自动控制理论基本概述

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与 知识创新
自动控制理论基本概述
□ 武庆东 孙志辉
河南・新乡 453003） （河南科技学院新科学院 摘
要：前半部分系统的分析了自动控制理论的发展历程： 即经典控制理论时期、 现代控制理论时期、 大系统理 智能控制 闭环控制 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2011）001-087-02
当铜失去两个电子时， 就生成了自由基。
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(t)和 c(t)来表示。 控制系统只要存在一处的信号脉冲序列或数码时，该 系统即为离散系统，这种系统的状态和性能一般用差分方 程来描述。实际物理系统中，信息的表现形式为离散信号 的并不多见，往往是由于控制上的需要而将连续系统离散 化，即所谓的采样过程。采样过程通常是通过采样开关把 连续的模拟量变为脉冲序列，这样的系统一般又成为采样 控制系统。 图 2 闭环控制系统 3 自动控制系统的基本要求 为实现自动控制，必须对控制系统提出一定的要求。对 于一个闭环控制系统而言， 当输入量和扰动量均不变时， 系统 输出量也恒定不变， 这种状态称为平衡态或静态、 稳态。通常 系统在稳态时的输出量是我们所关心的，当输入量或扰动量 发生变化时， 反馈量将与输入量产生偏差， 通过控制器的作用， 从而使输出量最终稳定，即达到一个新的平衡状态。但由于 系统中各环节总存在惯性，系统从一个平衡点到另一个平衡 点无法瞬间完成， 即存在一个过渡过程， 该过程称为动态过程 或暂态过程。根据系统稳态输出和暂态过程的特性，对闭环 控制系统的基本要求可以总结为三个方面： 稳定性： 准确性、 快速性。 3.1 稳定性 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件， 是控制系统 的重要特征。 所谓的稳定性是指控制系统偏离平衡状态后， 自 动恢复到平衡状态的能力。 在扰动信号的干扰、 系统内部参数 发生变化和环境条件改变的情况下， 系统状态偏离了平衡状态。 如果在随后所有时间内， 系统的输出响应能够最终回到原先的 平衡状态， 则系统是稳定的； 反之， 如果系统的输出响应逐渐增 加趋于无穷， 或者进入振荡状态， 则系统是不稳定的。 3.2 准确性 准确性就是要求被控量和设定值之间的误差达到所要求 的精度范围。准确性反映了系统的稳定性，通常控制系统的 稳态精度可以用稳态误差来表示。根据输入点的不同，一般 可以分为参考输入稳态误差和扰动输入稳态误差。对于随动 系统或其他有控制轨迹要求的系统， 还应当考虑动态误差。 误 差越小， 控制精度或准确性越高。 3.3 快速性 为了很好的完成控制任务，控制系统不仅要稳定并具有 较高的精度， 还必须对过渡过程的形式和快慢提出要求， 这个 要求一般称为系统的动态性能。通常情况下，当系统由一个 平衡态过渡到另一个平衡态时都希望过渡过程既快速又平稳。 因此， 在控制系统设计时， 对控制系统的过渡过程时间 （即快 速性） 和最大振荡幅度 （即超调量） 都有一定的要求。 参考文献： [1] 李明富.自动控制原理[M].北京： 人民邮电出版社， 2008. [2] 王划一.自动控制原理[M].北京： 国防工业出版社， 2001. [3] 马植衡.现代控制理论入门[M].北京： 国防工业出版社， 1982.
闭环控制系统指的是系统输出量对控制作用有直接影响 的一类控制系统。在闭环控制系统中，需要对系统输出不断 地进行测量、变换并反馈到系统的控制端与参考输入信号进 行比较， 产生偏差信号， 实现按差别控制。因此闭环控制又成 为反馈控制， 其控制结构如图 2 所示。
2.2 线性控制系统和非线性控制系统 照系统是否满足叠加原理，系统可分为线性系统和非线 性系统两类。 在线性控制系统中，组成控制系统的元件都具有线性特 征。这种系统的输入/输出关系一般可以用微分方程、 差分方 程或传递函数等来描述， 也可以用状态空间表达式来表示。 线 性系统的主要特点是具有齐次性和适用叠加原理。如果线性 系统中的参数不随时间变化， 则称为线性定常系统； 否则称为 线性时变系统。 在控制系统中， 若至少有一个元件具有非线性特征， 则称 该系统为非线性控制系统， 非线性系统一般不具有齐次性， 也 不适用叠加原理，而且它的输出响应和稳定性与输入信号和 初始状态有很大关系，同时非线性系统也有时变系统和定常 系统之分。 2.3 定值控制系统、 伺服系统和程序控制系统 按照输入信号分类， 控制系统可分为定值控制系统、 伺服 系统和程序控制系统。 定值控制系统的输入信号时恒值，要求被控变量保持想 对应的数值不变。室温控制系统、 直流电机转速控制系统、 发 电厂的电压频率控制系统、高精度稳压电源装置中的电压控 制系统等都是典型的定值控制系统。 伺服系统的输入信号时变化规律未知的任意时间函数， 系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并与输入信号的 误差保持在规定的范围内。导弹发射架控制系统、雷达天线 控制系统等都是典型的伺服控制系统。当被控量为位置或角 度时， 伺服系统又称为随动系统。 程序控制系统中的输入信号是按已 知的规律 （事先规 定的程序）变化的， 要求 被控变量也按相应 的规律跟输入 信号变化， 误差不超过规定 值。热处理炉的温 控系统、 机 床 的数 控 加 工系 统 和 仿形 控 制 系统 都 是 典型 的 程 序控 制 系统。 2.4 连续控制系统和离散控制系统 按照系统信号形式分类，控制系统可分为连续控制系统 和离散控制系统。 连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号 都是时间的连续函数，这类系统的运动状态是用微分方程来 描述的。 连续系统中各元件传输的信息在工程上成为模拟量， 多数实际物理系统都属于这一类， 其输入和输出一般分别用 r
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题， 系统既可以是线性的、 定常的， 也可以是非线性的、 时变的。 这一时期的主要代表是庞特里亚金发表的极大值原理、贝尔 曼提出的动态规划原则、科尔曼和布西发表的关于线性滤波 器和估计器的论文。 1.3 大系统理论、 智能控制理论时期 时间为 20 世纪 70 年代末至今， 控制理论向着 “大系统理 论” “智能控制” 和 方向发展。前者是控制理论在广度上的开 拓， 后者是控制理论在深度上的挖掘。 “大系统理论”是用控 制和信息的观点， 研究各种大系统的结构方案、 总体设计中的 分解方法和协调等问题的技术理论基础。而 “智能控制” 是研 究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研 究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。 2 自动控制系统分类 2.1 开环控制和闭环控制 按照控制方式和策略，系统可分为开环控制系统和闭环 控制系统。 开环控制系统是一种简单的控制系统，在控制器和控制 对象间只有正向控制作用，系统的输出量不会对控制器产生 任何影响， 如图 1 所示。的工作状态和输出量， 系统的精度仅取 决于元件的精度和执行机构的调整精度。
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图 1 开环控制系统 3 避免停工检修期间反应器物料粘度增大的的防范措施 为避免在停工检修期间再次发生反应器卸料液粘度增大 的现象， 提出以下几点建议： （1） 过去停工期间， 反应液丙烯腈纯度 8—10 wt%） 建议 （ ， 下次停工， 提高反应液丙烯腈纯度 12—15 wt%） （ 。 （2） 修改停工前反应器补加丙烯腈的方法。 为避免停工卸 料时 N-313A/B 内丙烯腈含量不均衡， 在停工前应分别向三台 反应器补加丙烯腈，而不是单独向反应器 R-311 补加丙烯腈， 因为正常生产时三台反应器内丙烯腈含量是递减的 （R-311 内 丙烯腈含量最高） 三台反应器补加丙烯腈的量可以根据停工 。 前反应液检测分析的丙烯腈浓度来确定。
论及智能控制理论时期， 后半部分主要对自动控制系统分类和基本要求进行阐述。 关键词：自动控制 中图分类号： TP2 1 自动控制理论的发展及技术应用 所谓的自动控制， 就是指在没有人直接参与的情况下， 利 用外加的设备 （成为控制器） 操作被控对象 （如机器、 设备或生 产过程） 的某个状态或参数 （称为被控量） 使其按预先设定的 ， 规律自动运行。 例如， 化工生产合成氨反应塔内的温度和压力 能够自动维持恒定温度不变； 雷达跟踪和指挥仪所组成的防控 系统能使火炮自动地瞄准目标； 无人驾驶飞机能按预定轨道自 动飞行； 人造地球卫星能够发射到预定轨道并能准确回收等。 伴随着社会生产力的发展，控制技术也在不断地发展和 革新，尤其是计算机的更新换代更是推动了控制理论不断地 向前发展。一般情况下自动控制理论的发展过程可以分为以 下三个阶段： 1.1 经典控制理论时期 时间为 20 世纪 40~60 年代， 经典控制理论主要是解决单 输入单输出问题， 主要采用以传递函数、 频率特性、 根轨迹为 基础的频域分析方法。此阶段所研究的系统大多是线性定常 系统， 对非线性系统， 分析时采用的相平面法一般不超过两个 变量。这一时期的主要代表是伯德提出的伯德图法和伊文思 的根轨迹法。 1.2 现代控制理论时期 时间为 20 世纪 60~70 年代， 这个时期由于计算机的飞速 发展，推动了空间技术的发展。经典控制理论中的高阶常微 分方程可以转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过 程， 即所谓的状态空间法， 这种方法可以解决多输入多输出问 铜 在 元 素 周 期 表 中 是 29 号 元 素，核 外 电 子 排 布 为： 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 加热 2CU+O2 → 2 ・ CUO N-313B 中自由基引发丙烯酰胺均聚产生聚丙烯酰胺， 方 程式如下：