自動控制原理淺探淺談

李修辭揚州大學

自動控制原理淺探淺談

李修辭
揚州大學

如今，自動控制技術已廣泛應用于軍事、工業、農業、商業、醫療、交通運輸、乃至航空航天等眾多領域，極大地提高了勞動生產率，同時也便利了人們的生活。采用自動控制技術可以解放勞動力，同時可以讓人們脫離惡劣的工作環境。我們身邊的自動化設備無處不在，如自動化電氣設備、自動化醫療設備等。自動控制技術的逐步發展，推動了更大規模的自動化，例如各企業綜合自動化系統、國家電網調度系統、城市交通系統等等。

一、自動控制原理基本概念

1、自動控制原理的發展可以分成四個階段：第一階段：經典控制理論的產生；第二階段：現代控制理論的成熟；第三階段：大系統控制的興起；第四階段：智能控制的發展。

2、自動控制中最基本的是反饋控制系統，它由六個元件組成：

（1）測量元件，（2）給定元件，（3）比較元件，（4）放大元件，（5）執行元件，（6）校正元件。

3、自動控制系統基本控制方式：（1）反饋控制方式，（2）開環控制方式，（3）復合控制方式。

4、自動控制原理基本控制規律：控制器采用比例（P）、微分（D）、積分（I）這三種基本控制規律，或者是采用這幾種基本控制規律的組合，例如比例-微分（PD）控制規律、比例-積分（PI）控制規律、比例-積分-微分（PID控制規律）。

5、校正方法。為使系統能夠按照既定的要求平穩運行，除去合理的設計，還需進行校正，以使得系統達到初定的性能指標。控制系統的校正方式可分為四種，分別為前饋校正、反饋校正、串聯校正和復合校正。

6、自動控制校正設計方法小結：（1）設計校正裝置，使系統滿足上述性能指標；（2）畫出系統在校正前后的博德圖；（3）用Matlab語言畫出上述每種情況的階躍相應曲線，并根據曲線分析系統的動態性能指標；（4）校正前進行系統的時域、頻域性能分析。

二、非線性系統

現在的工業生產對自動控制的精準性要求越來越高。控制系統的復雜性，使得不確定因素增多。自動控制原理有待進一步發展，以彌補各理論分支的缺點與不足，來滿足更高的控制性能指標。現有的自動控制原理在線性系統控制中效果良好，但對離散、非線性復雜系統方面差強人意。實際的工業生產過程相當復雜，通常具有非線性、分布參數和時變等特性。因此自動控制原理在非線性系統方面具有十分重要的研究與發展意義。

1、非線性控制系統概述

在自動控制中比較簡單且易分析的是線性系統（所謂線性系統指的是線性常系數微分方程所描述的系統）。但在實際應用中，完全線性的系統幾乎不存在，因為組成控制系統的元件大都都存在著不同程度的非線性。但只要系統不包含有特殊本質的非線性元件，并且傳輸的信號也不太大，那么根據線性系統分析法所得到的結果也同樣適用于該類系統。

（1）非線性系統的特征：①穩定性分析復雜；②可能存在自激振蕩現象；③頻率響應發生畸變。

（2）非線性系統的分析與設計方法：①相平面法：利用直角平面坐標上的表征變量和變化速率之間的關系軌跡進行研究。②描述函數法：從頻率域的角度對非線性控制系統的穩定性進行研究。③逆系統法：逆系統方法基于動態系統可逆性質設計非線性系統控制器的一般理論方法。由被控系統方程出發，首先設計出被控對象的n階積分逆系統方程，將它作為控制律對系統實行非線性反饋控制，以此設計出具有線性傳遞關系的偽線性系統，再用線性系統理論來完成控制系統設計。

三、離散系統

如果控制系統中的所有信號都是時間變量的連續函數，這樣的系統則稱為連續系統；如果控制系統中有一處或幾處信號是一串脈沖或數碼，即這些信號僅定義在離散時間上，這樣的系統則稱為離散系統。一般情況下，我們把脈沖序列形式的離散系統稱為采樣控制系統，把數字序列形式的離散系統稱為數字控制系統。

線性離散系統的設計方法，主要有模擬化和離散化這兩種設計。離散設計方法又稱為直接數字設計法，把控制系統按離散化進行分析，求出系統的脈沖傳遞函數，然后按離散系統理論設計數字控制器。由于直接數字設計方法比較簡便，可以實現比較復雜的控制規律，因此更具有一般性。模擬化設計方法，把控制系統按模擬化進行分析，求出數字部分的等效連續環節，然后按連續系統理論設計校正裝置，再講該校正裝置數字化。

四、控制系統仿真研究的重要工具——Matlab語言系統

自動控制領域的科研工作者不僅僅滿足于控制系統的一種仿真技術，因此設計開發控制系統計算機輔助設計的先進方法，使控制系統的仿真和設計都更為簡單便捷。

當今，專家們已經開發出多種自動控制系統的計算機輔助設計方法，但Matlab語言是當前最為流行的一種。

誠然，控制系統的仿真研究也有它的不足，也就是要絕對依賴于控制系統的數學模型，不能出現偏差。如果數學模型的描述不夠準確或不夠詳盡，控制系統的仿真結果就會出現誤差或者錯誤。這種情況在控制系統的設計中一般通過兩種方法來克服，一是嚴謹地構造數學模型，也就是說即使不夠準確的數學模型也比不夠全面的數學模型要好。二是在系統設計最后的的系統調試階段，以此來最后確定仿真結果的正確性。

下面是Matlab語言仿真出的響應圖形：

五、總結

如今的大趨勢是大力發展自動控制技術，自動控制技術有利于提升行業整體素質，有利于加快傳統產業革新，有利于調整工業結構以此為大中型企業注入新鮮血液，還有利于增強綜合國力。

當代社會，經濟飛速發展，科技不停推陳出新，自動控制技術已然是推進各個產業發展的主導力量。自動控制技術的水平可以說能夠反映國出一個家科技水平。所以，我們要繼續大力推進自動控制技術的發展和應用。目前，自動控制正向智能化控制發展深入。在現代科學技術的眾多領域中，自動控制技術起著中流砥柱的作用。

[1]胡壽松主編.《自動控制原理（第六版）》.科學出版社.

[2]《自動控制原理實驗教程》西安唐都科教儀器公司.

[3]孫亮主編.《MATLAB語言與控制系統仿真》.北京工業大學出版社.