题 目 自动控制原理与系统
论文 专 业 机电工程系供用电
班 级 121
姓 名 樊 新 丹 学 号 2012141001
二〇一四年五月
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自动控制原理与系统
摘 要
论述了自动控制原理从无到有、各个发展时期的特点；指出了自动控制原理今后的发展方向。在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。
关键词：自动控制原理、自动化、负反馈调节系统
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自动控制原理与系统
自动控制原理的发展概况及前景
1.自动控制简史 （History of Automatic Control）
（1）：公元前300年左右，李冰设计和建造的都江堰水利工程，运用了反馈原理 （2）：公元前300年至公元前1年，古希腊出现的浮球调节装置。大约公元250年，Philong发明的油灯，其中用浮球调节装置来保持燃油的油面高度。
（3）：近代欧洲最早发明的反馈系统是荷兰人Cornelis Drebbel(1572-1633)发明的温度调节器．Dennis Papin(1647-1712)在1681年发明了锅炉压力调节器。 （4）：1769年，为了解决工业生产中蒸汽机的速度控制问题，J. Watt(瓦特,1736-1819)发明了蒸汽机。他在蒸汽机上安装了一个飞球，构成蒸汽机调速器．．． （5）：H. S. Black , AT&T贝尔实验室的研究员, 于1927年发明了负反馈方法与电子放大器,其工作为现代电子系统和通信系统奠定了基础.
（6）：在美国的MIT、Bell实验室的一批科学家工程师，例如N. Wiener、 V. Bush、 H. Nyquist、H.W. Bode、 N.B. Nichols、C. Shannon 、H. Hanzen等为首的科学家设计了一系列的自动控制装置和系统。
（7）：1948年，N. Wiener(维纳)的著作：Cybernetics or control and Communication in the Animal and the Machine《控制论》的发表，开创了“控制论”这样一门新学科．其目的是研究一个系统的各个不同部分之间的相互作用的定性性质以及整个系统的运动状态．
（8）：20世纪60年代，R.E. Kalman, 线性系统的可控性、可观性、滤波器理论以及代数结构等方面的贡献，成为现代控制理论的主要奠基人之一。
2.自动控制原理的发展
自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理反馈(feedback)：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与输入信号
比较产生偏差信号过程称为反馈：
负反馈(negative feedback)：输入信号-反馈信号（或输出信号）使得系统的输出偏差减小。
正反馈（positive feedback)：输入信号+反馈信号反馈控制(feedback control)、闭环控制(closed-loop。
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其主要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，以形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出，线形定常数系统的分析和设计问题。自动控制理论是自动控制科学的核心。
自动控制理论自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甚而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。20世纪60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段——现代控制理论。他主要研究具有高性能，高精度的多变量变参数的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础的智能控制理论深入。其运用自动控制系统示例有：函数记录仪、飞机-自动驾驶仪系统、电阻炉微机温度控制系统、飞行模拟器的视景系统等等高科技领域。
随着计算机的出现和发展，自动控制原理已于计算机紧紧相依，自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。 在现代，自动控制已经无所不在了，几乎所有领域都已经涵盖了这一技术：
在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控制与管理双重功能的自动控制系统。在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。 在军事技术方面，自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导与控制系统等。在航天、航空和航海方面，除了各种形式的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。
在办公室自动化、图书管理 、交通 管 理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。
此外，还有各种运输车辆、检测设备和生产工具。总之现代社会自动控制原理已
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经得到了广泛，另外在采矿、电力技术等等都已经运用，在一些水力发电站，由于地处偏远给管理带来诸多不便，运用了自动控制原理，我们只要通过计算机通过远程控制发电站的运行，给人们带来方便，特别是在高科技领域运用更为广泛，像航空航天领域，火箭的定位等等，这为我们的航天事业带来了很大的变革总之自动控制原理已与人们密不可分了。
3.自动控制原理的内容
自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。它的主要涉及内容有:大学物理（力学、热力学）、电机与拖动、电路理论、信号与系统、复变函数、拉普拉斯变换、模拟电子技术、线性代数、微积分（含微分方程）。在当代，自动控制原理已经发展为理论严密、系统完整、逻辑性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制。它主要研究的内容是因果系统 、工程系统。其一般概念是一个负反馈调节，先通过实际系统到物理模型再到数学模型然后在到方法（系统组成分析、统计）最后又用到实际系统中的一种自动控制的原理。自动控制原理的分类：按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统：在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。
闭环控制系统：闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。
按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统: 恒值控制系统:给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。
随动控制系统:给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。
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程序控制系统:给定值按一定时间函数变化。如程控机床。
按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。
按系统功能：温度、压力、位置
按系统性能：线性与非线性、连续与离散、定常与时变
按参考量变化规律：恒值、随动、程序控制 对该系统的本要求是稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。系统的过渡过程产生的原因 ：系统中储能元件的能量不可能突变。“准”是说明系统的稳态（静态）品质稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。
快速性是系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和快慢，通常称为“系统动态性能”。过渡过程时间、超调量准确性是在系统过渡过程结束后，衡量系统输出（被控量）达到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度。
实际生产中自动控制系统先需要设计，然后分析才能用于生产之中。控制系统设计：根据控制对象和给定系统的性能指标，合理的确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程称为控制系统分析。
分析和设计控制系统的首要任务是建立系统的数学模型。一旦获得合理的数学模型，就可以采用不同的分析方法来分析系统的性能。经典控制理论中常用的工程方法有时域分析法，频率特性法，根轨迹法。其中时域分析法在时间域内研究系统在典型输入信号的作用下，其输出响应随时间变化规律的方法。对于任何一个稳定的控制系统，输出响应含有瞬态分量和稳态分量。
自动控制系统设计与分析中通常需要用到数学模型。数学模型是描述系统内部物理量或变量之间关系的数学表达式。建立数学模型的目的是分析和设计控制系统的首要工作或基础工作。自控系统的组成可以是电气的、机械的、液压或气动的等等，然而描述这些系统发展的模型却可以是相同的。通过数学模型来研究自控系统，可以摆脱各种不同类型系统的外部特征，研究其内在的共性运动规律。建立的数学模型既有准确性，又有简化性。一般应根据系统的实际结构参数及要求的计算精度，略去一些次要因素，使模型既能准确反映系统的动态本质，又能简化分析计算的工作。除非系统含有强非线性或参数随时间变化较大，一般尽可能采用线性定常数学模型描述自
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动控制系统。能够用线性数学模型描述的系统，称为线性系统。线性数学模型如线性的代数方程、微分方程、差分方程等。这类系统的基本特性，即输出响应特性、状态响应特性、状态转移特性等均满足线性关系。对于控制系统而言，由线性元件构成的系统为线性系统，其运动方程一般为线性微分方程。若其各项系数为常数，则称为线性定常系统。在动态研究中，如果系统在多个输入作用下的输出等于各输入单独作用下的输出之和（可加性），并且当输入增大倍数时，输出相应增大同样的倍数（均匀性），就满足叠加原理，因而系统可以看成线性系统。不满足叠加原理的系统，就是非线性系统。因此非线性系统对两个输入量的响应不能单独进行计算，其系统分析将比较困难，很难找到一般通用方法。但在实际系统中，绝对线性的系统是不存在的，通常所谓的线性系统也是在一定的工作范围内才保证线性的。非线性系统是指描述系统的数学模型是非线性微分方程的系统，其特性是不能应用叠加原理。
用数学模型描述系统特性具有局限性。因为数学模型例如微分方程、传递函数等，都是用纯数学表达式来描述系统特性，不能反映系统中各元部件对整个系统性能的影响。所以需要其他方法弥补数学模型的缺陷。结构图又称为方框图、方块图等，既能描述系统中各变量间的定量关系，又能明显地表示系统各部件对系统性能的影响。系统的结构图由具有一定函数关系的环节组成的，并标明信号流向的系统的方框图。结构图是方块图与微分方程（传函）的结合。一方面它直观反映了整个系统的原理结构（方块图优点），另一方面对系统进行了精确的定量描述即每个信号线上的信号函数均可确定地计算出来。在研究方法上不仅能提供系统的外部信息，而且还能描述整个系统各元部件之间的内在联系和零初始条件下的动态性能，但不能反映非零条件下的动态性能。结构图最重要的作用：计算整个系统的传递函数对同一系统，其结构图具有非唯一性；简化也具有非唯一性。但得到的系统传递函数是确定唯一的.结构图中方块≠实际元部件，因为方框可代表多个元件的组合，甚至整个系统。为了便于系统分析和设计，常常需要对系统的复杂的结构图作等价变换，或者通过变换使系统结构图简化，求取系统的总传递函数。因此，结构图变换是控制理论的基本内容。 对于控制精度的系统不可能设计一次达到完美。它需要校正以至让系统更好。能使系统的控制性能满足控制要求而有目的地增添的元件称为控制系统的校正元件或称校正装置。必须指出，并非所有经过设计的系统都要经过综合与校正这一步骤，对于控制精度和稳定性能都要求较高的系统，往往需要引入校正装置才能使原系统的性能得到充分的改善和补偿。反之，若原系统本身结构就简单而且控制规律与性能指标要求又不高，通过调整其控制器的放大系数就能使系统满足实际要求的性能指标。控
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制系统包括两部分：1，不可变部分：执行元件和测量元件一旦选定，其参数和结构就固定了。2，可变部分：当系统通过调节放大元件的参数仍不能满足系统性能指标时，我们要加入附加装置来改善系统性能，称之为校正装置。校正的实质就是通过系统的零极点来改变系统性能。
普通系统所搜集的信号都是连续的。随着电子计算机进入自动控制领域，出现了数字计算机控制系统。可以说计算机与自动控制的结合，使自动化技术进入了崭新的前所未有的发展阶段。但出入数字计算机的信号都是断续的数字信号，所以必须将原来的连续信号变成断续信号，即采样信号。从某种意义上理解，采样信号具有人为的性质。这样的控制系统必然在某一处或几处出现脉冲信号或数码信号，通常称之为采样控制系统。
采样控制系统由于其控制对象本身是连续信号部件，因而它与离散系统有所区别；又由于其输出信号及控制作用的给定都是以数码形式出现的，因而它又与连续系统有所区别。总的来说，采样系统的分析与设计是按离散系统的方法来处理的，所以常常把它归结为离散系统。但是严格地说，这两者是有区别的，主要表现在采样信号与离散信号的描述上。采样信号（或函数）是在整个实数轴上取值，其定义域是一维数集，而离散信号（或函数）则是实数轴上取正整数，其定义域是孤立点集。离散信号是一类客观存在的信号，如雷达系统中的脉冲序列信号，数字系统中的二进制数码以及电报信号等，而采样信号是连续信号经采样器采样后人为地得到的，其周期可视实际需要而定。实际采样装置是多种多样的，但无论其具体实现如何，其基本功能可以用一个开关来表示，通常称为采样开关。连续信号加在采样开关一端，采样开关以一定规律开闭，另一端便得到离散信号。采样开关每次闭合时间极短，可以认为是瞬间完成。这样开关闭合一次，就认为得到连续信号的某一时刻的值。这样的采样开关称为理想采样开关，以后所说的采样开关都是指理想采样开关，简称为采样开关。如果采样开关是等时间间隔采样，则称为普通采样、均匀采样、周期采样等。采样间隔时间称为采样周期，常用T表示。如果采样的时间间隔是时变的，则称为非周期采样、非均匀采样等。如果采样开关采样的时间间隔是随机的，则称为随机采样。一个离散系统中往往存在多个采样开关。如果系统中所有采样开关同时采样，则称为同步采样，否则称为非同步采样。如果所有采样开关都是均匀采样，但采样周期不等，则称为多速采样。
回顾系统动态方程建立的过程，无论是从实际物理系统出发，还是从系统方块图出发，还是从系统微分方程或传递函数出发，在状态变量的选取方面都带有很大的人
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为的随意性，因而求得的系统的状态方程也有很大的人为因素，很大的随意性，因此会得出不同的系统状态方程。所以说系统动态方程是非唯一的。虽然同一实际物理系统，或者同一方块图，或同一传递函数所产生的动态方程各种各样，但其独立的状态变量的个数是相同的，而且各种不同动态方程间也是有一定联系的，这种联系就是变量间的线性变换关系。
对自动控制原理的学习可以看到自动化专业是一个大有前景、应用广泛的专业。它使人们从繁重的工作中解脱出来，更好的享受科技给我们带来的乐趣。自动控制理论的不断发展，必将会给提高社会生产力，提高人民的生活水平，促进人类的发展，对传统的工业生产过程用动控制技术，可以有效提高产品的质量和企业的经济效益。在科技高速发展的今天，自动控制技术在工农业生产、国防和科学技术领域中，都有着十分重要的作用。在短短一百年中，自动控制理论得到了令人吃惊的发展，对人类社会产生了巨大的影响。
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