自动化技术与应用论文

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经典控制理论也就是自动控制原理,是 20 世纪 40 年代到 50 年代形成的一门 独立学科。早期的控制 系统较为简单,只要列出微分方程并求解之,就可以用 时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后,由于生产和军事的需要,各国均 在大力研制新型武器,于是出现了较复杂的控制系统,这些控制系统通常是用高 阶微分方程来描述的。由于高阶微分方程求解的困难,各种控制系统的理论研究 和分析方法就应运而生。1932 年奈奎斯特(H.Nyquist)在研究负反馈放大器时 创立了有名的稳定性判据,并提出了稳定裕量的概念。
系统加超前校正的波特图:
③ 统加滞后校正的阶跃响应曲线:
系统加滞后校正的波特图:
理论计算幅值裕度、相角裕度,调节时间、超调量: ① 统不加校正时
幅值裕度:令

,则ω→∞,故 度:令
则ωc=1.879129818rad/s, 故
由 Matlab 仿真阶跃响应曲线,可得 调节时间:ts=8.3s 超调量σ%:σ%=45%。
参考文献: [1] 杨 位 钦 , 谢 锡 祺 . 自 动 控 制 理 论 基 础 ,3-5. 北 京 : 北 京 理 工 大 学 出 版
社,1991 [2]《中国大百科全书.自动控制与系统工程》.北京:中国大百科全书出版社,
1991 [3]贝尔 E T.数学精英. 徐源译. 宋蜀碧校. 北京:商务印书馆,1991 [4]布斯 A D[英]. 自动化与计算技术. 吴怡,莫莎译. 北京:国防工业
随着自动控制技术的广泛应用和迅猛发展,出现了许多新问题,这些问题要求 从理论上加以解决。自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的过程中逐步形 成和发展起来的,它是研究自动控制技术的基础理论,是研究自动控制共同规律 的技术科学。按其发展的不同阶段,可把自动控制理论分为三个不同的阶段。 1)经典控制论阶段(20 世纪 50 年代末期以前)
3) 搭建的实物模拟运算电路系统与理论系统的实验结果一致,验证了 校正环节对于系统性能的影响。
二、自动控制理论的发展
摘要
自动控制理论是自动控制科学的核心。自动控制无须人的直接参与,通过控 制装置,使机器、设备、生产过程等按照预定的规律运行,完成要求的任务,近 几十年来,自动控制技术正在迅猛的发展,并在工农业生产、交通运输、国防建 设和航空航天事业等领域中获得广泛应用。自动控制经过数十年世界范围的发展, 极大地提高了劳动生产率和产品质量,推动了现代工农业的巨大发展。这些年, 自动控制理论在各领域都有着极广泛的应用。本文旨在对自动控制理论的发展及 趋势进行纲领性分析和探讨,加深对自动控制理论的了解与进一步认识。 关键字:自动控制理论 发展 趋势 一、自动控制理论的发展概况:
② 统加超前校正时 幅值裕度:系统传递函数为

则ω→∞,
故 相角裕度: 令
则ωc=2.376283612rad/s 故
由 Matlab 仿真阶跃响应曲线,可得
相角裕
调节时间:ts=4s 超调量σ%:σ%=25% ③ 统加滞后校正时
幅值裕度:系统传递函数为

则ω→∞, 故
相角裕度:令 则ωc=0.4485656140rad 故
由 Matlab 仿真阶跃响应曲线,可得 调节时间:ts=9.85s 超调量σ%:σ%=20% 实验分析与结论:
1) 从阶跃响应曲线中可以看到,超前校正可以提高系统的快速性和稳 定性,改善系统的动态性能。
2) 从频率响应伯德图可以看到,两种校正方式都增大了相角裕度,提 高了系统的相对稳定性;但是超前校正会削弱系统的抗干扰能力, 滞后校正使系统的动态性能变得极差。故为了提高系统整体的性能, 可以用滞后—超前校正。
时间域方法。现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多,包 括线性系统和非线性系统,定常系统和时变系统,单变量系统和多变量系统。它 所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。现代控制理论还为设计和 构造具有指定的性能指标的最优控制系统提供了可能性。 3)系统理论和智能控制理论阶段(八十年代兴起至今)
在此基础上,1945 年伯德(H.W.Bode)提出 了分析控制系统的一种图解 方法即频率法,致使研究控制系统的方法由初期的时域分析转到频域分析。随后, 1948 年伊文斯(W.R.Evans)又创立了另一种图解法即有名的根轨迹法。追溯到 1877 年,劳斯(E.Routh)和 1895 年赫尔维茨(A.Hurwitz)分别独立地提出了 关于判断控制系统稳定性的代数判据。这些都是经典控制理论的重要组成部分。 50 年代中期,经典控制理论又添加了非线性系统理论和离散控制理论,从而形 成了完整的理论体系。 因此,以传递函数作为描述系统的数学模型,以时域分析 法、根轨迹法和频域分析法为主要分析设计工具,构成了经典控制理论的基本框 架。到 20 世纪 50 年代,经典控制理论发展到相当成熟的地步,形成了相对完整 的理论体系,为指导当时的控制工程实践发挥了极大的作用。
随着社会的需要,自动控制理论也在急剧地发展。目前已进入了第四阶段。其 主要发展方向有:稳定性、最优化、定性结构、计算机与控制。 自动控制理论 目前还在向更纵深、更广阔的领域发展,无论在数学工具、理论基础、还是在研 究方法上都产生了实质性的飞跃,在信息与控制学科研究中注入了蓬勃的生命力, 启发并扩展了人的思维方式,引导人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。控制 理论的深入发展,必将有力地推动社会生产力的发展,提高人民的生活水平,促 进人类社会的向前发展。我认为未来智能控制(intelligent controls)将是 未来发展的趋势。智能控制是在无人干预的情况下自主的驱动智能机器实现快速, 精准控制目标的自动控制技术。控制理论发展至今有 100 多年的历史,经历了“金 典控制理论”和“现代控制理论”的发展阶段,已步入“大系统理论”和“智能 控制理论”阶段。智能控制理论的研究和应用是现代控制理论在深度和广度上都 扩展。20 世纪 80 年代以来,信息技术计算机技术的快速发展及其他学科的快速 发展和相互渗透,也推动了控制科学工程研究的不断深入控制系统向智能控制系 统的发展已成为一种趋势。
出版社,1965 [5]自动控制理论及原理课程课件
自动化技术与应用课程试卷
一、控制系统的串联校正
Matlab 伯德图仿真程序 W=logspace(-3,3,200) Num=[] Den=[] G=tf(Num,Den)
[x,y,w]=bode(G,w) Margin(x,y,w)
① 统不加校正的阶跃响应曲线:
wenku.baidu.com
系统不加校正的波特图:
② 系统加超前校正的阶跃响应曲线:
2)现代控制论阶段(50 年代末期至 70 年代初期) 50 年代开始,由于空间技术的发展,各种高速、高性能的飞行器相继出现, 要求高精度地处理多变量、非线性、时变和自适应等控制问题,60 年代初又形 成了现代控制理论。现代控制理论的基础是:1956 年庞特里亚金提出了极大值 原理,1957 年贝尔曼(R.Bellman)提出了动态规划,1960 年卡尔曼(R.E.Kalman) 提出了最优滤波理论以及状态空间方法的应用。从 60 年代至今 40 多年来,现代 控制理论又有巨大的发展,并形成了若干学科分支,如线性控制理论、最优控制 理论、动态系统辨识、自适应控制、大系统理论等。在现代控制理论中,对控制 系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的,基本的方法是
大系统理论,是指规模庞大、结构复杂、变量众多、关联严重、信息不完备的 信息与控制系统。60 年代初期,Smith 提出采用性能模式识别器来学习最优控制 法以解决复杂系统的控制问题。1965 年 Zadeh 创立模糊集和论,未解决负载系 统的控制问题提供了强有力的数学工具。 1966 年,Mendel 提出了“人工智能控 制”的概念。1967 年,Leondes 和 Mendel 正式使用“智能控制”,标志着智能控 制思路已经形成。70 年代初期,傅京孙、Gloriso 和 Saridis 提出分级递阶智能 控制。并成功应用于核反应、城市交通控制领域。70 年代中期,Mamdani 创立基 于模糊语言描述控制规则的模糊控制器,并成功用于工业控制。 80 年代以来 专家系统、神经网络理论及应用对智能控制器着促进作用 随着社会生产技术的 不断提高和要求,自动控制理论日益向更新的高度挺进。 二、自动控制理论的发展趋势
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