自动控制原理论文.doc

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1、目录前言1一、自动控制的基本概念31.控制的实质检测偏差和纠正偏差32.控制系统的工作原理33.自动控制要解决的基本问题4二、开环控制和闭环控制：4三、控制系统的类型4四、对控制系统的基本要求5五、计算机控制51.计算机控制系统的控制过程52.软件组成6六、传统控制系统的研究方法及内容6七、控制系统的数学模型6八、自动控制应用举例7九、参考文献：9前言 我作为一名自动化学生，起初报自动化的初衷是感觉这个专业能够学到并且是自己所喜欢的科学知识与技术，通过专业为自己以后的人生奠定基石。下面的是我通过网页和一些书籍获得的知识。从中，我认识到自动化学科具有光荣的历史和重要的地位，它是一门强调应用性和实

2、用性的专业学科，面的的是各种各样错综复杂的系统，所控制的对象具有不确定性，控制方法的常规性控制或是优化控制等不确定因素。了解到了自动化科学技术在众多的领域发挥了巨大作用：如航空、航天，两弹一星的伟大工程就包含了许多自动化科技的成果。 与此同时，在了解自动化专业所需的知识后却也不禁让我茫然失色，因为它所涵盖的知识内容太广，也明白了“万金油专业”这一名称的缘由。诚然，尽力学好专业的每一门课程是必须的，但也不得不有所专精的知识门类。现如今，自动化控制技术已经广泛应用于工农业生产、交通运输和国防建设的各个领域。鉴于此，我想选择精修的并以之为奋斗方向的课程是自动控制（原理）。结合实际与规划展望自动控制带

3、给我的未来发展方向 自动控制理论是自动化及其相关专业的一门技术基础课程。由于自动控制技术在各个行业的广泛渗透，其自动控制原理逐渐成为许多学科共同的专业基础。自动控制理论是自动控制科学的核心。控制理论一般分为以讲述单输入单输出（SISO）系统理论为主的经典控制理论（自动控制理论）和以讲述多输入多输出（MIMO）系统理论为主的“现代控制理论”。自动控制理论自始至今已经过了三代的发展：第一代为20世纪初开始形成并于50年代在线性代数的数学基础上发展起来的现代控制理论；第三代为60年代中期即已萌芽，在发展过程中综合了人工智能、自动控制、运筹学、信息论等多学科的最新成果并在此基础上形成的智能控制理论。

4、现如今，随着计算机技术的发展和应用，自动控制理论和技术在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中的应用也愈来愈深入广泛。不仅如此，自动控制技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，成为现代社会生活中不可缺少的一部分。随着时代进步和人们生活水平的提高，在人类探知未来，认识和改造自然，建设高度文明和发达社会的活动中，自动控制理论和技术必将进一步发挥更加重要的作用。综上所述，作为一个学习自动化技术的人员，努力了解和掌握自动控制的有关知识和技能是十分必要的，这也是为我以后的发展所用的。我也迫切希望自己在未来的社会中能逐步成为自动控制领域方面的专业人才，能够

5、用自己所学的知识不断地实现社会中更多领域的自动控制，乃至更尖端的人工智能控制。回顾自动控制原理的历史渊源 1769年瓦特发明的蒸汽机，推动了工业革命的进一步发展。但是，当时的蒸汽机需要人不断地调节蒸汽阀门才能保持蒸汽机的速度稳定，蒸汽机的应用受到调速精度的限制。为了解决蒸汽机的速度控制问题，瓦特于1788年又发明了飞球调节器，把离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成了蒸汽机转速调节系统。飞球调节器的发明进一步推动了蒸汽机的应用，促进了工业生产的发展。但是，有时为了提高调速精度，反而使蒸汽机速度出现大幅度震荡，其后出现的其它自动控制系统也有类似现象发生。由于当时还没有自动控制理论，所以不能从理

6、论上解释这一现象。 1868年，英国物理学家JC麦克斯韦发表了论调速器一文，首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定现象，指出振荡现象与描述系统特性的代数方程根的分布有关，开辟了用数学方法研究控制系统中运动现象的途径，成为自动控制领域中的第一篇学术论文，这就是被公认的自动控制理论的开端。进入20世纪后，在工业生产中广泛应用的各种自动控制装置促进了对控制系统的分析和设计工作。1927年，美国贝尔实验室的电子工程师HS布莱克在解决电子管放大器失真问题时首先引入了“反馈”的概念。 20世纪40年代是自动控制技术和理论形成的关键时期。在第二次世界大战期间德国的空中优势和英国的防御地位，迫使美国、英国和

7、西欧各国科学家集中精力解决了防空控制和飞机自动导航等军事技术问题，在此过程中逐步形成了分析和设计单变量控制系统的经典控制理论。 1948年，美国科学家WR埃文斯提出了名为根轨迹的分析方法，研究系统参数对反馈控制系统稳定性和运动特性的影响，并于1950年进一步应用于反馈控制系统的设计，构成了经典控制理论的另一个核心方法-根轨迹法。 现代控制理论是在20世纪50年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展起来的。空间技术的发展迫切要求建立新的控制原理，以解决诸如把宇宙火箭和人造卫星用最少燃料或最短时间准确地发射到预定轨道一类的控制问题。这类控制问题十分复杂，采用经典控制理论难以解决。1958年，苏联科学

8、家.庞特里亚金提出了名为极大值原理的综合控制系统的新方法。在这之前,美国学者R.贝尔曼于1954年创立了动态规划,并在1956年应用于控制过程。他们的研究成果解决了空间技术中出现的复杂控制问题，并开拓了控制理论中最优控制理论这一新的领域。19601961年，美国学者R.E.卡尔曼和R.S.布什建立了卡尔曼-布什滤波理论,因而有可能有效地考虑控制问题中所存在的随机噪声的影响，把控制理论的研究范围扩大，包括了更为复杂的控制问题。几乎在同一时期内，贝尔曼、卡尔曼等人把状态空间法系统地引入控制理论中。状态空间法对揭示和认识控制系统的许多重要特性具有关键的作用。其中能控性和能观测性尤为重要，成为控制理论

9、两个最基本的概念。到60年代初，一套以状态空间法、极大值原理、动态规划、卡尔曼-布什滤波为基础的分析和设计控制系统的新的原理和方法已经确立，这标志着现代控制理论的形成。简述自动控制原理的涵盖内容及主要思想一、自动控制的基本概念 1.控制的实质检测偏差和纠正偏差 给定量位于系统的输入端，称为给系统输入量，也称为参考输入量（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。 2.控制系统的工作原理 检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与

10、给定值（输入量）进行比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量之间的偏差，故称之为反馈控制。显然： 反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。 3.自动控制要解决的基本问题 如何使被控制量按照给定量的变化规律变化，就是一个控制系统要解决的基本问题。解决方法：闭环控制=反馈控制=偏差控制。自动控制系统在没有人直接参与的情况下，利用控制装置对被控对象进行控制操纵，使被控量按照参考输入保持常值或者跟随参考输入的变化规律而变化的系统。二、开环控制和闭环控制： 1.开环控制：控制装置与

11、被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。 2.闭环控制：将系统的被控变量反馈到输入端，并与参考输入相比较，产生一个误差信号加到控制器上使输出改变，从而减少系统误差，达到实现精确控制的目的。 3.开环控制与反馈控制的比较 开环优点: 系统结构简单，调试容易，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大，抗干扰能力差。 闭环优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高，抗干扰能力强。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。 三、控制系统的类型 1.按输入信号

12、分类：定值控制系统；伺服系统（随动系统）；程序控制系统。 2.按系统是否满足叠加原理：线性系统与非线性系统。 3.按系统控制器是否采用计算机：计算机（数字）控制系统与模拟系统。 4.按控制对象的范畴：运动控制系统与过程控制系统。 5.按系统参数是否随时间变化：时变系统和定常系统。 四、对控制系统的基本要求 1.稳定性 对一个能正常工作的线性定常系统来说，在动态响应过程中，可以允许产生振荡现象，但其振幅度必须是逐渐衰减的，即系统的被控变量在围绕其平衡位置振荡若干次后，应能稳定到平衡位置，这种系统称为稳定系统。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。由系统结构和参数决定，与外界因素无关。 2.快速性

13、输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。表征系统的动态性能。 3.准确性 即稳态精度，用系统的稳态误差来表征。稳态误差是控制系统响应的稳态值与其希望值之差。 4.灵敏度 系统中元件参数的改变对系统响应的影响,可以用灵敏度来表示。 5.抗干扰性 系统的抗干扰性,直接与系统的稳态精度有关。 6.稳健性（Robustness，鲁棒性） 上述的4 和5两个指标结合起来，称为系统的稳健性指标。五、计算机控制 计算机控制成为以控制理论和计算机技术为基础的一门新的工程科学技术。 1.计算机控制系统的控制过程 (1)实时数据采集：对被控制量的瞬时值进行检测，并且将采样结果输入到计算机。 (2)实

14、时决策：对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理后，按照预先规定的控制规律进行运算，则称实时决策，或简称决策。 (3)实时控制：根据实时决策结果，实时地对执行装置发出控制信号。 (4)信息管理：随着网络技术和控制策略发展，信息共享和管理也介入到控制系统之中。 2.软件组成 系统软件；应用软件；控制程序；过程输入/输出接口程序网络结构：对等式 (Peer to peer)；客户机/服务器 (Client/Server)六、传统控制系统的研究方法及内容 三个基本问题：建立数学模型；系统性能分析；控制器设计。 分析：在系统给定的条件下，将物理系统抽象成数学模型， 然后用已经成熟的数学方法和先进的计算

15、工具来定性或定量地对系统进行动态、静态的性能分析。 综合：在已知被控对象和给定性能指标的前提下，寻求控制规律，建立一个能使被控对象满足性能要求的系统。七、控制系统的数学模型 数学模型：是描述系统中各变量间关系的数学形式，是分析和设计系统的基础。 数学模型的形式：时间域微分方程；差分方程；状态空间模型；冲激响应模型。 频率域：传递函数模型；频率响应模型。建立数学模型的方法：1.解析法：依据系统及元件各变量之间所遵循的物理或化学规律列写出相应的数学关系式，建立模型。2.实验法：人为地对系统施加某种测试信号，记录其输出响应，并用适当的数学模型进行逼近。这种方法也称为系统辨识。 自动控制是一个非常有吸

16、引力的研究领域，在过去的几十年中发展起来的理论和实践解决了大量的自动化问题，使这个领域具有了通用的特点。同时，在控制时保证了较高的控制精度，有强的抗干扰能力，又有很高的可靠性和环境适应性。自动控制技术是能够在没有人直接参与的情况下，利用附加装置（自动控制装置）使生产过程或生产机械（被控对象）自动地按照某种规律（控制目标）运行，使被控对象的一个或几个物理量（如温度、压力、流量、位移和转速等）或加工工艺按照预定要求变化的技术。它包含了自动控制系统中所有元器件的构造原理和性能，以及控制对象或被控过程的特性等方面的知识；自动控制系统的分析与综合；控制用计算机（能作数字运算和逻辑运算的控制机）的构造原理

17、和实现方法。自动控制技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一；是推动新的技术革命和新的产业革命的核心技术；是自动化领域的重要组成部分。 自动控制技术有很强的应用背景，无论是在炼钢、轧钢、化工、石油、电力等工业上，或是造纸、纺织、皮革和食品等工业上；无论是在航空、航海、汽车和铁路运输工业和国防工业上，或是图书资料的管理、实验室技术设备上都得到广泛应用。自动控制技术对导弹和人造地球卫星是非常重要的，对于研究原子能的应用，研究飞机和导弹的空气动力和结构强度也是有用的。没有应用背景的“控制理论”就缺乏生命力。可以肯定的说，自动控制原理早已经被广泛运用于第一、二、三产业。 近年来自动控制技术

18、发展迅猛，特别是计算机技术、网络和通信技术发展的突飞猛进，使人们籍助于许多使能技术的进步和一些开发工具的扩大，将人们构思的自动操作得以付诸实现。如网络控制技术、可编程控制器等均属于自动化控制技术中的使能技术。自动控制技术正向着网络化、集成化、分布化、节点节能化的方向发展。相信，未来的自动控制领域将是我们施展才能的一个更为广阔的舞台。 八、自动控制应用举例 液位控制应用举例下面以JYB-714型晶体管液位继电器和接触器控制水泵电动机为例，简单说明水箱供排水的自动抽水和自动排水控制电路的组成及原理。自动抽水（向水箱内加水）时，液位控制的自动抽水电路如图1-4（a）所示3，图中液位继电器输出的动合触

19、点（2-3脚）用于驱动水泵电动机（或电磁阀）。在低液位时，输出动合触点（2-3脚）闭合，接触器KM线圈通电，水泵电动机M启动，往水箱内泵水；在高液位时，动合触点（2-3脚）断开，接触器KM线圈断电，水泵电动机M停止泵水，液位控制电路根据液位变化，始终将水位高度控制在高、低液位检测端的两点距离之间，实现抽水的自动控制。自动排水（向水箱外排水）时，自动排水控制如图1-4（b）所示3，图中液位继电器输出的动断触点（3-4脚）用于驱动水泵电动机（或电磁阀）。在高液位时，输出动断触点（3-4脚）闭合，接触器KM线圈通电，水泵电动机M启动，从水箱向外排水；在低液位时，动断触点（3-4脚）断开，接触器KM线圈断电，水泵电动机M停止排水，电路根据液位变化，实现排水的自动控制。九、参考文献：胡寿松.自动控制原理(第四版):科学出版社，2001王万良.自动控制原理M.北京：高等教育出版社，2008高飞，袁运能，杨晨阳.自动控制原理M.北京：北京航空航天大学出版社，2009王建辉，顾树生，杨自厚.自动控制原理.清华大学出版社，2008