李修辞扬州大学

自动控制原理浅探浅谈

李修辞
扬州大学

如今，自动控制技术已广泛应用于军事、工业、农业、商业、医疗、交通运输、乃至航空航天等众多领域，极大地提高了劳动生产率，同时也便利了人们的生活。采用自动控制技术可以解放劳动力，同时可以让人们脱离恶劣的工作环境。我们身边的自动化设备无处不在，如自动化电气设备、自动化医疗设备等。自动控制技术的逐步发展，推动了更大规模的自动化，例如各企业综合自动化系统、国家电网调度系统、城市交通系统等等。

一、自动控制原理基本概念

1、自动控制原理的发展可以分成四个阶段：第一阶段：经典控制理论的产生；第二阶段：现代控制理论的成熟；第三阶段：大系统控制的兴起；第四阶段：智能控制的发展。

2、自动控制中最基本的是反馈控制系统，它由六个元件组成：

（1）测量元件，（2）给定元件，（3）比较元件，（4）放大元件，（5）执行元件，（6）校正元件。

3、自动控制系统基本控制方式：（1）反馈控制方式，（2）开环控制方式，（3）复合控制方式。

4、自动控制原理基本控制规律：控制器采用比例（P）、微分（D）、积分（I）这三种基本控制规律，或者是采用这几种基本控制规律的组合，例如比例-微分（PD）控制规律、比例-积分（PI）控制规律、比例-积分-微分（PID控制规律）。

5、校正方法。为使系统能够按照既定的要求平稳运行，除去合理的设计，还需进行校正，以使得系统达到初定的性能指标。控制系统的校正方式可分为四种，分别为前馈校正、反馈校正、串联校正和复合校正。

6、自动控制校正设计方法小结：（1）设计校正装置，使系统满足上述性能指标；（2）画出系统在校正前后的博德图；（3）用Matlab语言画出上述每种情况的阶跃相应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能指标；（4）校正前进行系统的时域、频域性能分析。

二、非线性系统

现在的工业生产对自动控制的精准性要求越来越高。控制系统的复杂性，使得不确定因素增多。自动控制原理有待进一步发展，以弥补各理论分支的缺点与不足，来满足更高的控制性能指标。现有的自动控制原理在线性系统控制中效果良好，但对离散、非线性复杂系统方面差强人意。实际的工业生产过程相当复杂，通常具有非线性、分布参数和时变等特性。因此自动控制原理在非线性系统方面具有十分重要的研究与发展意义。

1、非线性控制系统概述

在自动控制中比较简单且易分析的是线性系统（所谓线性系统指的是线性常系数微分方程所描述的系统）。但在实际应用中，完全线性的系统几乎不存在，因为组成控制系统的元件大都都存在着不同程度的非线性。但只要系统不包含有特殊本质的非线性元件，并且传输的信号也不太大，那么根据线性系统分析法所得到的结果也同样适用于该类系统。

（1）非线性系统的特征：①稳定性分析复杂；②可能存在自激振荡现象；③频率响应发生畸变。

（2）非线性系统的分析与设计方法：①相平面法：利用直角平面坐标上的表征变量和变化速率之间的关系轨迹进行研究。②描述函数法：从频率域的角度对非线性控制系统的稳定性进行研究。③逆系统法：逆系统方法基于动态系统可逆性质设计非线性系统控制器的一般理论方法。由被控系统方程出发，首先设计出被控对象的n阶积分逆系统方程，将它作为控制律对系统实行非线性反馈控制，以此设计出具有线性传递关系的伪线性系统，再用线性系统理论来完成控制系统设计。

三、离散系统

如果控制系统中的所有信号都是时间变量的连续函数，这样的系统则称为连续系统；如果控制系统中有一处或几处信号是一串脉冲或数码，即这些信号仅定义在离散时间上，这样的系统则称为离散系统。一般情况下，我们把脉冲序列形式的离散系统称为采样控制系统，把数字序列形式的离散系统称为数字控制系统。

线性离散系统的设计方法，主要有模拟化和离散化这两种设计。离散设计方法又称为直接数字设计法，把控制系统按离散化进行分析，求出系统的脉冲传递函数，然后按离散系统理论设计数字控制器。由于直接数字设计方法比较简便，可以实现比较复杂的控制规律，因此更具有一般性。模拟化设计方法，把控制系统按模拟化进行分析，求出数字部分的等效连续环节，然后按连续系统理论设计校正装置，再讲该校正装置数字化。

四、控制系统仿真研究的重要工具——Matlab语言系统

自动控制领域的科研工作者不仅仅满足于控制系统的一种仿真技术，因此设计开发控制系统计算机辅助设计的先进方法，使控制系统的仿真和设计都更为简单便捷。

当今，专家们已经开发出多种自动控制系统的计算机辅助设计方法，但Matlab语言是当前最为流行的一种。

诚然，控制系统的仿真研究也有它的不足，也就是要绝对依赖于控制系统的数学模型，不能出现偏差。如果数学模型的描述不够准确或不够详尽，控制系统的仿真结果就会出现误差或者错误。这种情况在控制系统的设计中一般通过两种方法来克服，一是严谨地构造数学模型，也就是说即使不够准确的数学模型也比不够全面的数学模型要好。二是在系统设计最后的的系统调试阶段，以此来最后确定仿真结果的正确性。

下面是Matlab语言仿真出的响应图形：

五、总结

如今的大趋势是大力发展自动控制技术，自动控制技术有利于提升行业整体素质，有利于加快传统产业革新，有利于调整工业结构以此为大中型企业注入新鲜血液，还有利于增强综合国力。

当代社会，经济飞速发展，科技不停推陈出新，自动控制技术已然是推进各个产业发展的主导力量。自动控制技术的水平可以说能够反映国出一个家科技水平。所以，我们要继续大力推进自动控制技术的发展和应用。目前，自动控制正向智能化控制发展深入。在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着中流砥柱的作用。

[1]胡寿松主编.《自动控制原理（第六版）》.科学出版社.

[2]《自动控制原理实验教程》西安唐都科教仪器公司.

[3]孙亮主编.《MATLAB语言与控制系统仿真》.北京工业大学出版社.