通俗易懂的自动控制原理 # 绪论
1 自動控制系統的基本原理
1.1 引入以及定義
諸如：神舟10號發射升空、戰斧式巡航導彈、裝配機器人、自動泊車系統等其中都應用了自動控制的相關理論和技術。
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什么是控制？
控制 - 使某個（某些）量按一定的規律變化某個（某些）量=》我們取名為 “被控制量”
具體示例：
神舟九號與天宮一號的交匯對接
被控制量是神舟九號與天宮一號的相對距離。導彈的控制問題
導彈與目標的相對距離ρ為被控制量，最終必須趨向于0。高射炮的控制問題
高射炮的俯仰角 α 和方位角 β是兩個被控制量。雷達天線隨動系統
鋼板厚度的控制問題
通過控制軋制力，使鋼板厚度均勻。退火爐的溫度控制
為了防止在退火過程中工件產生內應力，退火爐內的溫度應該按照圖示曲線的規律變化。
在這個例子中，爐內溫度就是被控制量。當外界環境溫度的改變對爐內溫度產生干擾時，爐內溫度仍然應該按照預定的規律變化，而不受干擾的影響。這就是自動控制的目的。
對上面的例子進行總結和歸納得出如下定義：
- 自動: 就是不需要人的介入；
- 自動控制: 在脫離人的直接干預下，利用控制裝置，使被控對象按照預定的規律運行；
- 自動控制系統: 將被控的對象和實現控制功能的控制裝置組合起來稱為自動控制系統。
1.2 自動控制的優點
- 可以快速準確地進行控制，比人工控制效果更好；
- 使人們從繁重的、大量的重復性勞動中解放出來；
- 在惡劣的環境或人們無法到達的環境中實現自動控制；
- 可以長時間不疲勞的工作，以提高工作效率
實例:
1.3 術語
（1）被控對象 （也稱被控過程、被控系統）
- 它可能是一個設備，多數由一些機器零件有機地組合在一起，其作用是完成一種特定的操作。
（2）被控參數（也稱為系統輸出）
- 體現系統控制目的的物理量。（距離、方位角度等）
（3）控制參數
- 由控制器改變的量，對被控參數有較好的調節能力。（閥門開度、電樞電壓等）
（4）系統輸入
- 作用于被控對象或系統輸入端，并可使系統具有預定功能或預定輸出的物理量。（給定溫度，電位器滑桿位置）
（5）擾動
- 一種對系統的輸出量產生影響的信號。(水箱出水、負載等）
（6）開環控制：輸出量對輸入量(控制作用)沒有影響的系統。
（7）※ 閉環控制：將輸出量與參考輸入量進行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預定關系的系統，也稱為反饋控制系統
將輸出量反送到輸入端，與輸入端形成偏差稱之為反饋
控制系統中主要采用負反饋 。
負反饋：反饋的加入，使偏差越來越小。
正反饋：反饋的加入，使偏差越來越大。（振蕩發生器）
最大的特點：
1.4 控制系統的組成
※ 本節最重要的概念：負反饋 閉環控制系統
2 自動控制系統的分類
對研究對象的正確分類是分析對象的重要環節。分類原則： 不遺漏，不重疊
- 按輸入信號的變化規律分
定值控制：參考輸入為一個恒定的值。如速度控制、液位控制等
程序控制：參考輸入為一個已知的時間函數。如自動駕駛、熱處理過程等。
隨動控制：參考輸入為一個隨機變化的函數。如雷達天線跟蹤系統等。
- 按系統中傳遞信號的特點分
連續系統：系統中傳遞的信號都是時間軸上連續的信號。描述對象的數學模型是微分方程。
離散系統：系統中某一處或幾處信號為脈沖序列或時間軸上不連續的信號。描述此類系統的數學模型為差分方程。如計算機控制系統。
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按系統特點分
線性系統: 組成系統的所有元件或子系統都是線性的。- 線性定常連續系統
非線性系統：系統中至少有一個元件或子系統是非線性的。
- 線性定常連續系統
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按系統輸入輸出數量分
單輸入單輸出（經典控制理論）如：電動機速度控制系統
多輸入多輸出（現代控制理論） -
按系統功能分
溫度控制、
速度控制、
位置控制
… -
按組成元件的特點分
機械系統、
電氣系統、
液壓系統、
生物系統、
經濟系統
…
3 自動控制系統的基本要求
- 建立控制系統的目的
- 保證系統輸出具有控制輸入指定的數值
- 保證系統輸出盡量不受擾動的影響
- 對系統的具體要求
（1）系統穩定性
（2）系統動態快速性
（3）系統的穩態準確性
為了使閉環控制系統能夠正常工作，能夠滿足設計者和使用者的要求，必須對控制系統提出一些要求。
（1）穩定性
（2）快速性
要求被控制量由初始值變為另一希望值，某些控制系統可以快速響應，如下圖中的曲線1；而某些控制系統則響應十分緩慢，如下圖中的曲線3。顯然，能夠快速響應的系統性能更好。一般來說，我們總是要求控制系統具有很好的快速性。
（3）平穩性
當被控制量由初始值變為另一個希望值時，某些控制系統會出現超調現象。即被控制量會超過希望值，并經過若干次擺動以后才達到希望值。如下圖中的曲線1所示。如果控制系統設計得好，被控制量會平穩地達到希望值，不出現大幅的擺動，如下圖中的曲線3所示。
（4）準確性
如果要求被控制量由初始值變為另一個希望值時，在變化過程結束后，被控制量能夠達到希望值，說明該系統具有很好的準確性，如下圖的曲線1所示；如果被控制量在變化過程結束后不能達到希望值，存在很大的誤差，說明該系統的準確性很差，如下圖的曲線2所示
以上四項對控制系統的要求可以歸納為“穩、快、 平、準”四個字。其中，快速性和平穩性反映控制系統的動態品質；準確性反映反映控制系統的穩態精度；而穩定性則是控制系統能夠正常工作的先決條件。
自動控制原理課程的任務:
研究一種方法（或理論）來指導構筑一個控制系統達到系統目標。具體：
設計控制裝置以達到系統的目的細化為：
1、了解各種元器件或子系統的運動規律、動力學方程（建立數學模型）
2、了解某種控制器對系統輸出的影響（系統分析）
3、設計控制器（系統設計或系統綜合）
4 自動控制的發展歷史
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前期控制(1400 BC–1900) 工業機器
- 中國，埃及和巴比倫出現自動計時漏壺 (1400 BC–1100BC)；
- 希臘Philon發明了采用浮球調節器來保持燃油液面高度的油燈（BC250）
- 中國張衡發明水運渾象，研制出自動測量地震的候風地動儀（132）
- 中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的向的指南車 (235年)；
- 英國 J. Watt用離心式調速器控制蒸汽機的速度 (1788年)。
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經典控制(1935 --1950) 空間技術
- 美國 N. Minorsky 研制出用于船舶駕駛的伺服結構，提出PID控制方法 (1922)；
- 美國 E. Sperry以及C. Mason 研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器 (1929)；
經典控制理論階段（以傳遞函數作為系統數學模型）
1868年麥克斯韋爾（J.C.Maxwell）基于微分方程描述從理論上給出了它的穩定性條件。
1877年勞斯（E.J.Routh）,1895年霍爾維茨（A. Hurwitz）分別獨立給出了高階線性系統的穩定性判據；
1892年，李雅普諾夫（A.M.Lyapunov）給出了非線性系統的穩定性判據。
在同一時期，維什哥熱斯基（I.A.Vyshnegreskii）也用一種正規的數學理論描述了這種理論。
1922年，米羅斯基(N.Minorsky)給出了位置控制系統的分析，并對PID三作用控制給出了控制規律公式。
1942年，齊格勒（J.G.Zigler）和尼科爾斯(N.B.Nichols) 又給出了PID控制器的最優參數整定法。
上述方法基本上是時域方法。
1932年柰奎斯特(Nyquist)提出了負反饋系統的頻率域穩定性判據。
1940年，波德(Bode)進一步研究通信系統頻域方法，提出了頻域響應的對數坐標圖描述方法。頻域分析法主要用于描述反饋放大器的帶寬和其他頻域指標。
1943年，霍爾(A.C.Hall)利用傳遞函數（復數域模型）和方框圖，把通信工程的頻域響應方法和機械工程的時域方法統一起來，人們稱此方法為復域方法。
1948年伊文斯（W.Evans）又進一步提出了屬于經典方法的根軌跡設計法，它給出了系統參數變換與時域性能變化之間的關系。總結：經典控制理論的分析方法為復數域方法,以傳遞函數作為系統數學模型。
優點:可通過試驗方法建立數學模型，物理概念清晰。
缺點:只適應單變量線性定常系統，對系統內部狀態缺少了解。 -
現代控制(1950 --Now) 控制理論 （以狀態空間表達式為模型）
現代頻域方法，自適應控制理論和方法、魯棒控制方法等
狀態空間方法屬于時域方法，其核心是最優化技術。它以狀態空間描述（實質上是一階微分或差分方程組）作為數學模型，適應于多變量、非線性、時變系統
大系統控制理論階段
20世紀70年代，隨著控制理論應用范圍的擴大，人們開始了對大系統理論的研究。 大系統理論是過程控制與信息處理相結合的綜合自動化理論基礎，是動態的系統工程理論，具有規模龐大、結構復雜、功能綜合、目標多樣、因素眾多等特點。 它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統。 大系統理論目前仍處于發展和開創性階段。智能控制階段
依據人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復雜的控制問題。- 被控對象的復雜性體現為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執行器，動態突變，多時間標度，復雜的信息模式，龐大的數據量，以及嚴格的特性指標等。
- 環境的復雜性則表現為變化的不確定性和難以辨識。
- 試圖用傳統的控制理論和方法去解決復雜的對象，復雜的環境和復雜的任務是不可能的。
- 智能控制的方法包括模糊控制，神經元網絡控制，專家控制等方法。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的通俗易懂的自动控制原理 # 绪论的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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