自動(dòng)控制原理的論述

劉志剛 郭銳 沈陽工學(xué)院 信息與控制學(xué)院

1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理

自動(dòng)控制系統(tǒng)是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)項(xiàng)自動(dòng)控制的系統(tǒng)，它一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和工作原理與人體的構(gòu)成和工作機(jī)理有很多相似之處：人體的許多功能可以在不需要有意識(shí)的干涉的情況下完成，從而維持我們的生命，如人體的體溫恒定調(diào)節(jié)系統(tǒng)、心跳自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)平衡系統(tǒng)等都是人體內(nèi)在復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式

自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式包括：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、前饋控制、復(fù)合控制。

2.1 閉環(huán)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)大多都是閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；可由低精度元件組成高精度系統(tǒng)。

2.2 前饋控制系統(tǒng)

按擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牡模Q為前饋控制。系統(tǒng)方框如圖1-2所示。這種控制方式的原理是:利用對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的測(cè)量產(chǎn)生控制作用，以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響。前饋控制是直接按擾動(dòng)而不是按偏差控制，干擾發(fā)生后，被測(cè)量還未顯現(xiàn)出變化之前，控制器就產(chǎn)生了控制作用，所以，前饋控制對(duì)干擾的抑制要比反饋控制更及時(shí)。

圖1-2 按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)方框圖

3 自動(dòng)控制理論的發(fā)展

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，控制技術(shù)也在不斷地發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代加推動(dòng)了控制理論不斷地向前發(fā)展。控制理論的發(fā)展過程一般可分為三個(gè)階段：

（1）經(jīng)典控制論階段（20世紀(jì)50年代末期以前）

經(jīng)典控制理論，是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，在頻率域?qū)屋斎?--單輸入控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的理論。控制系統(tǒng)的特點(diǎn) :是以輸入輸出特性（主要是傳遞函數(shù)）為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，采用頻率響應(yīng)法和根軌跡法這些圖解分析方法，分析系統(tǒng)性能和設(shè)計(jì)控制裝置。

（2）現(xiàn)代控制論階段（50年代末期至70年代初期）

現(xiàn)代控制理論，基于時(shí)域內(nèi)的狀態(tài)空間分析法，著重時(shí)間系統(tǒng)最優(yōu)化控制的研究。控制系統(tǒng)的特點(diǎn):為多輸入---多輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)可以是線性或非線性，定常或時(shí)變的，單變量與多變量，連續(xù)與離散系統(tǒng)。

（3）大系統(tǒng)理論和智能控制理論階段（八十年代興起至今）

大系統(tǒng)理論，是指規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變量眾多、關(guān)聯(lián)嚴(yán)重、信息不完備的信息與控制系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，其中最典型的是智能機(jī)器人。 控制系統(tǒng)的特點(diǎn):是指眾多因素復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、資源分配系統(tǒng)、生態(tài)和環(huán)境系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等。

4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的未來展望

控制系統(tǒng)的繼續(xù)發(fā)展的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高度靈活和高度自動(dòng)化。現(xiàn)在用的工業(yè)用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化，即一旦程序確定，就不需要更多的人干預(yù)了。但這些機(jī)器人對(duì)于周圍的環(huán)境無法靈活響應(yīng)，這也是計(jì)算機(jī)科學(xué)應(yīng)該著重解決的一個(gè)問題。先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)通過革新傳感器的反饋功能可以達(dá)到靈活的目的，通過提高智能化、增加傳感器功能、計(jì)算機(jī)可視功能和離線式CAD/CAM編程功能將使系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)且得到更廣泛的應(yīng)用，使控制系統(tǒng)正朝高度自動(dòng)化方向邁進(jìn)。對(duì)人機(jī)對(duì)話模式方向的研究和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫管理等，將使控制更高效、更可靠。降低運(yùn)行成本和拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，要求更新人機(jī)交流方式和更換編程語言等。

5 結(jié)束語

以上是我介紹了自動(dòng)控制原理的基本原理和基本控制方式，通過對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)的方框圖來突出兩種控制方式的特點(diǎn)。之后還指出了自動(dòng)控制理論的三代的發(fā)展和各自的特點(diǎn)，即第一代經(jīng)典控制理論，第二代現(xiàn)代控制理論和第三代帶系統(tǒng)理論和智能控制理論。最后介紹了自動(dòng)控制系統(tǒng)未來的展望，指出了自動(dòng)控制理論在工業(yè)機(jī)器人方面未來的發(fā)展趨勢(shì)。總之，自動(dòng)控制理論的發(fā)展將會(huì)給社會(huì)所涉及到的各領(lǐng)域帶來巨大的貢獻(xiàn)，所以我們應(yīng)該努力學(xué)好自動(dòng)控制理論，但愿將來自己也能給社會(huì)帶來一番貢獻(xiàn)。