自控系统理论实验性能分析

摘要在现代工程中的许多领域中，为了减轻对人们的劳动强度、提高控制质量以及完成人工无法实现的任务，需要由机器来代替人的工作，实现对生产过程及各种设备的自动控制。

实际上，自动控制技术已经渗透到人类活动的各个方面。

自动控制技术最显著的特征就是通过对各种机器，各种物理参量、工业生产过程的控制直接造福于社会。

关键字：质量、代替、参量、造福社会目录摘要………………………………………………………………………………………第1章前言……………………………………………………………………1.1课题背景………………………………………………………………………1.2本文的研究内容……………………………………………………………………第2章概述与时域分析……………………………………………………………….2.1 自动控制基本概念自动控制系统的基本控制方式………………………………2.2 自动控制系统的分类……………………………………………………………2.3 对控制系统的性能要求……………………………………………………….2.4 系统性能指标…………………………………………………………………2.5 一阶系统性能分析………………………………………………………….2.6 二阶系统性能分析…………………………………………………………2.7 控制系统稳定性分析………………………………………………………….第3章实验原理…………………………………………………………………….3.1 控制系统典型环节的模拟………………………………………………………3.2 二阶系统的性能瞬时响应分析………………………………………………….第4章液位控制系统…………………………………………………………………4.1 液位控制…………………………………………………………………………4.2 系统工作原理……………………………………………………………………4.3 控制回路硬件图………………………………………………………………4.4 系统硬件设计…………………………………………………………………4.5 控制系统的结构组成…………………………………………………………4.6 设备连接…………………………………………………………………………4.7 PID控制程序设计.................................................第5章自动控制毕业论文设计总结………………………………………………….谢辞…………………………………………………………………………………………参考文献…………………………………………………………………………………第1章前言1.1 课题背景控制论一词 Cybernetics，来自希腊语，原意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的涵义。

因此“控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，控制理论与技术也自然而然地在人们认识自然与改造自然的历史中发展起来。

1）1959 年，苏联学者庞德亚金(L.S. Pontryagin)等学者创立了极大值原理，并找出最优控制问题存在的必要条件，该理论解决控制量有约束情况下的最短时间控制问题，提供方法。

2）1953-1957 年间，美国学者贝尔曼（R.Bellman）创立了解决最优控制问题的动态规律，并依据最优性原理，发展了变分学中的 Hamilton -Jaccobi 理论 3）1959 年，卡尔曼（R.E.Kalman）提出了滤波器理论，1960 年卡尔曼对系统采用状态方程得描述方法，提出了系统的能控性、能观测性。

证明了二次型性能指标下线性系统最有控制的充分条件，进而提出了对于估计与预测有效地卡尔曼滤波，证明了对偶性。

4）罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础 5）20 世纪 70 年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，ndau）在自适应控制理论和应用反面做出了贡献。

4、主要成果现代控制理论的提出，促进了非线性控制、预测控制、自适应控制、鲁棒性控制、智能控制等分支学科的发展。

进而为解决因工业过程的复杂性而带来的困难。

1）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。

2）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。

3）1966 年,Mendel 提出了“人工智能控制”的概念。

4）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。

5）年代中期， 70 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。

6）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现代控制理论、经典控制理论和大系统理论。

1.2本文的研究内容1）最基本的控制方式有开环控制和闭环控制。

开环控制实行起来简单，但抗扰动能力较差，控制精度相对较低。

自动控制原理中主要讨论闭环控制方式，其只要特点是抗扰动能力强，控制精度高，但稳定性问题较为突出。

2）根据需要，可将自动控制系统按照不同的分类方法进行归类，本文主要讨论线性定常系统。

3）本文主要介绍经典控制系统。

4）一阶系统和二阶系统是时域分析法重点分析的两类系统，一般称为低阶系统。

对于一般的高阶系统，可用劳斯判据来判断系统的稳定性，用终值定理来计算稳态误差。

如果一个高阶系统的特性近似于一个一阶或者二阶系统，则可在一定的条件下，先将其降阶为一阶或者二阶系统，然后按一阶或者二阶系统进行动态分析。

5）系统能正常工作的首要条件是系统稳定。

劳斯判据是判断系统稳定性的一种常用的方法。

若系统属于结构不稳定，则可通过附加控制装置的方法，使系统变为结构稳定系统。

例如用比例反馈来包围有积分作用的环节，从而改变环节的积分性质，以及在前向通道中增加比例微分环节等方法。

第2章概述与时域分析本文将简介有关自动控制的一般概念、自动控制系统的组成和分类、对控制系统的性能要求以及有关自动控制理论的发展概况。

2.1 自动控制的基本概念及自动控制系统的基本控制方式1. 自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，是得表征受控对象物理特征的被控量等于给定值或按给定信号变化规律去变化的过程，如图：图中，由控制器与检测元件组成的控制装置以及受控对象为物理装置，而给定值和被控制量均为一定形式的物理量。

由自动控制系统来实现自动控制的目的，自动控制系统由控制装置和受控对象构成。

对自动控制系统的性能进行分析和设计则是自动控制院里的主要任务。

2. 自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式如下所述。

1）开环控制控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反相联系时，称为开环控制，相应的控制系统成为开环控制系统。

开环控制的特点是，系统结构和控制过程均很简单，但由于这类系统抗干扰能力较差，控制精度较低，因而限制了它的应用范围。

开环控制一般用于控制性能要求不高的场合。

2）闭环控制控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反相联系，既有被控量对控制过程的影响，这种控制称为闭环控制，相应的控制系统称为闭环控制系统。

闭环控制系统具有如下的特点：a 由于系统的控制作用是通过给定值与反馈量的差值进行的，故这种控制常称为偏差控制，又称反馈控制。

b 这类系统具有传输两种信号的通道：有给定值至被控量的通道称为前向通道；由被控量至系统输入端的通道称为反馈通道。

c 不论取什么物理量进行反馈，作用在反馈环内前向通道上的绕动所引起的被控量的偏差值，都会得到减小或消除，是得系统能基本控制这些绕动。

正是由于这种特性，是得闭环控制系统在控制工程中得到了广范的应用。

但若涉及调试不当，闭环控制系统易产生震荡甚至不能正常工作。

自动控制原理中所讨论的系统主要是闭环控制系统。

3）复合控制反馈控制是在外部（给定或绕动）作用下，系统的被控量发生变化后才进行相应调节和控制的，在受控对象具有较大时滞的情况下，其控制作用难以及时影响被控制量，进而形成快速有效地反馈控制。

前馈补偿控制则是在测量出外部作用的基础上，形成与外部作用相反的控制量，该控制量与相应的外部作用共同作用的节骨，使被控制量基本不受影响，即在偏差产生之前就进行了防止偏差产生的控制。

在这种控制方式中，由于被控量对控制过程不产生任何影响，故它也属于开环控制。

2.2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种。

1）线性系统和非线性系统由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统称为线性系统，由非线性方程所描述的系统称为非线性系统。

2）定常系统和时变系统若系统方程的系数不是时间变量的函数，则称此类系统为定常系统，否则称为时变系统。

3）连续系统和离散系统4）恒值系统、随动系统和程序控制系统2.3 对控制系统的性能要求在控制过程中，一个理想的控制系统，始终应使其（输出）被控量与（输入）给定值对应相等。

但是，由于机械部分质量、惯量的存在，电路中储能元件的存在以及能源功率的限制，是得运动部件的加速受到控制，其速度和位置难以瞬时变化。

所以，当给定值变化时，被控量不可能立即跟上给定值的变化，而需要经过一个过渡过程。

所谓动态过程就是指系统受到外加信号（给定值或扰动）作用后，被控量随时间变化的全过程。

动态过程可以反映系统内在的性能好坏，而常见的评论系统优劣的性能指标也就是动态过程中定义出来的。

对系统的基本要求有三个方面。

1）稳定性稳定性一般可以这样来表述：系统受到外作用后，其动态过程的震荡倾向和和系统恢复平衡的能力。

一个处于某平衡状态的线性定常系统，若在外部作用下偏离了原来的平衡状态，而当外部作用消失后，系统仍能回到原来的平衡状态，则称该系统是稳定的。

否则，系统不稳定，不稳定的系统是无法正常工作的。

2）快速性快速性可以通过动态过程时间的长短来表征，过渡时间时间越短，表明快速性越好，反之亦然。

3）准确性准确性是由输入给定值与输出响应的终值之间的差值Ess来表征的。

途加恒值给定信号时准确性反映了系统在一定外部信号作用下的稳定精度。

若系统的最终误差为零，则称为无误差系统，否则称为有差系统。

稳定性、快速性和准确性往往是相互制约的。

2.4 系统控制指标控制系统的动态性能，可以通过系统的动态响应过程来表现，而对系统的评价也是透过这一过程来进行的。