李修辭揚(yáng)州大學(xué)

自動(dòng)控制原理淺探淺談

李修辭
揚(yáng)州大學(xué)

如今，自動(dòng)控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療、交通運(yùn)輸、乃至航空航天等眾多領(lǐng)域，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)也便利了人們的生活。采用自動(dòng)控制技術(shù)可以解放勞動(dòng)力，同時(shí)可以讓人們脫離惡劣的工作環(huán)境。我們身邊的自動(dòng)化設(shè)備無(wú)處不在，如自動(dòng)化電氣設(shè)備、自動(dòng)化醫(yī)療設(shè)備等。自動(dòng)控制技術(shù)的逐步發(fā)展，推動(dòng)了更大規(guī)模的自動(dòng)化，例如各企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、國(guó)家電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)、城市交通系統(tǒng)等等。

一、自動(dòng)控制原理基本概念

1、自動(dòng)控制原理的發(fā)展可以分成四個(gè)階段：第一階段：經(jīng)典控制理論的產(chǎn)生；第二階段：現(xiàn)代控制理論的成熟；第三階段：大系統(tǒng)控制的興起；第四階段：智能控制的發(fā)展。

2、自動(dòng)控制中最基本的是反饋控制系統(tǒng)，它由六個(gè)元件組成：

（1）測(cè)量元件，（2）給定元件，（3）比較元件，（4）放大元件，（5）執(zhí)行元件，（6）校正元件。

3、自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式：（1）反饋控制方式，（2）開(kāi)環(huán)控制方式，（3）復(fù)合控制方式。

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

5、校正方法。為使系統(tǒng)能夠按照既定的要求平穩(wěn)運(yùn)行，除去合理的設(shè)計(jì)，還需進(jìn)行校正，以使得系統(tǒng)達(dá)到初定的性能指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的校正方式可分為四種，分別為前饋校正、反饋校正、串聯(lián)校正和復(fù)合校正。

6、自動(dòng)控制校正設(shè)計(jì)方法小結(jié)：（1）設(shè)計(jì)校正裝置，使系統(tǒng)滿足上述性能指標(biāo)；（2）畫(huà)出系統(tǒng)在校正前后的博德圖；（3）用Matlab語(yǔ)言畫(huà)出上述每種情況的階躍相應(yīng)曲線，并根據(jù)曲線分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)；（4）校正前進(jìn)行系統(tǒng)的時(shí)域、頻域性能分析。

二、非線性系統(tǒng)

現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)對(duì)自動(dòng)控制的精準(zhǔn)性要求越來(lái)越高。控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得不確定因素增多。自動(dòng)控制原理有待進(jìn)一步發(fā)展，以彌補(bǔ)各理論分支的缺點(diǎn)與不足，來(lái)滿足更高的控制性能指標(biāo)。現(xiàn)有的自動(dòng)控制原理在線性系統(tǒng)控制中效果良好，但對(duì)離散、非線性復(fù)雜系統(tǒng)方面差強(qiáng)人意。實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，通常具有非線性、分布參數(shù)和時(shí)變等特性。因此自動(dòng)控制原理在非線性系統(tǒng)方面具有十分重要的研究與發(fā)展意義。

1、非線性控制系統(tǒng)概述

在自動(dòng)控制中比較簡(jiǎn)單且易分析的是線性系統(tǒng)（所謂線性系統(tǒng)指的是線性常系數(shù)微分方程所描述的系統(tǒng)）。但在實(shí)際應(yīng)用中，完全線性的系統(tǒng)幾乎不存在，因?yàn)榻M成控制系統(tǒng)的元件大都都存在著不同程度的非線性。但只要系統(tǒng)不包含有特殊本質(zhì)的非線性元件，并且傳輸?shù)男盘?hào)也不太大，那么根據(jù)線性系統(tǒng)分析法所得到的結(jié)果也同樣適用于該類(lèi)系統(tǒng)。

（1）非線性系統(tǒng)的特征：①穩(wěn)定性分析復(fù)雜；②可能存在自激振蕩現(xiàn)象；③頻率響應(yīng)發(fā)生畸變。

（2）非線性系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法：①相平面法：利用直角平面坐標(biāo)上的表征變量和變化速率之間的關(guān)系軌跡進(jìn)行研究。②描述函數(shù)法：從頻率域的角度對(duì)非線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。③逆系統(tǒng)法：逆系統(tǒng)方法基于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可逆性質(zhì)設(shè)計(jì)非線性系統(tǒng)控制器的一般理論方法。由被控系統(tǒng)方程出發(fā)，首先設(shè)計(jì)出被控對(duì)象的n階積分逆系統(tǒng)方程，將它作為控制律對(duì)系統(tǒng)實(shí)行非線性反饋控制，以此設(shè)計(jì)出具有線性傳遞關(guān)系的偽線性系統(tǒng)，再用線性系統(tǒng)理論來(lái)完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

三、離散系統(tǒng)

如果控制系統(tǒng)中的所有信號(hào)都是時(shí)間變量的連續(xù)函數(shù)，這樣的系統(tǒng)則稱(chēng)為連續(xù)系統(tǒng)；如果控制系統(tǒng)中有一處或幾處信號(hào)是一串脈沖或數(shù)碼，即這些信號(hào)僅定義在離散時(shí)間上，這樣的系統(tǒng)則稱(chēng)為離散系統(tǒng)。一般情況下，我們把脈沖序列形式的離散系統(tǒng)稱(chēng)為采樣控制系統(tǒng)，把數(shù)字序列形式的離散系統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)字控制系統(tǒng)。

線性離散系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，主要有模擬化和離散化這兩種設(shè)計(jì)。離散設(shè)計(jì)方法又稱(chēng)為直接數(shù)字設(shè)計(jì)法，把控制系統(tǒng)按離散化進(jìn)行分析，求出系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)，然后按離散系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)數(shù)字控制器。由于直接數(shù)字設(shè)計(jì)方法比較簡(jiǎn)便，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制規(guī)律，因此更具有一般性。模擬化設(shè)計(jì)方法，把控制系統(tǒng)按模擬化進(jìn)行分析，求出數(shù)字部分的等效連續(xù)環(huán)節(jié)，然后按連續(xù)系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)校正裝置，再講該校正裝置數(shù)字化。

四、控制系統(tǒng)仿真研究的重要工具——Matlab語(yǔ)言系統(tǒng)

自動(dòng)控制領(lǐng)域的科研工作者不僅僅滿足于控制系統(tǒng)的一種仿真技術(shù)，因此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的先進(jìn)方法，使控制系統(tǒng)的仿真和設(shè)計(jì)都更為簡(jiǎn)單便捷。

當(dāng)今，專(zhuān)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種自動(dòng)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，但Matlab語(yǔ)言是當(dāng)前最為流行的一種。

誠(chéng)然，控制系統(tǒng)的仿真研究也有它的不足，也就是要絕對(duì)依賴(lài)于控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，不能出現(xiàn)偏差。如果數(shù)學(xué)模型的描述不夠準(zhǔn)確或不夠詳盡，控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)誤差或者錯(cuò)誤。這種情況在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中一般通過(guò)兩種方法來(lái)克服，一是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貥?gòu)造數(shù)學(xué)模型，也就是說(shuō)即使不夠準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型也比不夠全面的數(shù)學(xué)模型要好。二是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)最后的的系統(tǒng)調(diào)試階段，以此來(lái)最后確定仿真結(jié)果的正確性。

下面是Matlab語(yǔ)言仿真出的響應(yīng)圖形：

五、總結(jié)

如今的大趨勢(shì)是大力發(fā)展自動(dòng)控制技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)有利于提升行業(yè)整體素質(zhì)，有利于加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)革新，有利于調(diào)整工業(yè)結(jié)構(gòu)以此為大中型企業(yè)注入新鮮血液，還有利于增強(qiáng)綜合國(guó)力。

當(dāng)代社會(huì)，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，科技不停推陳出新，自動(dòng)控制技術(shù)已然是推進(jìn)各個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)力量。自動(dòng)控制技術(shù)的水平可以說(shuō)能夠反映國(guó)出一個(gè)家科技水平。所以，我們要繼續(xù)大力推進(jìn)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。目前，自動(dòng)控制正向智能化控制發(fā)展深入。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)起著中流砥柱的作用。

[1]胡壽松主編.《自動(dòng)控制原理（第六版）》.科學(xué)出版社.

[2]《自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教程》西安唐都科教儀器公司.

[3]孫亮主編.《MATLAB語(yǔ)言與控制系統(tǒng)仿真》.北京工業(yè)大學(xué)出版社.