課程成果確定方法：本課程將留意過程，接受過程評價體系。成果主要由平常成果、上機試驗、考試成果三部分組成。每項說明如下：1.平常成果：到課率、遲到早退狀況、作業狀況、回答問題狀況、上課狀況等2.試驗：試驗準備狀況及平常做試驗的完成狀況3.考試：閉卷，卷面考試成果最終成果的給定大約按如下公式得到：平常成果+試驗+考試成果三者比重大約分別為：15%、15%、70%上課將會有提問、點名，課堂練習；課后將會有作業，記入平常成果主要教學內容基礎學問分析方法基本概念控制系統結構體系控制系統數學模型工程控制技術時域分析頻域分析系統穩定性判據工程應用系統性能指標系統校正希望和要求:教學形式:

課堂上，多媒體授課為主，板書為輔；學習模式：預習－>聽課－>復習(作業等形式)意見要求及時反饋新生事物大家支持教師嚴謹治學學生積極配合師生共同創造佳績建議希望踴躍發表限制技術

應用舉例(1)工業控制電機限制機床限制生產過程自動化限制機器人限制......限制技術的應用海洋探測機器人1990年日本海洋科技中心研制的“海溝號”纜控式無人潛水器（左）及其在大海中工作時的狀況（右）CR-01型6000米水下無纜機器人1995年8月我國沈陽自動化所機器人中心研制的CR-01型6000米水下無纜機器人（上）和正在下水的狀況（右）瑞典博福斯公司研制的“雙鷹”水下掃雷機器人

一個典型的運動限制系統船用火力發電綜合限制系統家用電器冰箱、洗衣機家庭影院微波爐......限制技術

應用舉例(2)消費類產品U盤、MP3手機應用產品......限制技術

應用舉例(3)32、64等合弦音MCU芯片智能樓宇的限制限制技術

應用舉例(4)可視對講、室內報警、遠程家電限制…….樓宇電梯的控制信號檢測供電系統電機(執行機構)可編程序限制器ProgrammableLogicController電機限制器機電機電一體化EV充電系統電池管理系統汽車照明、電動轉向、空調、音響、雨刷、安全報警、電動門窗…….電子機械驅動控制系統電機驅動系統限制限制由行程開關限制的自動來回起動線路典型應用一、引言1、限制系統簡介自動限制成為一門科學是從1945發展起來的。起先多用于工業：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動限制。后來進入軍事領域：飛機自動駕駛、火炮自動跟蹤、導彈、衛星、宇宙飛船自動限制。目前滲透到更多領域：大系統、交通管理、圖書管理等。補充學問自動限制理論的發展自動限制理論是探討自動限制共同規律的技術科學。既是一門古老的、已臻成熟的學科，又是一門正在發展的、具有強大生命力的新興學科。從1868年馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出低階系統穩定性判據至今一百多年里，自動限制理論的發展可分為四個主要階段：第一階段：經典限制理論（或古典限制理論）的產生、發展和成熟；其次階段：現代限制理論的興起和發展；第三階段：大系統限制興起和發展階段；第四階段：智能限制發展階段。經典限制理論1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統的穩定性代數判據。1895年，數學家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨立地提出了高階系統的穩定性判據，即Routh和Hurwitz判據。二戰期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應理論1948年，伊萬斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。至此，限制理論發展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經典限制理論。經典限制理論的基本特征（1）主要用于線性定常系統的探討，即用于常系數線性微分方程描述的系統的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出的反饋限制系統；（3）只探討系統輸入與輸出之間的關系，而忽視系統的內部狀態，是一種對系統的外部描述方法。現代限制理論由于經典限制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統，只留意系統的外部描述而忽視系統的內部狀態。因而在實際應用中有很大局限性。隨著航天事業和計算機的發展，20世紀60年頭初，在經典限制理論的基礎上，以線性代數理論和狀態空間分析法為基礎的現代限制理論快速發展起來。1954年貝爾曼（R.Belman)提出動態規劃理論1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理1960年卡爾曼（R.K.Kalman)提出多變量最優限制和最優濾波理論

大系統理論20世紀70年頭起先，現代限制理論接著向深度和廣度發展，出現了一些新的限制方法和理論。（1）現代頻域方法以傳遞函數矩陣為數學模型，探討線性定常多變量系統；（2）自適應限制理論和方法以系統辨識和參數估計為基礎，在實時辨識基礎上在線確定最優限制規律（3）魯棒限制方法在保證系統穩定性和其它性能基礎上，設計不變的魯棒限制器，以處理數學模型的不確定性。

智能限制是近年來新發展起來的一種限制技術，是人工智能在限制上的應用。智能限制的概念和原理主要是針對被控對象、環境、限制目標或任務的困難性提出來的，它的指導思想是依據人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前須要人的智能才能解決的困難的限制問題。智能限制是從“仿人”的概念動身的。一般認為，其方法包括學習限制、模糊限制、神經元網絡限制、和專家限制等方法。2、限制的定義:限制:對對象施加某種操作，使其產生所期望的行為。例.[鋼鐵軋制]:軋出厚度一樣的高精度鐵板存在溫度限制,生鐵成分限制,厚度限制,張力限制,等等。自動限制:在沒有人干脆參與的狀況下，利用外加的設備或裝置（稱為限制裝置或限制器），使機器、設備或生產過程（通稱被控對象）的某個工作狀態或參數（即被控量）自動地依據預定的規律運行。例.典型限制系統：數控機床、機車、船舶及飛機自動駕駛、導彈制導等。例.限制實例-液面限制人工限制自動限制3、限制論:定義：關于限制原理和限制方法的學科，探討事物變更和發展的一般規律。限制三要素：被控對象、限制目標、限制裝置限制論強調：1)所探討的對象是一個系統；2)系統在不斷地運動（閱歷動態歷程、包括內部狀態和外部行為）；3)產生運動的條件是外因（外界的作用：輸入、干擾）4)產生運動的依據是內因（系統的固有特性）限制論與其它學科結合，形成眾多的分支學科。控制論經濟學社會學生物學工程技術經濟控制論社會控制論生物控制論工程控制論機械工程機械工程控制論共同的本質特點：通過信息的傳遞、處理與反饋進行限制。二、機械工程限制論的探討對象與任務機械工程限制論探討機械工程中廣義系統的動力學問題。1、系統(廣義系統):按確定的規律聯系在一起的元素的集合。系統框圖如下:

系統的層次性和相對性：系統的組成元素也可以是一個系統（子系統），整個系統又可以是更上一層系統的組成元素。

廣義系統：具備系統要素的一切事物或對象，如機器系統、生命系統、社會系統、生產系統、思維、學習等。

機械工程中的廣義系統：元件、部件、儀器、設備、加工過程、測量、車間、部門、工廠、企業、企業集團等。2、動力學問題:系統在外界作用（輸入或激勵、包括外加限制與外界干擾）下，從確定初始狀態動身，閱歷由其內部的固有特性（由系統的結構與參數所確定）所確定的動態歷程（輸出或響應）。這一過程中，系統及其輸入、輸出三者之間的動態關系即為系統的動力學問題。例.彈簧－質量－阻尼單自由度系統。分析：這是同一個系統，不同的外界作用上式中y(t)為微分方程的解，明顯它是由系統的初始條件，系統的固有特性，系統的輸入及系統與輸入之間的關系確定。對上例，須要探討的問題可歸納為以下三類：1)系統的輸入與系統的固有特性如何影響y(t)，三者之間表現為何種關系。2)系統確定并已知時，對系統施加何種輸入，能使系統實現預期的響應。3)對于確定的輸入，系統應具有什么特性，才能使系統實現預期的響應。基本的動力學問題。工程限制論的內容可歸納為如下5個方面：（1）已知系統和輸入，求系統的輸出，即系統分析問題；

（2）已知系統和系統的志向輸出，設計輸入，即最優控制問題；（3）已知輸入和志向輸出時，設計系統，即最優設計問題；（4）輸出已知，確定系統，以識別輸入或輸入中的有關信息，此即濾波與預料問題；（5）已知系統的輸入和輸出，求系統的結構與參數，即系統辨識問題。

三、系統及其模型

1、系統的特性:（1）系統的性能不僅與系統的元素有關，而且還與系統的結構有關；

（2）系統的內容比組成系統各元素的內容要豐富得多；

（3）系統往往具有表現出在時域、頻域或復域等域內的動態特性。

2、機械系統:實現確定的機械運動、輸出確定的機械能，以及承受確定的機械載荷為目的的系統，稱為機械系統。對于機械系統，其輸入和輸出分別稱為“激勵”和“響應”。3、系統模型:模型是探討系統、相識系統與描述系統、分析系統的一種工具。在我們這里模型是指一種用數學方法所描述的抽象的理論模型，用來表達一個系統內部各部分之間，或系統與其外部環境之間的關系，故又稱為數學模型。系統的模型包括實物模型、物理模型、和數學模型等等。而數學模型又包括靜態模型和動態模型。動態模型在確定的條件下可以轉換成靜態模型。在限制理論或限制工程中，一般關切的是系統的動態特性，因此，往往須要接受動態數學模型。靜態模型:反映系統在恒定載荷或緩變作用下或在系統平衡狀態下的特性，現時輸出僅由其現時輸入所確定，一般以代數公式描述。

動態模型:反映系統在迅變載荷或在系統不平衡狀態下的特性，現時輸出還由受其以前輸入的歷史的影響，一般以微分方程或差分方程描述。例:可見書P6圖1.2.2。四、反饋

1、定義:系統的輸出不斷地，干脆或間接地、全部或部分地返回，并作用于系統，其實質就是信息的傳遞與交互。2、內反饋與外反饋外反饋：在自動限制系統中，為達到某種限制目的而人為加入的反饋，稱為外反饋。內反饋：在系統或過程中存在的各種自然形成的反饋，稱為內反饋。它是系統內部各個元素之間相互耦合的結果。內反饋是造成機械系統存在確定的動態特性的根本緣由，紛繁困難的內反饋的存在使得機械系統變得異樣困難。例：m-c-k系統明顯這是一個內反饋，因為沒有附加反饋限制裝置。內反饋是系統內部的信息交互，反映了系統的動態特性。3、系統方框圖及其組成系統方框圖由很多對信號（量）進行單向傳遞的元件方框和一些連線組成，表征了系統各元件之間及系統與外界之間進行信息交換的過程。它包括三個基本的單元，即：1)引出點（分支點）：表示信號的引出或信號的分支，箭頭表示信號的傳遞方向，線上標記信號的名稱。

比較點（相加點）：表示兩個或兩個以上的信號進行相加或相減運算。“+”表示信號相加；“-”表示信號相減。

元件方框：方框中寫入元、部件的名稱，進入箭頭表示其輸入信號；引出箭頭表示其輸出信號。例：見書P24頁1.7-1題解：人騎自行車時，總是希望自行車具有確定的志向狀態（如速度，方向等），人腦依據這個志向狀態指揮四肢動作，使自行車按預定的狀態運動，此時，路面的狀況等因素會對自行車的實際狀態產生影響，使得自行車偏離志向狀態，人的感覺器官感覺車子的狀態，并將此信息返回到大腦，大腦依據實際狀態與志向狀態的偏差調整四肢動作，如此循環往復。其信息流淌與反饋的過程如下圖所示：運動系統感覺器官自行車五、限制系統的工作原理及其組成加熱電阻絲~220V調壓器人工控制的恒溫箱

溫度計例：人工限制恒溫箱調整過程：觀測恒溫箱內的溫度（被限制量）

與要求的溫度（給定值）進行比較，得到溫度偏差的大小和方向依據偏差大小和方向調整調壓器，限制加熱電阻絲的電流以調整溫度回復到要求值。人工限制過程的實質：檢測偏差再訂正偏差。大腦手調壓器恒溫箱眼睛實際溫度期望溫度人工控制恒溫箱系統功能框圖溫度計加熱電阻絲~220V調壓器熱電偶給定信號比較電壓放大器功率放大器執行電動機減速器u2u1++u恒溫箱自動控制系統例：恒溫箱自動限制系統工作原理：恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓u2

恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度

u2比較得到溫度偏差信號u＝u1

u2溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動執行電動機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差u＝0，電機停止轉動。系統功能框圖如下所示：給定信號電壓功率放大器控制電機減速器調壓器恒溫箱(控制對象)熱電偶u1u2uuanvu溫度t(被控量)擾動恒溫箱自動控制系統功能框圖從恒溫箱限制系統功能框圖可見：

給定量位于系統的輸入端，稱為系統輸入量。也稱為參考輸入量（信號）。被限制量位于系統的輸出端，稱為系統輸出量。

輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系統的輸入端，使之與輸入量進行比較，產生偏差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號。綜上所述，限制系統的工作原理：檢測輸出量（被限制量）的實際值將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；用偏差值產生限制調整作用去消退偏差，使得輸出量維持期望的輸出。由于存在輸出量反饋，上述系統能在存在無法預料擾動的狀況下，自動削減系統的輸出量與參考輸入量之間的偏差，故稱之為反饋限制。明顯：反饋限制建立在偏差基礎上，其限制方式是“檢測偏差再訂正偏差”。這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間既定關系的系統。稱為反饋限制系統。反饋限制系統具備測量、比較和執行三個基本功能。留意：反饋限制系統中，反饋信號是與給定信號相減，使偏差越來越小，稱為負反饋。負反饋限制是實現自動限制最基本的方法。六、系統的分類及對限制系統的基本要求1、開環限制與閉環限制實際的限制系統依據有無反饋作用可分為三類：開環限制系統閉環限制系統開環限制系統特點：系統僅受輸入量和擾動量限制；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量在整個限制過程中對系統的限制不產生任何影響。輸入裝置指令系統輸入控制裝置伺服驅動裝置工作臺工作臺位置系統輸出數控機床的開環控制系統框圖優點：簡潔、穩定、牢靠。若組成系統的元件特性和參數值比較穩定，且外界干擾較小，開環限制能夠保持確定的精度。缺點：精度通常較低、無自動糾偏實力控制器對象或過程輸入量輸出量開環控制系統框圖閉環限制系統特點：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對限制過程有干脆影響。閉環的作用：應用反饋，削減偏差。優點：精度高，對外部擾動和系統參數變更不敏感缺點：存在穩定、振蕩、超調等問題，系統性能分析和設計麻煩。控制器對象或過程輸入量輸出量測量元件閉環控制系統框圖反饋量3、輸出變更規律分類恒值限制系統系統輸入量為恒定值。限制任務是保證在任何擾動作用下系統的輸出量為恒值。如：恒溫箱限制、電網電壓、頻率限制等。程序限制系統輸入量的變更規律預先確知，輸入裝置依據輸入的變更規律，發出限制指令，使被控對象依據指令程序的要求而運動。如數控加工系統。隨動系統（伺服系統）輸入量的變更規律不能預先確知，其限制要求是輸出量快速、平穩地跟隨輸入量的變更，并能解除各種干擾因素的影響，精確地復現輸入信號的變更規律。如：仿形加工系統、火炮自動瞄準系統等。4、按系統中傳遞信號的性質分類

連續限制系統系統中各部分傳遞的信號為隨時間連續變更的信號。連續限制系統通常接受微分方程描述。離散（數字）限制系統系統中某一處或多處的信號為脈沖序列或數字量傳遞的系統。離散限制系統通常接受差分方程描述。5、線性系統和非線性系統線性系統由線性元件組成，輸入輸出問具有疊加性和勻整性性質，以線性微分方程來表述。

非線性系統系統中有非線性元件，輸入輸出間不具有疊加性和勻整性性質。用非線性微分方程來表述。6、其它分類系統定常系統和時變系統機械、電氣、機電、液壓、氣動、熱力等限制系統溫度、壓力、位置等限制系統七、對限制系統的基本要求1、穩定性系統動態過程的振蕩傾向及其復原平衡狀態的實力。穩定的系統當輸出量偏離平衡狀態時，其輸出能隨時間的增長收斂并回到初始平衡狀態。穩定性是限制系統正常工作的先決條件。限制系統穩定性由系統結構所確定，與外界因素無關。穩定性由限制系統內部儲能元件的能量不行能突變所產生的慣性滯后作用所導致。2、精確性限制精度，以穩態誤差來衡量。穩態誤差：系統的調整（過渡）過程結束而趨于穩定狀態時，系統輸出量的實際值與給定量之間的差值。

3、快速性輸出量和輸入量產生偏差時，系統消退這種偏差的快慢程度。快速性表征系統的動態性能。留意：不同性質的限制系統，對穩定性、精確性和快速性要求各有側重。系統的穩定性、精確性、快速性相互制約，應依據實際需求合理選擇。八、本課程的任務及主要內容

本課程的任務限制系統性能分析動態性能：過渡過程分析、穩定性分析等穩態性能：限制精度（穩態誤差）限制系統設計選擇適當的限制器及限制規律以改善限制系統的性能使其滿足限制要求。限制系統的性能分析和設計通常是交替進行的。限制系統分析和設計一般包括：建立限制對象的數學模型（線性化模型）

對象的性能分析、仿真選擇限制方案（開環/閉環；線性/非線性等）選擇性能指標，設計限制器

全系統性能分析、仿真研制限制器，構建限制系統

試驗驗證

本課程主要內容介紹經典限制理論的基礎學問，包括：限制系統數學模型的建立限制系統的時域分析限制系統的頻域分析限制系統穩定性分析限制系統的設計和校正九、習題自動限制系統方框圖的繪制步驟(重點駕馭)：（1）分析限制系統的工作原理，找出被控對象。（2）分清系統的輸入量、輸出量。（3）依據限制系統各環節的定義，找出相應的各個環節。（4）按信息流淌的方向將各個環節用元件方框和連線連接起來例1.1設電熱水器如下圖所示。為了保持希望的溫度，由溫控開關接通或斷開電加熱器的電源。在運用熱水時，水箱中流出熱水并補充冷水。試說明該系統工作原理并畫出系統的方框圖。解：在電熱水器系統中，水箱內的水溫須要限制，即水箱為被控對象。水的實際溫度是被限制量，或稱為系統的輸出量，設為To；輸入量為用戶希望的溫度（給定值），設為Ti；由于放出熱水并注入冷水或水箱散熱等緣由而使水箱內水溫下降成為該系統的主要干擾。當To=Ti時，水箱的實際水溫經測溫元件檢測，并將實際水溫轉化成相應的電信號，與溫控開關預先設定的信號進行比較而得到的偏差為零，此時電加熱器不工作，水箱中的水溫保持在希望的溫度上。當運用熱水并注入冷水時，水溫下降，此時To<Ti，則偏差不為零而使溫控開關工作。于是電源接通，電加熱器起先對水箱內的水進行加熱，使水溫上升，直到To=Ti時為止。系統限制方框圖如下圖所示：例1.2分析圖示液位自動限制系統工作原理并繪制系統功能框圖節流閥節流閥H(t)放大器+E+E