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大学选修课自动控制原理论文
自动控制是在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或控制装置,使
机器、设备或控制对象的某个工作状态或参数(被控量)自动地按照预定的规
律运行。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。
自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它既是一门古老的、
已臻成熟的学科,又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从1868
年马克斯威尔提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里,自动控制理论的发展
可分为四个主要阶段:第一阶段:经典控制理论(或古典控制理论)的产生、
发展和成熟;第二阶段:现代控制理论的兴起和发展;第三阶段:大系统控制
兴起和发展阶段;第四阶段:智能控制发展阶段。
第一阶段的经典控制理论的基本特征是主要用于线性定常系统的研究,即
用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合;它只用于单输入,单输出
的反馈控制系统;只讨论系统输入与输出之间的关系,而忽视系统的内部状态,
是一种对系统的外部描述方法。所用的基本方法:根轨迹法,频率法,PID调节
器(频域)。控制理论的发展初期,是以反馈理论为基础的自动调节原理,主
要用于工业控制。反馈理论用于反馈控制。反馈控制是一种最基本最重要的控
制方式,引入反馈信号后,系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝,
从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时,反馈作用又带来了系统
稳定性问题,正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控
制系统进行深入研究的热情,推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种
意义上讲,古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成
熟起来的。第二次世界大战期间,为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火
炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备,进一步促进和完善了
自动控制理论的发展。1868年,马克斯威尔()提出了低阶系统的稳定性代数
判据。1875年和1896年,数学家劳斯(Routh)和赫尔威茨(Hurwitz)分别
独立地提出了高阶系统的稳定性判据,即Routh和Hurwitz判据。二战期间
(1938-1945年)奈奎斯特()提出了频率响应理论1948年,伊万斯()提出
了根轨迹法。至此,控制理论发展的第一阶段基本完成,形成了以频率法和根
轨迹法为主要方法的经典控制理论。
第二阶段:随着航天事业和计算机的发展,20世纪60年代初,在经典控制
理论的基础上,以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速
发展起来。1954年贝尔曼(提出动态规划理论1956年庞特里雅金()提出极大
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值原理1960年卡尔曼(提出多变量最优控制和最优滤波理论。在数学工具、理
论基础能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统,定
常系统或时变系统,单变量系统或多变量系统,都是一种有效的分析方法。其
所用的基本方法是状态方程(时域)
20世纪70年代开始,现代控制理论继续向深度和广度发展,出现了一些新
的控制方法和理论。如现代频域方法:以传递函数矩阵为数学模型,研究线性
定常多变量系统;自适应控制理论和方法:以系统辨识和参数估计为基础,在
实时辨识基础上在线确定最优控制规律;鲁棒控制方法:在保证系统稳定性和
其它性能基础上,设计不变的鲁棒控制器,以处理数学模型的不确定性。随着
控制理论应用范围的扩大,从个别小系统的控制,发展到若干个相互关联的子
系统组成的大系统进行整体控制,从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、
生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过
程控制与信息处理相结合的系统工程理论,具有规模庞大、结构复杂、功能综
合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量
的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。
智能控制是近年来新发展起来的一种控制技术,是人工智能在控制上的应
用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复
杂性提出来的,它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧,解决那
些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模
型的不确定性,高度非线性,分布式的传感器和执行器,动态突变,多时间标
度,复杂的信息模式,庞大的数据量,以及严格的特性指标等。智能控制是驱
动智能机器自主地实现其目标的过程。智能控制是从“仿人”的概念出发的。
其方法包括学****控制、模糊控制、神经元网络控制和专家控制等方法。
自动控制系统是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它是
控制对象以及参与实现其被控制量自动控制的装置或元部件的组合,一般由控
制装置和被控对象组成。一般包括三种机构:测量机构、比较机构、执行机构。
自动控制系统的功能和组成是多种多样的,其结构有简单也有复杂。它可以只
控制一个物理量,也可以控制多个物理量甚至一个企业机构的全部生产和管理
过程;它可以是一个具体的工程系统,也可以是比较抽象的社会系统、生态系
统或经济系统。控制系统分为恒值系统和随动系统;线性系统和非线性系统;
连续系统和离散系统。
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。
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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。
设计一个自动控制系统一般经过以下三步:1根据任务要求,选定控制对象;
2根据性能指标的要求,确定系统的控制规律,并设计出满足这个控制规律的控
制器,初步选定构成控制器的元器件;3将选定的控制对象和控制器组成控制系
统,如果构成的系统不能满足或不能全部满足设计要求的性能指标,还必须增
加合适的元件,按一定的方式连接到原系统中,使重新组合起来的系统全面满
足设计要求。
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
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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。≠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。
系统分析的任务是根据已知的系统,求出系统的性能指标和分析这些性能
指标与系统参数之间的关系,分析的结果具有唯一性。系统的综合与校正的任
务是根据控制系统应具备的性能指标,以及原系统在性能指标上的缺陷,来确定
校正装置(元件)的结构、参数和连接方式。从逻辑上讲,系统的综合与校正是
系统分析的逆问题。同时,满足系统性能指标的校正装置的结构、参数和连接
方式不是唯一的,需对系统各方面性能、成本、体积、重量以及可行性综合考
虑,选出最佳方案.
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
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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****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。
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