自動控制原理論文

1、中南民族大學(xué)自動控制原理與系統(tǒng)論文題目自動控制原理的發(fā)展概況及原理學(xué)院機電工程學(xué)院專業(yè)電氣自動化 班級 3 班姓名王鵬龍 學(xué)號 100101314任課g左教師張頊2012 年 5 月焦作大學(xué)2010 2011學(xué)年第1學(xué)期課程作業(yè)題課程名稱： 自動化(專業(yè))概論作業(yè)類型：科技論文考查形式：開卷筆試適用范圍：計算機科學(xué)學(xué)院2010年級 自動化專業(yè) 本科姓名 王鵬龍 學(xué)號 100101314 總分 評卷通過本課程的學(xué)習(xí)，結(jié)合自動化專業(yè)人才培養(yǎng)方案 (2009版)，寫一篇關(guān) 于自動化專業(yè)某一課程的文章，要求：1 .從培養(yǎng)方案的“學(xué)科基礎(chǔ)課程”或“專業(yè)課程”中選擇一門課程；2 .你認為該課程最符合自己將

2、來的研究或工作方向；3 .總結(jié)該課程內(nèi)容的歷史淵源及未來發(fā)展趨勢；4 .歸納該課程所講述的內(nèi)容，總結(jié)最主要的思想；5 .嘗試分析該課程內(nèi)容的基礎(chǔ)和實質(zhì)；6 .嘗試分析該課程的應(yīng)用及其應(yīng)用領(lǐng)域。說明：(1)此為本課程考查的課后作業(yè)，占總成績70%(2)自擬文章標(biāo)題；內(nèi)容原創(chuàng)、真實；需要廣泛收集并閱讀材料；(3)科技論文形式；不少于 5000字；格式參見“論文格式及寫作指南”；(4)裝訂成冊，并將本頁裝訂在論文首頁；(5)第16周周五17:00前，各小班收齊后統(tǒng)一交到 9404。評語：自動控制原理的發(fā)展概況及前景姓名：王鵬龍班級：電氣3 班摘 要 ：論述了自動控制原理從無到有、各個發(fā)展時期的特點；

3、指出了自動控 制原理今后的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞 ：自動控制原理、自動化、負反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng) 引言 :在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用。自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置(稱控制裝置或控制器) ，使機器，設(shè)備或生產(chǎn)過程(統(tǒng)稱被控對象)的某個工作狀態(tài)或參數(shù)(即被控制量)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。1. 自動控制簡史( History of Automatic Control )： 公元前 300 年左右， 李冰設(shè)計和建造的都江堰水利工程，運用了反饋原理：公元前300年至公元前1年，古希臘出現(xiàn)的浮球調(diào)節(jié)裝置。大約公元250 年， Philong 發(fā)明的油燈，

4、其中用浮球調(diào)節(jié)裝置來保持燃油的油面高度。：近代歐洲最早發(fā)明的反饋系統(tǒng)是荷蘭人Cornelis Drebbel(1572-1633)發(fā)明的溫度調(diào)節(jié)器Dennis Papin(1647-1712) 在 1681 年發(fā)明了鍋爐壓力調(diào)節(jié)器。：1769 年，為了解決工業(yè)生產(chǎn)中蒸汽機的速度控制問題，J. Watt( 瓦特 ,1736-1819) 發(fā)明了蒸汽機。他在蒸汽機上安裝了一個飛球，構(gòu)成蒸汽機調(diào)速器 ： J. C. Maxwell(1831-1879) ， 1868年發(fā)表的文章：On Governors, 首先全面地論述了反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，建立了調(diào)速器的微分方程，在平衡點附近線性化后， 獲得了代數(shù)特征

5、方程，并以該方程的根作為判斷穩(wěn)定性的依據(jù)，他解決了二階、三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨后，劍橋大學(xué)的E. J. Routh 與瑞典的Hurwitz解決了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷： A. Lyapunov(1857-1918) ，數(shù)學(xué)家，在他的博士論文中，Lyapunov 系統(tǒng)地研究了由微分方程描述的一般運動系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，建立了著名的Lyapunov 方法.：M. Minorsky,美國工程師，在1 9 2 2年首先提出了 P I D控制方法，成功地將其應(yīng)用于美國海軍軍艦 New Mexico的控制問題.H. S. Black , AT&T 貝爾實驗室的研究員, 于 1927年發(fā)明了負反饋方法與電

6、子放大器, 其工作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)和通信系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ).：在美國的MIT、Bell實驗室的一批科學(xué)家工程師，例如 N. Wiener、V.Bush、H. Nyquist、H.W. Bode、N.B. Nichols 、C. Shannon、H. Hanzen 等 為首的科學(xué)家設(shè)計了一系列的自動控制裝置和系統(tǒng)在第二次世界大戰(zhàn)中，因為飛機自動駕駛儀、火炮位置跟蹤系統(tǒng)、雷達大 線跟蹤系統(tǒng)以及其它的軍事方面的應(yīng)用，反饋控制變成一種重要的方法。在 20 世紀40年代之前，這些系統(tǒng)的設(shè)計和制造主要依賴于實驗“試湊法”。：40年代期間，數(shù)學(xué)解析與數(shù)值方法引進到控制系統(tǒng)分析與設(shè)計。這時， 控制工程才成為一門真正

7、的工程學(xué)科。(11): 1948 年，N. Wiener(維納)的著作：Cybernetics or control and Communication in the Animal and the Machine控制論的發(fā)表，開創(chuàng)了 “控 制論”這樣一門新學(xué)科.其目的是研究一個系統(tǒng)的各個不同部分之間的相互作用 的定性性質(zhì)以及整個系統(tǒng)的運動狀態(tài).(12)： 1954年，錢學(xué)森出版了第一部系統(tǒng)地關(guān)于工程系統(tǒng)控制的著作： Engineering Cybernetics (工程控制論)，1980年錢學(xué)森與宋健等人完成了工 程控制論中文修訂版。：20世紀60年代，R.E. Kalman,線性系統(tǒng)的可控性

8、、可觀性、濾波器 理論以及代數(shù)結(jié)構(gòu)等方面的貢獻，成為現(xiàn)代控制理論的主要奠基人之一。L.S Pontryagin, 創(chuàng)立了 Pontryagin 極大值原理；R. Bellman ,創(chuàng)立了 Bellman動態(tài)規(guī)劃。他們的工作為最優(yōu)控制奠定了基礎(chǔ)。20世紀70年代-80年代，K.J. Astrom 等為代表的系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制 理論與方法方面的工作；G. Zames,非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、魯棒控制等；L. Zadeh,早期從事系統(tǒng)與控制理論的研究，60年代初創(chuàng)立了模糊集理論和 模糊控制；G. Devol 和 J. Engeberger,1959年創(chuàng)立了首家機器人公司( UnimationInc

9、.),推出了首臺工業(yè)機器人PUMA2 .自動控制原理的發(fā)展自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。 它的發(fā)展初期，是以反饋理 論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理 反饋(feedback)：將輸出量通過一定的方式送回到輸入端， 并與 輸入信號比較產(chǎn)生偏差信號過程稱為反饋：負反饋(negative feedback)：輸入信號-反饋信號(或輸出信號)使得系統(tǒng)的 輸出偏差減小。正反饋(positive feedback)：輸入信號+反饋信號反饋控制(feedback control)、 閉環(huán)控制(closed-100po其主要用于工業(yè)控制，二戰(zhàn)期間為了設(shè)計和制造飛機及船用自動駕駛儀，火炮定位系統(tǒng)，雷達跟蹤

10、系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用設(shè)備，進一步促進并完善了自動控制理論的發(fā)展。到戰(zhàn)后，以形成完整的自動控制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出，線形定常數(shù)系統(tǒng)的分 析和設(shè)計問題。自動控制理論是自動控制科學(xué)的核心。自動控制理論自至今已經(jīng)過了三代的發(fā)展：第一代為20世紀初開始形成并于50年代在線性代數(shù)的數(shù)學(xué)甚而上發(fā)展起來的現(xiàn)代控制理論； 第三代為60年代 中期即已萌芽，在發(fā)展過程中綜合了人工智能、自動控制、運籌學(xué)、信息論等多 學(xué)科的最新成果并在此基礎(chǔ)上形成的智能控制理論。20世紀60年代初期，隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)新成果的推出和電子計算機的應(yīng)用，為適應(yīng)宇航技術(shù)的發(fā)展，自動

11、控制理論跨入了一個新階段一一現(xiàn)代控制理論。他主要研究具有高性能，高精度 的多變量變參數(shù)的最優(yōu)控制問題，主要采用的方法是以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間 法。目前，自動控制理論還在繼續(xù)發(fā)展，正向以控制論，信息論，仿生學(xué)為基礎(chǔ) 的智能控制理論深入。其運用自動控制系統(tǒng)示例有：函數(shù)記錄儀、飛機 -自動駕 駛儀系統(tǒng)、電阻爐微機溫度控制系統(tǒng)、飛行模擬器的視景系統(tǒng)等等高科技領(lǐng)域。從世界誕生第一臺計算機開始，我們這個時代就將走進一個自動化的的時 代，其實隨著人類的出現(xiàn)，“自動”這個代名詞就與我們接下了不解之緣，我們 大家都知道遠古時期，古人就發(fā)明的水車，通過水流使水車轉(zhuǎn)動，從而將水排入 水田中，從而節(jié)約的不少人力物力，

12、使生產(chǎn)效率大大提高。還有古代戰(zhàn)亂時期人 們發(fā)明的弩車、吊橋等等都或多或少的運用了自動控制原理。 在現(xiàn)在意義上的自 動控制真正源于瓦特發(fā)明蒸汽機開始。他改進的蒸汽機由鍋爐與汽缸、活塞十連桿機構(gòu)、配汽機構(gòu)等構(gòu)成，燃料加熱鍋爐（燃料在汽缸外燃燒，叫“外燃機”），將水燒開，產(chǎn)生蒸汽，蒸汽通過配汽機構(gòu)進入汽缸，推動活塞做往復(fù)運，這無不 是自動控制原理最經(jīng)典案例，隨著計算機的出現(xiàn)與發(fā)展，自動控制原理已與計算 機緊緊相依，自動控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于人類社會的各個領(lǐng)域。在現(xiàn)代，自動控制已經(jīng)無所不在了，幾乎所有領(lǐng)域都已經(jīng)涵蓋了這一技術(shù)：在工業(yè)方面，對于冶金、化工、機械制造等生產(chǎn)過程中遇到的各種物 理量，包括溫度

13、、流量、壓力、厚度、張力、速度、位置、頻率、相位等， 都有相應(yīng)的控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上通過采用數(shù)字計算機還建立起了控制性 能更好和自動化程度更高的數(shù)字控制系統(tǒng)，以及具有控制與管理雙重功能 的自動控制系統(tǒng)。在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用包括水位自動控制系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)機械的 自動操作系統(tǒng)等。在軍事技術(shù)方面，自動控制的應(yīng)用實例有各種類型的伺服系統(tǒng)、火力 控制系統(tǒng)、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)等。在航天、航空和航海方面，除了各種形式 的控制系統(tǒng)外，應(yīng)用的領(lǐng)域還包括導(dǎo)航系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)和各種仿真器。止匕外，在辦公室自動化、圖書管理、交通 管 理乃至日常家務(wù)方面，自動控制技術(shù)也都有著實際的應(yīng)用。隨著控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展，自 動控制系統(tǒng)的

14、應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴大，幾乎涉及生物、醫(yī)學(xué)、生態(tài)、經(jīng)濟、 社會等所有領(lǐng)域。就比如說我們身邊的案例，就養(yǎng)豬業(yè)而言，現(xiàn)代養(yǎng)豬業(yè)已基本運用了自動 控制技術(shù)，比如說自動飲水器、機械送料裝置、刮糞機、金屬圍欄等等，隨著我 國改革開放的不斷深入，1980年廣東率先在中外合資的深圳光明農(nóng)場引進美國三德畜牧設(shè)備公司的8條現(xiàn)代化萬頭養(yǎng)豬生產(chǎn)線成套設(shè)備，該成套設(shè)備屬當(dāng)時世 界先進水平，機械化、自動化水平較高，一條萬頭生產(chǎn)線只要飼養(yǎng)員 8人，它的 引進讓我國畜牧機械界人士大開眼界，耳目一新。該成套設(shè)備主要有以下特點：（1）全封閉全空調(diào)的豬舍。生產(chǎn)線的配種、懷孕、分娩和保育豬舍都是采用 全封閉全空調(diào)，豬舍主體采用耐腐蝕

15、的鋁合金材料，四周有良好的隔熱保溫結(jié) 構(gòu).保溫降溫和空氣調(diào)節(jié)設(shè)備主要有電熱水地板保暖系統(tǒng)、濕簾降溫系統(tǒng)、排風(fēng)降溫換氣裝置和自動卷簾裝置等。（2）適合各種豬群生育的各種全金屬圍欄（包括漏縫地板）主要有：母豬單體限 位欄、公豬欄、分娩欄、保育欄、生長欄和育成欄，操作管理非常方便。母豬單 體限位欄、公豬欄、分娩欄都是用鋁合金材料制作，不易腐蝕，可靠耐用。（3）自動飲水及自動送料系統(tǒng)。各棟豬舍都安裝了自動飲水和自動送料系統(tǒng)， 豬只隨時可以喝到新鮮干凈的水， 飼料廠加工好的飼料，通過散裝飼料車運送到 豬舍外的飼料塔，再通過攪龍由飼料塔送到各種食箱，供豬只采食。送料、喂料 占豬場勞動量的50%左右，所以自

16、動送料系統(tǒng)不僅可以讓豬只隨時可以吃到新 鮮飼料，減少飼料的浪費和污染，對提高勞動生產(chǎn)率也是至關(guān)重要的。（4）自動沖洗和高壓清洗裝置。大部分圍欄內(nèi)都采用半漏縫或全漏縫地板結(jié) 構(gòu)。豬糞、尿通過地板縫隙落入糞溝，所有糞溝都安裝有自動沖洗裝置，以保持 豬舍環(huán)境衛(wèi)生。各棟豬舍配有高壓清洗機（壓力高達2. 5肝a）,效率高，并節(jié)約 用水止匕外，還有各種運輸車輛、檢測設(shè)備和生產(chǎn)工具。總之現(xiàn)代社會自動控制原 理已經(jīng)得到了廣泛，另外在采礦、電力技術(shù)等等都已經(jīng)運用，在一些水力發(fā)電站， 由于地處偏遠給管理帶來諸多不便， 運用了自動控制原理，我們只要通過計算機 通過遠程控制發(fā)電站的運行，給人們帶來方便，特別是在高科技

17、領(lǐng)域運用更為廣 泛，像航空航天領(lǐng)域，火箭的定位等等，比如我們中國的神舟號載人飛船已經(jīng)令 世界矚目，在飛船的加速、變軌等等方面我們?nèi)肆κ菬o法實現(xiàn)的， 但通過運用自 動控制原理我們可以通過計算機遠程控制完成這些過程，這為我們的航天事業(yè)帶來了很大的變革總之自動控制原理已與人們密不可分了。3 .自動控制原理的內(nèi)容自動控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、 分析與設(shè)計。它 的主要涉及內(nèi)容有：大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）、電機與拖動、電路理論、信號與 系統(tǒng)、復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換、模擬電子技術(shù)、線性代數(shù)、微積分（含微分方 程）。在當(dāng)代，自動控制原理已經(jīng)發(fā)展為理論嚴密、系統(tǒng)完整、邏輯性很強的一 門

18、學(xué)科。從基本反饋控制原理發(fā)展到：自適應(yīng)控制、優(yōu)化控制、魯棒控制、大系 統(tǒng)控制、智能控制。它主要研究的內(nèi)容是因果系統(tǒng)、工程系統(tǒng)。具一般概念是一個負反饋調(diào)節(jié)，先通過實際系統(tǒng)到物理模型再到數(shù)學(xué)模型然后在到方法（系統(tǒng) 組成分析、統(tǒng)計）最后又用到實際系統(tǒng)中的一種自動控制的原理。自動控制原理 的分類：按控制原理的不同，自動控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系維開環(huán)控制系統(tǒng)：在開環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出只受輸入的控制，控制精度 和抑制干擾的特性都比較差。開環(huán)控制系統(tǒng)中，基于按時序進行邏輯控制 的稱為順序控制系統(tǒng)；由順序控制裝置、檢測元件、執(zhí)行機構(gòu)和被控工業(yè) 對象所組成。主要應(yīng)用于機械、化工、物料裝卸運輸?shù)冗^程

19、的控制以及機 械手和生產(chǎn)自動線。閉環(huán)控制系統(tǒng)：閉環(huán)控制系統(tǒng)是建立在反饋原理基礎(chǔ)之上的，利用輸出量 同期望值的偏差對系統(tǒng)進行控制，可獲得比較好的控制性能。閉環(huán)控制系 統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)。按給定信號分類,自動控制系統(tǒng)可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)：包值控制系統(tǒng)：給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以一定的精度接近給定希望值的系統(tǒng)。如生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動機轉(zhuǎn)速等自動控制系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)。隨動控制系統(tǒng)：給定值按未知時間函數(shù)變化，要求輸出跟隨給定值的變化。如跟隨衛(wèi)星的雷達天線系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)：給定值按一定時間函數(shù)變化。如程控機床。按元件類型：機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。按系統(tǒng)功能：溫度、壓力、位置按系統(tǒng)性能：線