控制工程基础-绪论优秀PPT.ppt

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1、2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论1限制工程基础限制工程基础第一讲第一讲 绪绪 论论清华高校机械工程系清华高校机械工程系清华高校机械工程系清华高校机械工程系 朱志明朱志明朱志明朱志明 教授教授教授教授2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论2主要内容主要内容n引言引言n限制系统的工作原理和组成限制系统的工作原理和组成n自动限制系统的基本类型自动限制系统的基本类型n对自动限制系统的基本要求对自动限制系统的基本要求n自动限制理论的发展简史自动限制理论的发展简史n小结小结n教学大纲教学大纲2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论3引言引言-日常生活中的自动限制问题日常生活中的自动限

2、制问题n电冰箱恒温限制：冰箱内储物量的增加和削减、冰箱门开启和关闭的电冰箱恒温限制：冰箱内储物量的增加和削减、冰箱门开启和关闭的次数不同、外界环境温度的变更等，都会影响冰箱内的温度，若希望次数不同、外界环境温度的变更等，都会影响冰箱内的温度，若希望维持冰箱内温度恒定不变，则须要有某种限制装置（系统）对冰箱内维持冰箱内温度恒定不变，则须要有某种限制装置（系统）对冰箱内的温度进行检测和限制。温度检测的温度进行检测和限制。温度检测功率限制恒值限制。功率限制恒值限制。n空调的温度限制：温度检测空调的温度限制：温度检测功率限制恒值限制。功率限制恒值限制。n温度限制的两种基本方法：温度限制的两种基本方法：

3、n开关限制：恒功率、间歇限制（缺点：噪音、耗能）开关限制：恒功率、间歇限制（缺点：噪音、耗能）n变频限制：变功率、连续限制（优点：降噪、节能）变频限制：变功率、连续限制（优点：降噪、节能）n洗衣机的时间限制：定时限制程序限制洗衣机的时间限制：定时限制程序限制2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论4引言工业生产中的自动限制问题引言工业生产中的自动限制问题n加热炉的温度自动限制恒值限制。加热炉的温度自动限制恒值限制。n化工生产中反应塔的温度和压力能够自动维持恒定不变。化工生产中反应塔的温度和压力能够自动维持恒定不变。n程序限制机床能够按预先排定的工艺程序自动地进行切削，加工程序限制机床能够按

4、预先排定的工艺程序自动地进行切削，加工出预期的几何形态。出预期的几何形态。n在钢铁工业中，初轧机的轧辊来回转动，将钢锭碾轧至规定尺寸。在钢铁工业中，初轧机的轧辊来回转动，将钢锭碾轧至规定尺寸。为了保证轧制质量，要求实现低速咬钢、带钢升速、高速轧制等，为了保证轧制质量，要求实现低速咬钢、带钢升速、高速轧制等，这就要求拖动轧机的电动机的转速和转向依据确定的规律变更；这就要求拖动轧机的电动机的转速和转向依据确定的规律变更；然而，由于钢锭尺寸的不同，加热温度不同，以及由于钢锭进入然而，由于钢锭尺寸的不同，加热温度不同，以及由于钢锭进入轧辊时对轧辊的冲击等，都会导致电机的负荷和转速发生巨大波轧辊时对轧辊

5、的冲击等，都会导致电机的负荷和转速发生巨大波动，从而须要有限制装置对电机的转速和转向进行限制。动，从而须要有限制装置对电机的转速和转向进行限制。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论5引言国防工业中的自动限制问题引言国防工业中的自动限制问题n火炮自动瞄准系统跟踪雷达和指挥仪所组成的防空系统能使火炮自动瞄准系统跟踪雷达和指挥仪所组成的防空系统能使火炮自动地瞄准目标随动限制。火炮自动地瞄准目标随动限制。n宇宙飞船在茫茫太空中要按预定的轨道飞行，并保持确定的姿宇宙飞船在茫茫太空中要按预定的轨道飞行，并保持确定的姿态，但太空中有千变万化的因素对它产生影响，须要有高性能态，但太空中有千变万化的因素

6、对它产生影响，须要有高性能的限制装置对它进行限制。的限制装置对它进行限制。n人造地球卫星能够放射到预定轨道并能精确回收。人造地球卫星能够放射到预定轨道并能精确回收。n无人驾驶飞机能按预定航行线路自动飞行。无人驾驶飞机能按预定航行线路自动飞行。n导弹的目标找寻和制导。导弹的目标找寻和制导。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论6引言为什么要探讨自动限制理论引言为什么要探讨自动限制理论n不同的生产机械、生产过程虽然要实现的任务各不相同，但都有一不同的生产机械、生产过程虽然要实现的任务各不相同，但都有一个共同点，即要求其中的某些物理量（如温度、速度、位置等）依个共同点，即要求其中的某些物理量（

7、如温度、速度、位置等）依据特定的规律变更。（被限制量、输出量）据特定的规律变更。（被限制量、输出量）n现实世界中存在各种阻碍上述要求实现的因素（扰动）；凡是由外现实世界中存在各种阻碍上述要求实现的因素（扰动）；凡是由外部作用引起的扰动称为外扰（如外界温度、负载波动、风向和风力部作用引起的扰动称为外扰（如外界温度、负载波动、风向和风力的变更）；由于内部元器件特性变更引起的扰动称为内扰。的变更）；由于内部元器件特性变更引起的扰动称为内扰。n为解决上述冲突，就要接受限制装置，对生产机械或生产过程的这为解决上述冲突，就要接受限制装置，对生产机械或生产过程的这些物理量进行限制。被限制的生产机械或生产过程

8、称为被控对象。些物理量进行限制。被限制的生产机械或生产过程称为被控对象。n探讨自动限制系统（装置）的基本理论称为自动限制理论。探讨自动限制系统（装置）的基本理论称为自动限制理论。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论7引言自动限制技术的应用引言自动限制技术的应用n自动限制是指在没有人干脆参与的状况下，利用限制系统（装置），自动限制是指在没有人干脆参与的状况下，利用限制系统（装置），使生产机械或生产过程（被限制对象）的某些物理量自动地依据预使生产机械或生产过程（被限制对象）的某些物理量自动地依据预定的（恒定或变动的）规律运行。定的（恒定或变动的）规律运行。n在人类折服自然、改造自然的过程中

9、，自动限制技术起着极其重要在人类折服自然、改造自然的过程中，自动限制技术起着极其重要的作用。自动限制技术在工业、农业、国防、交通运输、企业管理、的作用。自动限制技术在工业、农业、国防、交通运输、企业管理、科学探讨等各个领域的应用愈来愈广泛。科学探讨等各个领域的应用愈来愈广泛。n自动限制技术的广泛应用，极大地提高了劳动生产率，提高了产品自动限制技术的广泛应用，极大地提高了劳动生产率，提高了产品质量，改善了人们的生活水平和劳动条件。质量，改善了人们的生活水平和劳动条件。n随着生产和科学技术的发展，特殊是计算机技术的快速发展和应用，随着生产和科学技术的发展，特殊是计算机技术的快速发展和应用，自动限制

10、技术更显示了越来越重要的作用和广袤的应用前景。自动限制技术更显示了越来越重要的作用和广袤的应用前景。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论8主要内容主要内容n引言引言n限制系统的工作原理和组成限制系统的工作原理和组成n自动限制系统的基本类型自动限制系统的基本类型n对自动限制系统的基本要求对自动限制系统的基本要求n自动限制理论的发展简史自动限制理论的发展简史n小结小结n教学大纲教学大纲2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论9限制系统的工作原理和组成限制系统的工作原理和组成n n人工限制系统和自动限制系统人工限制系统和自动限制系统n n人工限制系统人工限制系统 自动限制系统自动限制系统

11、n n开环限制和闭环限制开环限制和闭环限制n n开环限制系统开环限制系统 闭环限制系统闭环限制系统 n n反馈限制系统的基本组成反馈限制系统的基本组成n n基本组成基本组成 名词术语名词术语n n闭环限制系统与开环限制系统比较闭环限制系统与开环限制系统比较2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论10人工限制系统人工限制系统恒温炉炉温人工限制系统原理图恒温炉炉温人工限制系统原理图 220V温温度度计计眼手脑加热电阻丝恒温炉调压器2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论11（输入）(输出)期望炉温手调压器恒温炉温度计眼反馈扰动实际炉温偏差脑人工限制系统人工限制系统恒温炉炉温人工限制系统职能

12、方块图恒温炉炉温人工限制系统职能方块图2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论12自动限制系统自动限制系统2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论13限制系统的工作原理和组成限制系统的工作原理和组成n人工限制系统和自动限制系统n人工限制系统 自动限制系统n开环限制和闭环限制n开环限制系统 闭环限制系统 n反馈限制系统的基本组成n基本组成 名词术语n闭环限制系统与开环限制系统比较2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论14开环限制系统开环限制系统n系统的限制器与被控对象之间只有顺（前）向作用，没有反（逆）向作用，系统的输出量对限制作用没有影响。直流电机速度开环限制系统直流电机速度开环

13、限制系统直流电机速度开环限制系统直流电机速度开环限制系统在开环限制系统中，只有从输入端到输出端的信号作用路径，而没在开环限制系统中，只有从输入端到输出端的信号作用路径，而没有从输出端到输入端的作用路径。有从输出端到输入端的作用路径。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论15开环限制系统方块图开环限制系统方块图n结构比较简洁，调整比较便利。n当因扰动作用（如电源输入变更、晶闸管整流装置特性的变更或负载转矩变更等）引起电机转速偏离原来校准的数值时，系统没有对偏差修正的实力。n开环限制系统的精度取决于系统校准的精度和系统中元器件特性的稳定程度，从而对其所接受的元器件的精度和稳定性提出了较高的要

14、求。开环限制系统的特点开环限制系统的特点2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论16闭环限制系统举例闭环限制系统举例直流电机速度闭环直流电机速度闭环直流电机速度闭环直流电机速度闭环限制系统限制系统限制系统限制系统导弹放射和制导系统导弹放射和制导系统导弹放射和制导系统导弹放射和制导系统2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论17闭环限制系统方块图闭环限制系统方块图在闭环限制系统中，不仅有从输入端到输出端的作用路径（前向通在闭环限制系统中，不仅有从输入端到输出端的作用路径（前向通道），还有从输出端到输入端的信号作用路径（反馈通道）。由于道），还有从输出端到输入端的信号作用路径（反馈通道）。

15、由于引入了反馈，系统的方块图形成了闭环，构成了闭环限制系统。引入了反馈，系统的方块图形成了闭环，构成了闭环限制系统。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论18闭环限制系统的特点闭环限制系统的特点n闭环限制系统的优点：接受反馈限制提高了系统的精度。闭环限制系统的优点：接受反馈限制提高了系统的精度。n负反馈：使偏差减小或消退的反馈作用。反馈限制是自动限制的基本负反馈：使偏差减小或消退的反馈作用。反馈限制是自动限制的基本原理，负反馈限制系统的原理是依据所检测的偏差进行限制，从而抑原理，负反馈限制系统的原理是依据所检测的偏差进行限制，从而抑制或消退偏差，即检测偏差，抑制或消退偏差。制或消退偏差，

16、即检测偏差，抑制或消退偏差。n由扰动引起的偏差，只要扰动作用点被反馈路径包围，都能被反馈作由扰动引起的偏差，只要扰动作用点被反馈路径包围，都能被反馈作用抑制或消退。因此，系统对这部分元器件内部参数的变更不敏感，用抑制或消退。因此，系统对这部分元器件内部参数的变更不敏感，可以用精度不高而成本低的元器件组成。可以用精度不高而成本低的元器件组成。n对作用点不被反馈路径包围的扰动所引起的偏差，反馈作用无能为力，对作用点不被反馈路径包围的扰动所引起的偏差，反馈作用无能为力，如给定元件、反馈元件的精度。如给定元件、反馈元件的精度。n当闭环限制系统结构或参数协作不当时，可能引起过调，造成系统振当闭环限制系统

17、结构或参数协作不当时，可能引起过调，造成系统振荡，甚至不能正常工作。对闭环系统来说，稳定性是一个重要问题。荡，甚至不能正常工作。对闭环系统来说，稳定性是一个重要问题。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论19限制系统的工作原理和组成限制系统的工作原理和组成n人工限制系统和自动限制系统n人工限制系统 自动限制系统n开环限制和闭环限制n开环限制系统 闭环限制系统 n反馈限制系统的基本组成n基本组成 名词术语n闭环限制系统与开环限制系统比较2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论20反馈限制系统的基本组成反馈限制系统的基本组成n给定环节：依据系统输出量的期望值，产生系统的给定输入信号的环节

18、。给定环节：依据系统输出量的期望值，产生系统的给定输入信号的环节。n反馈环节：对系统输出量的实际值进行测量，将它转换成反馈信号，并使反反馈环节：对系统输出量的实际值进行测量，将它转换成反馈信号，并使反馈信号成为与给定信号同类型、同数量级的物理量。馈信号成为与给定信号同类型、同数量级的物理量。n比较器：将给定信号与反馈信号进行比较，产生偏差信号的环节。比较器：将给定信号与反馈信号进行比较，产生偏差信号的环节。n限制器：依据偏差信号，按确定的限制规律，产生相应的限制信号的环节。限制器：依据偏差信号，按确定的限制规律，产生相应的限制信号的环节。n执行环节：将限制信号进行功率放大，干脆推动被控对象，使

19、被限制量发生执行环节：将限制信号进行功率放大，干脆推动被控对象，使被限制量发生变更的环节。变更的环节。n被控对象：限制系统所要限制的设备或生产过程，它的输出量为被限制量。被控对象：限制系统所要限制的设备或生产过程，它的输出量为被限制量。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论21名词术语（名词术语（1 1）n输入信号输入信号r(t)r(t)：又称输入量、限制量、给定量。它是限制输出量变更：又称输入量、限制量、给定量。它是限制输出量变更规律的信号。往往把输入到限制系统中的信号（包括扰动信号）广义规律的信号。往往把输入到限制系统中的信号（包括扰动信号）广义地叫做输入量。地叫做输入量。n输出信号

20、输出信号c(t)c(t)：又称输出量、被限制量、被调整量。它的变更规律是：又称输出量、被限制量、被调整量。它的变更规律是要加以限制的，应保持与输入信号之间有确定的函数关系。要加以限制的，应保持与输入信号之间有确定的函数关系。n反馈信号反馈信号b(t)b(t)：或称反馈量。从系统（或元件）输出端取出信号，经：或称反馈量。从系统（或元件）输出端取出信号，经过变换后加到系统（或元件）输入端。过变换后加到系统（或元件）输入端。n扰动信号扰动信号f(t)f(t)：又称扰动和干扰。除限制信号以外，对系统输出量产：又称扰动和干扰。除限制信号以外，对系统输出量产生影响的因素都叫扰动。假如扰动产生在系统内部，则

21、称为内扰；产生影响的因素都叫扰动。假如扰动产生在系统内部，则称为内扰；产生在系统外部，则称为外扰，外扰动也是系统的一种输入量。生在系统外部，则称为外扰，外扰动也是系统的一种输入量。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论22名词术语（名词术语（2 2）n正反馈：反馈信号与输入信号符号相同，能加强输入信号的作用。正反馈：反馈信号与输入信号符号相同，能加强输入信号的作用。n负反馈：反馈信号与输入信号符号相反，抵消输入信号作用。负反馈：反馈信号与输入信号符号相反，抵消输入信号作用。n主反馈：干脆取自系统最终输出端的反馈。主反馈确定是负反馈，否则偏主反馈：干脆取自系统最终输出端的反馈。主反馈确定是

22、负反馈，否则偏差越来越大，直至系统失去限制。差越来越大，直至系统失去限制。n局部反馈：除主反馈外，有的系统还有局部反馈，主要是为系统进行校正、局部反馈：除主反馈外，有的系统还有局部反馈，主要是为系统进行校正、补偿或线性化而加入的。补偿或线性化而加入的。n偏差信号偏差信号(t)(t)：或称偏差。限制信号与主反馈信号之差。：或称偏差。限制信号与主反馈信号之差。n误差信号误差信号e(t)e(t)：或称误差。系统输出量的实际值与希望值之差。：或称误差。系统输出量的实际值与希望值之差。n留意误差与偏差不是同一概念，只有在全反馈系统中，误差才等于偏差。留意误差与偏差不是同一概念，只有在全反馈系统中，误差才

23、等于偏差。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论23限制系统的工作原理和组成限制系统的工作原理和组成n人工限制系统和自动限制系统n人工限制系统 自动限制系统n开环限制和闭环限制n开环限制系统 闭环限制系统 n反馈限制系统的基本组成n基本组成 名词术语n闭环限制系统与开环限制系统比较2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论24开环和闭环限制系统比较开环和闭环限制系统比较n闭环限制系统的优点是接受了反馈，因此对外扰动和系统内部参数的变更引起的偏差闭环限制系统的优点是接受了反馈，因此对外扰动和系统内部参数的变更引起的偏差能够自动地订正。这样就可以接受精度不太高而成本比较低的元件组成一个精确

24、的限能够自动地订正。这样就可以接受精度不太高而成本比较低的元件组成一个精确的限制系统。制系统。n开环限制系统则相反，因为没有反馈，故没有订正偏差的实力，外扰动和系统内部参开环限制系统则相反，因为没有反馈，故没有订正偏差的实力，外扰动和系统内部参数的变更将引起系统的精度降低。数的变更将引起系统的精度降低。n从稳定性的角度看，开环系统简洁解决。而闭环系统的稳定性始终是一个关键问题。从稳定性的角度看，开环系统简洁解决。而闭环系统的稳定性始终是一个关键问题。假如参数选择不当，就会造成系统振荡，甚至使得系统不稳定，完全失去限制。假如参数选择不当，就会造成系统振荡，甚至使得系统不稳定，完全失去限制。n开环

25、系统简洁建立，结构简洁，成本低，工作稳定。一般来说，当系统限制量的变更开环系统简洁建立，结构简洁，成本低，工作稳定。一般来说，当系统限制量的变更规律能预先知道，并且不存在外部扰动（或有方法抑制）时，接受开环限制较好。特规律能预先知道，并且不存在外部扰动（或有方法抑制）时，接受开环限制较好。特殊是被限制量很难进行测量时更是如此。殊是被限制量很难进行测量时更是如此。n假如系统的限制量和干扰量均无法事先预知时，或系统中元件参数不稳定时，接受闭假如系统的限制量和干扰量均无法事先预知时，或系统中元件参数不稳定时，接受闭环限制的优点就显得特殊突出。环限制的优点就显得特殊突出。n若要求实现困难而精确度较高的

26、限制任务，则可将开环限制与闭环限制结合起来一起若要求实现困难而精确度较高的限制任务，则可将开环限制与闭环限制结合起来一起作用，组成一个比较经济而又性能较好的复合限制系统。作用，组成一个比较经济而又性能较好的复合限制系统。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论25主要内容主要内容n引言引言n限制系统的工作原理和组成限制系统的工作原理和组成n自动限制系统的基本类型自动限制系统的基本类型n对自动限制系统的基本要求对自动限制系统的基本要求n自动限制理论的发展简史自动限制理论的发展简史n小结小结n教学大纲教学大纲2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论26自动限制系统的基本类型自动限制系统的基

27、本类型n按给定变更规律分类n恒值限制系统（恒值调整系统）n随动系统n程序限制系统n线性系统和非线性系统n连续系统和离散系统2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论27恒值限制系统（恒值调整系统）恒值限制系统（恒值调整系统）n在这种系统中，系统的给定输在这种系统中，系统的给定输入量是恒值，在扰动存在的状入量是恒值，在扰动存在的状况下，要求输出量保持恒定。况下，要求输出量保持恒定。其分析设计的重点是要求系统其分析设计的重点是要求系统具有良好的抗干扰性能。具有良好的抗干扰性能。直流电动机速度闭直流电动机速度闭环限制系统环限制系统电炉温度限制系统电炉温度限制系统2022/11/1限制工程基础：第一

28、讲 绪论28随动系统随动系统n在反馈限制系统中，若给定输入信号是预在反馈限制系统中，若给定输入信号是预先未知的随时间变更的函数，这种系统称先未知的随时间变更的函数，这种系统称为随动系统。为随动系统。n实例：国防工业的火炮跟踪系统、雷达导实例：国防工业的火炮跟踪系统、雷达导引系统、机械加工设备的伺服机构、天文引系统、机械加工设备的伺服机构、天文望远镜的跟踪系统。望远镜的跟踪系统。n在导弹放射和制导系统中，给定信号是目在导弹放射和制导系统中，给定信号是目标机的方位和速度，这些信号是随时间变标机的方位和速度，这些信号是随时间变更的未知函数。更的未知函数。n位置限制系统：限制目的是使输出轴的转位置限制

29、系统：限制目的是使输出轴的转角快速精确地跟随输入轴的转角变更。角快速精确地跟随输入轴的转角变更。n对随动系统来说，输入信号是随机的，要对随动系统来说，输入信号是随机的，要求输出能快速而精确地复现输入信号的变求输出能快速而精确地复现输入信号的变更，其分析和设计的重点是探讨系统的跟更，其分析和设计的重点是探讨系统的跟随性能。随性能。位置限制系统2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论29程序限制系统程序限制系统n程序限制系统：限制系统的输入信号是已知的时间函数。程序限制系程序限制系统：限制系统的输入信号是已知的时间函数。程序限制系统和随动系统相像，只是输入信号的变更规律是预先确定的。统和随动系

30、统相像，只是输入信号的变更规律是预先确定的。n程序限制系统可以是开环系统，也可以是闭环系统。程序限制系统可以是开环系统，也可以是闭环系统。n应用实例：仿形铣床、数控机床、机械手限制系统。应用实例：仿形铣床、数控机床、机械手限制系统。n数控机床限制系统数控机床限制系统2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论30线性系统及其重要特性线性系统及其重要特性n线性系统：线性系统：n组成系统的各个环节的输入输出特性都是线性的；组成系统的各个环节的输入输出特性都是线性的；n系统的数学模型可以用线性微分方程描述；系统的数学模型可以用线性微分方程描述；n在线性微分方程中，只含输入量或输出量各阶导数的一次项。

31、在线性微分方程中，只含输入量或输出量各阶导数的一次项。n线性定常系统：线性系统元件的参数是集中的且不随时间变更。线性定常系统：线性系统元件的参数是集中的且不随时间变更。n线性时变系统：系统元件的参数是随时间变更的，即系统微分方程线性时变系统：系统元件的参数是随时间变更的，即系统微分方程的系数是时间的函数。例如：宇宙飞船随着燃料的消耗其质量不断的系数是时间的函数。例如：宇宙飞船随着燃料的消耗其质量不断变更；带钢卷筒由于卷径变更其转动惯量不是恒定的。变更；带钢卷筒由于卷径变更其转动惯量不是恒定的。n线性系统的两个重要特性：比例性和叠加性。线性系统的两个重要特性：比例性和叠加性。n比例性：当系统的输

32、入量增大比例性：当系统的输入量增大K倍时，系统的输出量也相应增大倍时，系统的输出量也相应增大K倍。倍。n叠加性：当多个输入量作用于系统时，系统总响应等于各个输入量叠加性：当多个输入量作用于系统时，系统总响应等于各个输入量分别作用于系统的响应之和。分别作用于系统的响应之和。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论31非线性系统非线性系统n非线性系统非线性系统：系统中有一个以上的元件的特性是非线性的系统。非线系统中有一个以上的元件的特性是非线性的系统。非线性系统的数学模型要用非线性微分方程描述。性系统的数学模型要用非线性微分方程描述。n非线性微分方程非线性微分方程：某些项的系数与变量有关，即方

33、程中含有变量及其某些项的系数与变量有关，即方程中含有变量及其导数的高次项或乘积项。导数的高次项或乘积项。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论32连续系统和离散系统连续系统和离散系统n连续系统：系统的各个环节的输入信号和输出信号都是时间连续系统：系统的各个环节的输入信号和输出信号都是时间的连续函数。的连续函数。n离散系统：系统中有一处或数处的信号是以脉冲序列或数字离散系统：系统中有一处或数处的信号是以脉冲序列或数字编码形式出现的。离散系统包括采样限制系统和数字限制系编码形式出现的。离散系统包括采样限制系统和数字限制系统。统。n采样限制系统：系统中的连续信号被采样成脉冲序列。采样限制系统：

34、系统中的连续信号被采样成脉冲序列。n数字限制系统：系统中的连续信号被采样后量化成数字信号。数字限制系统：系统中的连续信号被采样后量化成数字信号。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论33主要内容主要内容n引言n限制系统的工作原理和组成n自动限制系统的基本类型n对自动限制系统的基本要求n自动限制理论的发展简史n小结n教学大纲2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论34对自动限制系统的基本要求对自动限制系统的基本要求n对自动限制系统的基本要求n稳定性n稳态精度n动态品质n鲁棒性（稳健性）n自动限制理论主要探讨的问题n分析n综合2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论35稳定性与稳态精

35、度稳定性与稳态精度n稳定性是指系统处于平衡状态下，受到扰动作用偏离平衡状态后，稳定性是指系统处于平衡状态下，受到扰动作用偏离平衡状态后，系统复原原有平衡状态的实力。系统复原原有平衡状态的实力。n稳定是系统正常工作的前提。为了使系统在环境或参数变更时还能稳定是系统正常工作的前提。为了使系统在环境或参数变更时还能保持稳定，在设计时还要留有确定的稳定裕量。保持稳定，在设计时还要留有确定的稳定裕量。n稳态是指稳定的系统在过渡过程（暂态）结束后所处的状态。稳态是指稳定的系统在过渡过程（暂态）结束后所处的状态。n稳态精度常以稳态误差来衡量。稳态误差是指稳态时系统期望输出稳态精度常以稳态误差来衡量。稳态误差

36、是指稳态时系统期望输出量和实际输出量之差。量和实际输出量之差。n系统设计时希望稳态误差要小。系统设计时希望稳态误差要小。n在恒值调速系统中，希望因负载扰动引起的稳态误差的变动要尽量在恒值调速系统中，希望因负载扰动引起的稳态误差的变动要尽量小；小；n在随动系统中，希望输出信号与输入信号尽量一样。在随动系统中，希望输出信号与输入信号尽量一样。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论36动态品质与鲁棒性动态品质与鲁棒性n动态品质通常用动态响应指标来衡量。动态响应指标是系统在单位阶跃输入及动态品质通常用动态响应指标来衡量。动态响应指标是系统在单位阶跃输入及零初始条件下的一些指标，如调整时间、超调量

37、、振荡次数等，它们反映系统零初始条件下的一些指标，如调整时间、超调量、振荡次数等，它们反映系统过渡过程性能的优劣。调整时间反映系统动态过程的快速性；超调量和振荡次过渡过程性能的优劣。调整时间反映系统动态过程的快速性；超调量和振荡次数反映系统过渡过程的平稳性。数反映系统过渡过程的平稳性。n调整时间即过渡过程时间。调整时间即过渡过程时间。n超调量即动态响应最大值超出稳态值的部分相对于稳态值的百分数。超调量即动态响应最大值超出稳态值的部分相对于稳态值的百分数。n振荡次数即过渡过程中系统振荡的次数。振荡次数即过渡过程中系统振荡的次数。n鲁棒性是指系统特性抵挡各种摄动因素影响的实力。如对抗系统结构不确定

38、性、鲁棒性是指系统特性抵挡各种摄动因素影响的实力。如对抗系统结构不确定性、参数不确定性以及外界干扰的实力。参数不确定性以及外界干扰的实力。n引起系统结构变异或参数摄动的缘由是多方面的，如由于对象的建模误差、制引起系统结构变异或参数摄动的缘由是多方面的，如由于对象的建模误差、制造公差、元器件老化、零部件磨损和系统运行环境的变更等。造公差、元器件老化、零部件磨损和系统运行环境的变更等。n系统性能受参数摄动影响的属性称为系统的灵敏度。假如一个限制系统的灵敏系统性能受参数摄动影响的属性称为系统的灵敏度。假如一个限制系统的灵敏度低，抗干扰性好，则称该系统的鲁棒性好。度低，抗干扰性好，则称该系统的鲁棒性好

39、。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论37 n n综合性能指标综合性能指标综合性能指标综合性能指标n n在多变量限制系统中，在多变量限制系统中，在多变量限制系统中，在多变量限制系统中，为实现最优限制，往往为实现最优限制，往往为实现最优限制，往往为实现最优限制，往往接受综合性的性能指标。接受综合性的性能指标。接受综合性的性能指标。接受综合性的性能指标。n n依据不同系统的任务，依据不同系统的任务，依据不同系统的任务，依据不同系统的任务，选取的性能指标形式也选取的性能指标形式也选取的性能指标形式也选取的性能指标形式也不同。不同。不同。不同。n n例如：在宇航技术中，例如：在宇航技术中，例如

40、：在宇航技术中，例如：在宇航技术中，不仅要求快速而精确地不仅要求快速而精确地不仅要求快速而精确地不仅要求快速而精确地将运载火箭送入新轨道，将运载火箭送入新轨道，将运载火箭送入新轨道，将运载火箭送入新轨道，并且燃料消耗要最少，并且燃料消耗要最少，并且燃料消耗要最少，并且燃料消耗要最少，在性能指标中就应包含在性能指标中就应包含在性能指标中就应包含在性能指标中就应包含对输出误差和对限制能对输出误差和对限制能对输出误差和对限制能对输出误差和对限制能量的要求。量的要求。量的要求。量的要求。n n自动限制理论主要探自动限制理论主要探自动限制理论主要探自动限制理论主要探讨的问题讨的问题讨的问题讨的问题n n

41、分析：在系统的结构分析：在系统的结构分析：在系统的结构分析：在系统的结构和参数已经确定的条和参数已经确定的条和参数已经确定的条和参数已经确定的条件下，对系统的性能件下，对系统的性能件下，对系统的性能件下，对系统的性能进行分析，并提出改进行分析，并提出改进行分析，并提出改进行分析，并提出改善性能的途径。善性能的途径。善性能的途径。善性能的途径。n n综合：依据系统要实综合：依据系统要实综合：依据系统要实综合：依据系统要实现的任务，给出稳态现的任务，给出稳态现的任务，给出稳态现的任务，给出稳态和动态性能指标，要和动态性能指标，要和动态性能指标，要和动态性能指标，要求组成一个系统，并求组成一个系统，

42、并求组成一个系统，并求组成一个系统，并确定适当的参数，使确定适当的参数，使确定适当的参数，使确定适当的参数，使系统满足给定的性能系统满足给定的性能系统满足给定的性能系统满足给定的性能指标。指标。指标。指标。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论38主要内容主要内容n引言引言n限制系统的工作原理和组成限制系统的工作原理和组成n自动限制系统的基本类型自动限制系统的基本类型n对自动限制系统的基本要求对自动限制系统的基本要求n自动限制理论的发展简史自动限制理论的发展简史n小结小结n教学大纲教学大纲2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论39自动限制理论的发展简史（自动限制理论的发展简史（1

43、1）n人类对反馈这一基本原理早有相识，并利用它创建了很多装置，如孵卵器、水利及风力磨坊的速度调整器等。n1788年，James Watt独创的蒸汽机离心调速器是最早的自动限制系统。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论40自动限制理论的发展简史（自动限制理论的发展简史（2 2）n随后，G.B.Airy发觉并首先探讨了限制系统的不稳定问题。n1868年，麦克斯韦尔（James Clerk Maxwell）发表了论调整器一文，系统探讨了反馈限制系统的稳定性问题。n1877年劳斯（E.J.Routh）及1895年胡尔维茨（A.Hurwitz)分别独立地提出了稳定性判据。n18771880年，俄

44、国科学家独创了火炮随动系统和飞行器驾驶系统。n1892年，李雅普诺夫（A.M.Lyapunov）发表了论运动稳定性的一般问题，全面论述了稳定性问题，并为状态变量法限制理论打下了基础。n1934年，海森（H.L.Hazen)发表了侍服机构理论的重要论文，第一次提出了自动限制系统的精确理论。n主要探讨和解决系统的稳定性和精度问题。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论41自动限制理论的发展简史（自动限制理论的发展简史（3 3）n随着武器的进化，要求限制系统能精确跟踪变更的目标，从而对自动限制系统的瞬态性能提出了要求。而设计具有高动态品质和稳态精度的限制系统所需的理论已在通讯工程领域中得到发展

45、。n为解决远距离通讯的失真问题，1927年布莱克（H.S.Black）独创了负反馈放大器，并发觉了反馈系统的重要特性。n1932年，乃奎斯特（H.Nyquist）提出了乃奎斯特稳定判据，为频率法奠定了基础。n伯德（H.W.Bode）完善了分析限制系统的图解法即频率法。n1947年，美国麻省理工学院辐射试验室的詹姆斯（James）、尼柯尔斯（Nichols）和菲利普斯（Philips）将反馈放大器理论、过程的PID限制和随机过程理论结合起来，形成一套侍服机构设计方法。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论42自动限制理论的发展简史（自动限制理论的发展简史（4 4）n1948年，伊万斯（W.

46、R.Evans）又提出了根轨迹法。至此，限制理论的第一发展阶段基本完成。n以频率法和根轨迹法为核心的限制理论称为经典限制理论。它特殊适用于单输入单输出（SISO）系统（仅有一个输入量和一个输出量的系统），至今仍被广泛而成功地应用于限制领域中。n20世纪60年头，由于宇航、军工及过程限制方面的发展，出现了很多的多输入多输出（MIMO）系统，它们具有变量多、变量相互间有耦合的特点，还具有非线性、时变特性，并且往往要求系统能在确定的限制约束条件下达到性能指标最优。n对多输入多输出系统，经典限制理论显得无能为力。然而现代数学和计算技术的发展为限制理论的进一步发展准备了数学基础和计算工具，从而促进了现代

47、限制理论的形成和发展。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论43自动限制理论的发展简史（自动限制理论的发展简史（5 5）n现代限制理论的基本内容有：美国贝尔曼（Bellman）等人提出的状态空间法；前苏联庞特里亚金（Pontryagin）的极大值原理；贝尔曼的动态规划法；卡尔曼（Kallman）的最佳滤波器理论及能控能观性理论。n现代限制理论以状态空间模型为基础、以状态空间法为主要方法来分析和设计系统，其目的是找寻最优限制规律，使系统的性能指标达到最优化。n20世纪70年头以来，限制理论又向大系统理论和智能限制理论发展（亦称第三代限制理论）。n现代限制理论不能代替经典限制理论。当分析和设

48、计简洁系统时，常用经典限制理论；当分析和设计多输入多输出系统和困难系统时，常用现代限制理论。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论44主要内容主要内容n引言引言n限制系统的工作原理和组成限制系统的工作原理和组成n自动限制系统的基本类型自动限制系统的基本类型n对自动限制系统的基本要求对自动限制系统的基本要求n自动限制理论的发展简史自动限制理论的发展简史n小结小结n教学大纲教学大纲2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论45小结小结n介绍了自动限制的基本概念，重点是反馈限制原理。介绍了自动限制的基本概念，重点是反馈限制原理。n负反馈限制的原理是检测偏差，抑制或消退偏差。负反馈限制的原理是

49、检测偏差，抑制或消退偏差。n通过分析闭环限制系统的工作原理和方块图，介绍了限制通过分析闭环限制系统的工作原理和方块图，介绍了限制系统的分析方法，并指出了各组成环节的作用。系统的分析方法，并指出了各组成环节的作用。n介绍了自动限制理论的一些常用术语。介绍了自动限制理论的一些常用术语。n对自动限制系统的要求及分类方法进行了简洁介绍。对自动限制系统的要求及分类方法进行了简洁介绍。2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论46主要内容主要内容n引言引言n限制系统的工作原理和组成限制系统的工作原理和组成n自动限制系统的基本类型自动限制系统的基本类型n对自动限制系统的基本要求对自动限制系统的基本要求n自

50、动限制理论的发展简史自动限制理论的发展简史n小结小结n教学大纲教学大纲2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论47教学大纲教学大纲n绪论绪论n限制系统的数学模型（限制系统的数学模型（1 1）（）（2 2）（）（3 3）n限制系统的时域分析（限制系统的时域分析（1 1）（）（2 2）n限制系统的频率法分析（限制系统的频率法分析（1 1）（）（2 2）（）（3 3）（）（4 4）n限制系统的校正与综合限制系统的校正与综合2022/11/1限制工程基础：第一讲 绪论48教学支配（教学支配（1 1）n n第一讲第一讲第一讲第一讲 绪论绪论绪论绪论n n引言引言引言引言n n限制系统的工作原理和组成