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1、自动限制原理自动限制原理B参考书自动限制原理吴忠强国防工业出版社自动限制原理胡寿松科学出版社4/15/20231第一章第一章限制系统导论4/15/20232本章提纲本章提纲1.1 自动限制的基本概念自动限制的基本概念1.2 自动限制系统的分类自动限制系统的分类1.3 对限制系统的基本要求对限制系统的基本要求 1.4限制理论在工程中的应用限制理论在工程中的应用1.5自动限制的发展简史自动限制的发展简史本章小结本章小结 4/15/20233自动限制技术及其应用自动限制技术及其应用 自动限制技术应用自动限制技术应用起先多用于工业:压力、温度、流量、位移、起先多用于工业:压力、温度、流量、位移、湿度湿
2、度后来进入军事领域:飞机自动驾驶、火炮自后来进入军事领域:飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船目前渗透到更多领域:系统工程、交通管理目前渗透到更多领域:系统工程、交通管理生物学系统:生物限制论、人造器官生物学系统:生物限制论、人造器官经济系统:模拟经济管理过程、经济限制论经济系统:模拟经济管理过程、经济限制论4/15/20234现代化的工厂现代化的工厂4/15/20235飞机的自动驾驶飞机的自动驾驶4/15/20236卫星的放射与回收卫星的放射与回收 4/15/20237空调空调-温度限制系统温度限制系统全自动洗衣机全自动洗衣机-洗衣程序限制系统洗衣程序
3、限制系统 民用自动化设备4/15/20238自动限制系统应用实例自动限制系统应用实例-机器人机器人4/15/202391.1自动限制的基本概念自动限制的基本概念n自动限制:在没有人干脆干预的状况下,利用物理装置对生产设备工艺过程等进行合理的限制,使被限制物理量保持恒定或依据确定的规律变更。n限制系统:为实现某一限制目标所须要的全部物理部件的有机组合体。n被控对象对象:自动限制系统中被限制的设备或过程4/15/202310n被控量输出量:被限制的物理量n限制量给定量:确定被控量的物理量n扰动量:阻碍限制量对被控量进行正常限制的全部元素n输入:给定量+扰动量n自动限制的任务就是克服扰动量的影响,使
4、系统依据给定量所设定的规律进行4/15/2023114/15/2023121.11一个实例-直流电动机速度自动限制系统限制量给定量:电位器电压输出量被控量:电动机转速测量元件变送元件:测速发电机被控对象:电动机扰动:电源变更、负载变更等引起转速变更测速发电机电压送到输入端与电位器电压进行比较,两者的差值(又称偏差信号)限制功率放大器(限制器),限制器的输出限制电动机的转速,构成电动机转速自动限制系统。4/15/202313图1-1直流电动机速度自动限制的原理结构图4/15/2023141.1.2限制系统方框图自动限制系统一般包括测量变送元件、限制器等组成的自动限制装置和被控对象,其组成方框图如
5、图1-2所示。图1-2自动限制系统的组成框图4/15/2023151.2 自动限制系统的分类自动限制系统的分类几种常用的自动限制系统分类方法:121按信号的传递路径系统结构分122按系统输入信号的变更规律分123按系统传输信号的性质分124按描述系统的数学模型分125其它分类方法4/15/2023161开环限制系统系统的输出端与输入端不存在反馈回路,输出量对系统的限制作用不发生影响。如工业上运用的数字程序限制机床,参见图1-3。图纸位移程序指令放大器执行机构微型计算机切削刀具工作机床121按信号的传递路径系统结构分图1-3微型计算机限制机床(开环系统)4/15/202317系统每一个输入信号,
6、必有一个固定的工作状态和一个系统的输出量与之对应,但不具有修正因扰动而出现的被控量期望值与实际值之间误差的实力。如:执行机构步进电机出现失步,机床某部分未能精确地执行程序指令的要求,切削刀具偏离了希望值等,限制指令并不会相应地变更。开环系统结构简洁,成本低廉,工作稳定。但开环限制不能自动修正被限制量的误差、系统元件参数的变更以及外来未知干扰都会影响系统精度的。4/15/2023182闭环限制系统系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统,也叫反馈限制系统。“闭环”这个术语的含义,就是应用反馈作用来减小系统误差,如图1-4所示。反馈测量元件图纸位移手放大器执行机构微型计算机切削刀具工作机床图1-
7、4微型计算机限制机床(闭环系统)4/15/202319n在图1-4中,引入了反馈测量元件,闭环限制系统由n于有“反馈”作用存在,具有自动修正被限制量出现n偏差的实力,可以修正元件参数变更及外界扰动引起n的误差,所以其限制效果好,精度高。n闭环限制系统不足之处,除了结构困难,成本较高外,一个主要的问题是由于反馈的存在,限制系统可能出现“振荡”。n 4/15/202320手臂手臂手臂手臂,手手手手人眼人眼人眼人眼输入输入输入输入信号信号信号信号大脑大脑大脑大脑人眼人眼人眼人眼输出信号输出信号输出信号输出信号用自动装用自动装用自动装用自动装置代替人置代替人置代替人置代替人工操作工操作工操作工操作反馈
8、限制原理反馈限制原理4/15/202321n3复合限制系统n 闭环限制和开环限制相结合,在闭环限制等基础上增加一个干扰信号的补偿限制,以提高限制系统的抗干扰实力。图1-5复合限制系统框图4/15/202322增加干扰信号的补偿限制作用,可以在干扰对被控量产生不利影响所同时刚好供应限制作用以抵消此不利影响。纯闭环限制要等待该不利影响反映到被控信号之后才引起限制作用,对干扰的反应较慢。两者的结合既能得到高精度限制,又能提高抗干扰实力。4/15/202323122 按系统输入信号的变更规律分 1、恒值限制系统(自动调整系统)输入信号是一个恒定的数值。恒值限制系统主要探讨各种干扰对系统输出的影响以及如
9、何克服这些干扰,把输入、输出量尽量保持在希望数值上。2、过程限制系统(程序限制系统)输入信号是一个已知的时间函数,系统的限制过程按预定的程序进行,要求被控量能快速精确地复现。如数控伺服系统。恒值限制系统也认为是过程限制系统的特例。4/15/202324n3、随动限制系统(伺服系统)n 输入信号是一个未知函数,要求输出量跟随给定量 变更。n 如火炮自动跟踪系统4/15/202325123按系统传输信号的性质分1、连续系统 系统各部分的信号都是模拟的连续函数。如常规限制仪表PID调整器限制的系统。2、离散系统 系统的某一处或几处,信号以脉冲序列或数码的形式传递的限制系统。主要特点:系统中用脉冲开关
10、或采样开关,将连续信号转变为离散信号。可分为脉冲限制系统和数字限制系统。4/15/202326124 按描述系统的数学模型分1、线性系统由线性元件构成的系统叫线性系统,运动方程为线性微分方程。若各项系数为常数,则称为线性定常系统。其运动方程一般形式为:式中:u(t)系统的输入量;y(t)系统的输出量。线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性4/15/2023272、非线性系统图1-6非线性元件静特性举例4/15/202328构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时,称此系统为非线性系统。典型的非线性特性有饱和特性、死区特性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等,如图1-6所示。非线性的理论探讨远
11、不如线性系统完整,一般只能近似的定性描述和数值计算。4/15/2023291.2.5 其它分类方法(1)按系统的输入/输出信号数量分:单入/单出系统(SISO)和多入/多出系统(MIMO)(2)按限制系统的功能分:温度限制系统、速度限制系统、位置限制系统等。(3)按系统元件组成来分:机电系统、液压系统、生物系统。(4)按不同的限制理论分支设计的新型限制系统分:最优限制系统,自适应限制系统,预料限制系统,模糊限制系统,神经网络限制系统等等。4/15/2023301.3 1.3 对限制系统的基本要求对限制系统的基本要求当自动限制系统受到干扰或者人为要求给定值变更,被控量就会发生变更,偏离给定值。通
12、过系统的自动限制作用,经过确定的过渡过程,被控量又复原到原来的稳定值或者稳定到一个新的给定值。被控量在变更过程中的过渡过程称为动态过程(即随时间而变的过程),被控量处于平衡状态称为静态或稳态。自动限制系统最基本的要求是被控量的稳态误差(偏差)为零或在允许的范围内。对于一个好的自动限制系统来说,一般要求稳态误差在被控量额定值的25之内。4/15/202331图1-7自动限制系统被控量变更的动态特性自动限制系统还应满足动态过程的性能要求,自动限制系统被控量变更的动态特性有以下几种。4/15/202332(a)单调过程被控量y(t)单调变更,缓慢到达新的平衡状态(新的稳态值)。如图1-7(a),一般
13、这种动态过程具有较长的动态过程时间(到达新的平衡状态所需的时间)。(b)衰减振荡过程:被控量y(t)的动态过程是一个振荡过程,振荡的幅度不断地衰减,到过渡过程结束时,被控量会达到新的稳态值。这种过程的最大幅度称为超调量,如图1-7(b)。4/15/202333(c)等幅振荡过程:被控量y(t)的动态过程是一个持续等幅振荡过程,始终不能到达新的稳态值,如图1-7(c)。这种过程假如振荡的幅度较大,生产过程不允许,则认为是一种不稳定的系统,假如振荡的幅度较小,生产过程可以允许,则认为是一种稳定的系统。(d)发散振荡过程:被控量y(t)的动态过程不但是一个振荡过程,而且振荡的幅值越来越大,以致会大大
14、超过被控量允许的误差范围,如图1-7(d),这是一种典型的不稳定过程,设计自动限制系统要确定避开产生这种状况。4/15/202334自动限制系统其动态过程多属于图1-7(b)的状况。限制系统的动态过程不仅要是稳定的,并且希望过渡过程时间(又称调整时间)越短越好,振荡幅度越小越好,衰减得越快越好。综上所述,对于一个自动限制的性能要求可以概括为三方面:稳定性,快速性和精确性。4/15/202335(1)稳定性。自动限制系统的最基本的要求是系统必需是稳定的,不稳定的限制系统是不能工作的。(2)快速性。在系统稳定的前提下,希望限制过程(过渡过程)进行得越快越好,但假如要求过渡过程时间很短,可能使动态误
15、差(偏差)过大。合理的设计应当兼顾这两方面的要求。(3)精确性。即要求动态误差和稳态误差都越小越好。当与快速性有冲突时,应兼顾这两方面的要求。4/15/2023361.4限制理论在工程中的应用n探讨工程技术中广义系统的动力学问题:系统的分析、设计、滤波、预料、辨识和最优限制n探讨反馈限制系统的性能和设计n探讨生产过程的组织和管理4/15/2023371.5自动限制的发展简史 限制理论是关于限制系统建模、分析和综合的一般理论,也可以看作是限制系统的应用数学分支。依据自动限制理论的发展历史,大致可分为以下四个阶段:(一)经典限制理论阶段1788年瓦特(J.Watt)独创飞锤调速器20世纪40年头末
16、形成完整的自动限制理论体系19世纪60年头是限制系统高速发展的时期其次次世界大战结束时,经典限制技术和理论基本建立。4/15/202338n经典限制理论的分析方法为复数域方法,以传递函数作为系统数学模型,常利用图表进行分析设计,比求解微分方程简便。n优点:可通过试验方法建立数学模型,物理概念清晰,得到广泛的工程应用。n缺点:只适应单变量线性定常系统,对系统内部状态缺少了解,且复数域方法探讨时域特性,得不到精确的结果。4/15/202339n(二)现代限制理论阶段n 20世纪60年头初,在原有“经典限制理论”的基础上,形成了所谓的“现代限制理论”。n 1954年贝尔曼(R.Bellman)的动态
17、规划理论,n 1956年庞特里雅金(L.S.Pontryagin)的极大值原理1960年卡尔曼(R.E.Kalman)的多变量最优限制和最优滤波理论。n 频域分析法在二战后持续占着主导地位,特殊是拉普拉斯变换和傅里叶变换的发展。n 4/15/202340 在20世纪50年头,限制工程的发展的重点是复平面和根轨迹的发展。进而在20世纪80年头,数字计算机在限制系统中的运用变得普遍起来,这些新限制部件的运用使得限制精确、快速。状态空间方法属于时域方法,其核心是最优化技术。它以状态空间描述(实质上是一阶微分或差分方程组)作为数学模型,利用计算机作为系统建模分析、设计乃至限制的手段,适应于多变量、非线
18、性、时变系统。4/15/202341(三)大系统限制理论阶段20世纪70年头起先,出现了一些新的限制方法和理论。(1)现代频域方法,该方法以传递函数矩阵为数学模型,探讨线性定常多变量系统;(2)自适应限制理论和方法,该方法以系统辨识和参数估计为基础,处理被控对象不确定和缓时变,在实时辨识基础上在线确定最优限制规律;(3)鲁棒限制方法,该方法在保证系统稳定性和其它性能基础上,设计不变的鲁棒限制器,以处理数学模型的不确定性;4/15/202342(4)预料限制方法,该方法为一种计算机限制算法,在预料模型的基础上接受滚动优化和反馈校正,可以处理多变量系统。随着限制理论应用范围的扩大,人们起先了对大系
19、统理论的探讨。大系统理论是过程限制与信息处理相结合的综合自动化理论基础,是动态的系统工程理论,具有规模浩大、结构困难、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。4/15/202343(四)智能限制阶段智能限制的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧,解决那些目前须要人的智能才能解决的困难的限制问题。被控对象的困难性体现为:模型的不确定性,高度非线性,分布式的传感器和执行器,动态突变,多时间标度,困难的信息模式,浩大的数据量,以及严格的特性指标等。环境的困难性则表现为变更的不确定性和难以辨识。试图用传统的限制理论和方法去解决困难的对象,困难的环境和困难的任务是不行能的。智能限制的方法包括模糊限制,神经元网络限制,专家限制等方法。4/15/202344n小结小结n限制系统的基本概念限制系统的基本概念n限制系统的分类限制系统的分类n对对自自动动限限制制系系统统的的性性能能要要求求,即即稳稳定定性性、快速性和精确性。快速性和精确性。n限制理论在工程中的应用限制理论在工程中的应用n自自动动限限制制理理论论发发展展的的四四个个阶阶段段,即即经经典典限限制制理理论论,现现代代限限制制理理论论,大大系系统统理理论论和智能限制理论阶段。和智能限制理论阶段。4/15/202345
限制150内