自动控制原理与系统123

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

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

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。

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

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。