋限制原理。基于反饋限制原理組成的限制系統(tǒng)被稱為反饋限制系統(tǒng)。在反饋限制系統(tǒng)中，限制裝置對(duì)被控對(duì)象施加限制作用，而限制裝置接受的信號(hào)是取自被控量的反饋信號(hào)與給定值相比較生成的偏差，依據(jù)偏差值的大小產(chǎn)生限制作用，實(shí)現(xiàn)限制任務(wù)。實(shí)際行駛方向預(yù)期行駛方向圖1.1汽車駕駛限制原理框圖測(cè)量預(yù)期路線大腦方向盤汽車實(shí)際路線眼睛和其他

感覺(jué)器官手圖1.2汽車駕駛限制原理框圖1.2.2限制系統(tǒng)的基本組成圖1.3限制系統(tǒng)職能方框圖比較執(zhí)行測(cè)量被控對(duì)象實(shí)測(cè)值干擾測(cè)量給定值被控量限制器應(yīng)具有三種基本職能，即測(cè)量、比較和執(zhí)行。1.測(cè)量元件的職能是檢測(cè)被限制的物理量，假如所測(cè)量的物理量為非電量，一般要將其轉(zhuǎn)換為電量。2.比較元件的職能是將測(cè)量元件檢測(cè)到的被控量的實(shí)際值與給定值相比較，計(jì)算求出二者間的偏差。3.放大元件的職能是將比較元件給出的偏差信號(hào)放大，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件去限制被控對(duì)象。4.執(zhí)行元件的職能是干脆推動(dòng)被控對(duì)象，使被控量發(fā)生變更。1.2.3技術(shù)術(shù)語(yǔ)1.被控對(duì)象:是指要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)限制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。3.限制器：又稱調(diào)整器、限制裝置，由限制元件組成，它接受指令信號(hào)，輸出限制作用信號(hào)于被控對(duì)象。2.被控量：表征被控對(duì)象工作狀態(tài)的物理參量(或狀態(tài)參量)，如轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、電壓、位移等。4.給定值或指令信號(hào)r(t)：要求限制系統(tǒng)按確定規(guī)律變更的信號(hào)，是系統(tǒng)的輸入信號(hào)。5.干擾信號(hào)n(t)：又稱擾動(dòng)值，是一種對(duì)系統(tǒng)的被控量起破壞作用的信號(hào)。6.反饋信號(hào)b(t)：是指被控量經(jīng)測(cè)量元件檢測(cè)后回饋送到系統(tǒng)輸入端的信號(hào)。7.偏差信號(hào)e(t)：是指給定值與被控量的差值，或指令信號(hào)與反饋信號(hào)的差值。液位限制系統(tǒng)限制器減速器電動(dòng)機(jī)電位器浮子用水開(kāi)關(guān)Q2Q1cifSM下面通過(guò)具體例子來(lái)說(shuō)明自動(dòng)限制和自動(dòng)限制系統(tǒng)的概念限制任務(wù)：維持水箱內(nèi)水位恒定限制裝置：閥門、限制器受控對(duì)象：水箱、供水系統(tǒng)被控量：水箱內(nèi)水位的高度給定值：限制器刻度盤指針標(biāo)定的預(yù)定水位高度測(cè)量裝置：浮子比較裝置：限制器刻度盤干擾：水的流出量和流入量的變更都將破壞水位保持恒定自動(dòng)限制，即沒(méi)有人干脆參與的限制。其基本任務(wù)是：在無(wú)人干脆參與的狀況下，利用限制裝置操縱被控對(duì)象，使被限制量等于給定值。自動(dòng)限制系統(tǒng)：指能夠完成自動(dòng)限制任務(wù)的設(shè)備，一般由限制裝置和被控對(duì)象組成。由此可見(jiàn)：1.3.1開(kāi)環(huán)限制1.按給定值限制圖1.4開(kāi)環(huán)限制框圖1.3自動(dòng)限制的基本方式溫度計(jì)

加熱電阻絲調(diào)壓器u(a)原理圖~220V輸出量(手柄位置)輸入量

調(diào)壓器

加熱電阻絲

電爐

恒溫箱

受控對(duì)象(溫度)擾動(dòng)量(b)方塊圖控制裝置爐溫限制系統(tǒng)按給定值操縱的開(kāi)環(huán)限制特點(diǎn)：限制裝置只按給定值來(lái)限制受控對(duì)象。優(yōu)點(diǎn)：限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，相對(duì)來(lái)說(shuō)成本低。缺點(diǎn)：對(duì)可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒(méi)有任何修正實(shí)力，抗干擾實(shí)力差，限制精度不高。1.3.2閉環(huán)限制圖1.5閉環(huán)限制框圖用“○”號(hào)代表比較裝置，“—”號(hào)代表兩者符號(hào)相反。信號(hào)沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量裝置反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。被控量偏差信號(hào)

(-)

參考輸入信號(hào)r(t)

調(diào)節(jié)器(或控制器)u(t)受控系統(tǒng)e(t)c(t)反饋信號(hào)

控制量

擾動(dòng)

給定裝置

校正裝置

放大

元件

執(zhí)行

機(jī)構(gòu)

受控

對(duì)象

反饋裝置

(測(cè)量元件)給定裝置：產(chǎn)生給定值或輸入信號(hào)（量）（即參考量或期望值）測(cè)量裝置：測(cè)量被限制的物理量（被控量），用于產(chǎn)生反饋信號(hào)各種傳感器：測(cè)速發(fā)電機(jī)、電位計(jì)、熱電偶等。比較裝置：把測(cè)量元件檢測(cè)的實(shí)際值（被控量）與給定元件給出的參考量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。如差動(dòng)放大器、自整角機(jī)。放大裝置：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去限制被控對(duì)象，如放大器、晶閘管。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：干脆推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變更。如步進(jìn)電機(jī)，繼電器開(kāi)關(guān)。補(bǔ)償裝置：它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件或機(jī)構(gòu)，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善限制系統(tǒng)性能。工業(yè)應(yīng)用的限制系統(tǒng)：電動(dòng)、汽（氣）動(dòng)、液動(dòng)。限制任務(wù)：保持轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際轉(zhuǎn)速等于期望轉(zhuǎn)速。被控對(duì)象：轉(zhuǎn)臺(tái)。被控量：轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速。例轉(zhuǎn)臺(tái)速度限制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)速度閉環(huán)限制系統(tǒng)原理方框圖給定電位器反饋電位器例

飛機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)飛機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)原理圖控制任務(wù)：系統(tǒng)在任何擾動(dòng)作用下，保持飛機(jī)俯仰角不變。被控對(duì)象：飛機(jī)。被控量：飛機(jī)的俯仰角。俯仰角限制系統(tǒng)原理方框圖函數(shù)記錄儀原理示意圖RQRWΔuLtur變換器放大器繩輪電機(jī)測(cè)速機(jī)減速器函數(shù)記錄儀方塊圖1.3.3.復(fù)合限制圖1.6復(fù)合限制框圖定義：通常把系統(tǒng)受到外作用后，被控量隨時(shí)間變更的全過(guò)程，稱為動(dòng)態(tài)過(guò)程或過(guò)渡過(guò)程。工程上常從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)限制系統(tǒng)。穩(wěn)：指限制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性。快：指限制系統(tǒng)的快速性。準(zhǔn)：指限制系統(tǒng)的最終精度（穩(wěn)態(tài)精度）。1.4自動(dòng)限制系統(tǒng)的基本要求1穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是保證限制系統(tǒng)正常工作的先決條件。對(duì)于穩(wěn)定的限制系統(tǒng)，被控量偏離期望值后，經(jīng)過(guò)一段過(guò)渡時(shí)間后，被控量應(yīng)復(fù)原到原來(lái)狀態(tài)。對(duì)于不穩(wěn)定的限制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的偏差將會(huì)越來(lái)越大，最終發(fā)散。限制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線如上圖所示，系統(tǒng)在外力作用下，輸出漸漸與期望值一樣，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，如曲線①所示；反之，輸出如曲線②所示，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。穩(wěn)：指限制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性2快速性

快速性即動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行時(shí)間的長(zhǎng)短。過(guò)程時(shí)間越短，說(shuō)明系統(tǒng)的快速性越好，過(guò)程時(shí)間持續(xù)越長(zhǎng)，說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，難以實(shí)現(xiàn)快速變更的指令信號(hào)。穩(wěn)定性和快速性反映了系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程的性能。

限制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程快：指限制系統(tǒng)的快速性3精確性當(dāng)系統(tǒng)結(jié)束過(guò)渡過(guò)程后，被控量達(dá)到穩(wěn)定值（平衡狀態(tài)），這個(gè)穩(wěn)定值與期望值的誤差，就是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的指標(biāo)，反映了動(dòng)態(tài)過(guò)程后期的性能。以上分析的穩(wěn)、快、準(zhǔn)三方面的性能指標(biāo)往往由于被控對(duì)象的具體狀況不同，各系統(tǒng)要求也有所側(cè)重，而且同一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求是相互制約的。1.5限制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)協(xié)助設(shè)計(jì)限制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)協(xié)助設(shè)計(jì)發(fā)展概況第一階段：60～70年頭，接受一個(gè)或者幾個(gè)限制系統(tǒng)計(jì)算程序組成的限制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)協(xié)助設(shè)計(jì)軟件包。其次階段：70～80年頭，功能齊全的用于多變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)協(xié)助設(shè)計(jì)軟件包。第三階段：80中期起先，產(chǎn)生仿真軟件MATLAB—限制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)協(xié)助設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)。限制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)協(xié)助設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)協(xié)助建立系統(tǒng)模型數(shù)學(xué)模型表示方式之間的相互轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)協(xié)助分析和設(shè)計(jì)限制系統(tǒng)數(shù)字仿真試驗(yàn)接受目前世界上最為流行的計(jì)算機(jī)仿真軟件MATLAB。它是一個(gè)功能特別強(qiáng)大的系統(tǒng)，是集數(shù)值計(jì)算、圖形管理、程序開(kāi)發(fā)為一體的環(huán)境，已經(jīng)成為一種好用的全新計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語(yǔ)言。在歐美高校里，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)限制、數(shù)字信號(hào)處理、模擬與數(shù)字通信、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書(shū)都把MATLAB作為內(nèi)容。MATLAB更是探討和解決工程計(jì)算問(wèn)題的一種標(biāo)準(zhǔn)軟件，被用來(lái)解決一些實(shí)際課題和數(shù)學(xué)模型問(wèn)題。MATLAB仿真軟件SIMULINK在工程實(shí)際中，限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往很困難，假如不借助專用的系統(tǒng)建模軟件，則很難精確地把一個(gè)限制系統(tǒng)的困難模型輸入計(jì)算機(jī)，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析與仿真。1990年，MathWorks軟件公司為MATLAB供應(yīng)了新的限制系統(tǒng)模型圖輸入與仿真工具，并命名為SIMULAB，該工具很快就在限制工程界獲得了廣泛的認(rèn)可，使得仿真軟件進(jìn)入了模型化圖形組態(tài)階段。但因其名字與當(dāng)時(shí)比較著名的軟件SIMULA類似，所以1992年正式將該軟件更名為SIMULINK。SIMULINK簡(jiǎn)介SIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與MATLAB語(yǔ)言的主要區(qū)分在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入。所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK供應(yīng)了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)對(duì)這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來(lái)就可以構(gòu)成所須要的系統(tǒng)模型（以.mdl文件進(jìn)行存取），進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。SIMULINK是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)