自动控制原理论文

中南民族大学

自动控制原理与系统论文

题 目

学 院 机电工程学院

专 业 电气自动化 班 级 3班

姓 名 王鹏龙 学 号 *********

任 课

教 师

自动控制原理的发展概况及原理

张琦

2012 年 5 月

焦作大学 2010 — 2011 学年第 1 学期

课程作业题

课程名称： 自动化（专业）概论

作业类型： 科技论文

考查形式： 开卷笔试

适用范围：计算机科学学院 2010年级 自动化专业 本科

姓名 王鹏龙 学号 100101314 总分 评卷

通过本课程的学习，结合《自动化专业人才培养方案(2009版)》，写一篇关

于自动化专业某一课程的文章，要求：

1．从《培养方案》的“学科基础课程”或“专业课程”中选择一门课程；

2．你认为该课程最符合自己将来的研究或工作方向；

3．总结该课程内容的历史渊源及未来发展趋势；

4．归纳该课程所讲述的内容，总结最主要的思想；

5．尝试分析该课程内容的基础和实质；

6．尝试分析该课程的应用及其应用领域。

说明：

（1）此为本课程考查的课后作业，占总成绩70%；

（2）自拟文章标题；内容原创、真实；需要广泛收集并阅读材料；

（3）科技论文形式；不少于5000字；格式参见“论文格式及写作指南”；

（4）装订成册，并将本页装订在论文首页；

（5）第16周周五17:00前，各小班收齐后统一交到9404。

评语：

自动控制原理的发展概况及前景

姓名：王鹏龙班级：电气3班

摘 要

：论述了自动控制原理从无到有、各个发展时期的特点；指出了自动控

制原理今后的发展方向。

关键词：自动控制原理、自动化、负反馈调节系统

引言:

在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动

控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控

制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即

被控制量）自动地按照预定的规律运行。

1.

自动控制简史 （History of Automatic Control）

理

⑵：公元前300年至公元前1年，古希腊出现的浮球调节装置。大约公元

250年，Philong发明的油灯，其中用浮球调节装置来保持燃油的油面高度。

⑶：近代欧洲最早发明的反馈系统是荷兰人Cornelis Drebbel(1572-1633)

发明的温度调节器．Dennis Papin(1647-1712)在1681年发明了锅炉压力调节器。

⑷：1769年，为了解决工业生产中蒸汽机的速度控制问题，J. Watt(瓦

特,1736-1819)发明了蒸汽机。他在蒸汽机上安装了一个飞球，构成蒸汽机调速

器．．．

⑸：J. C. Maxwell(1831-1879)，1868年发表的文章：On Governors,首先

全面地论述了反馈系统的稳定性，建立了调速器的微分方程，在平衡点附近线性

化后，获得了代数特征方程，并以该方程的根作为判断稳定性的依据，他解决了

二阶、三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的E. J. Routh 与瑞典的Hurwitz

解决了高阶系统的稳定性判断．

⑹：A. Lyapunov(1857-1918)，数学家，在他的博士论文中，Lyapunov系

统地研究了由微分方程描述的一般运动系统的稳定性问题，建立了著名的

Lyapunov方法．

⑺：M. Minorsky, 美国工程师，在１９２２年首先提出了ＰＩＤ控制方法，

成功地将其应用于美国海军军舰New Mexico的控制问题．

H. S. Black , AT&T贝尔实验室的研究员, 于1927年发明了负反馈方法与

电子放大器,其工作为现代电子系统和通信系统奠定了基础.

⑴：公元前300年左右，李冰设计和建造的都江堰水利工程，运用了反馈原

⑻：在美国的MIT、Bell实验室的一批科学家工程师，例如N. Wiener、 V.

Bush、 H. Nyquist、H.W. Bode、 N.B. Nichols、C. Shannon 、H. Hanzen等

为首的科学家设计了一系列的自动控制装置和系统

⑼在第二次世界大战中，因为飞机自动驾驶仪、火炮位置跟踪系统、雷达天

线跟踪系统以及其它的军事方面的应用，反馈控制变成一种重要的方法。在20

世纪40年代之前，这些系统的设计和制造主要依赖于实验“试凑法”。

⑽：40年代期间，数学解析与数值方法引进到控制系统分析与设计。这时，

控制工程才成为一门真正的工程学科。

⑾：1948年，N. Wiener(维纳)的著作：Cybernetics or control and

Communication in the Animal and the Machine《控制论》的发表，开创了“控

制论”这样一门新学科．其目的是研究一个系统的各个不同部分之间的相互作用

的定性性质以及整个系统的运动状态．

⑿：1954年，钱学森出版了第一部系统地关于工程系统控制的著作：

Engineering Cybernetics (工程控制论），1980年钱学森与宋健等人完成了《工

程控制论》中文修订版。

⒀：20世纪60年代，R.E. Kalman, 线性系统的可控性、可观性、滤波器

理论以及代数结构等方面的贡献，成为现代控制理论的主要奠基人之一。

L.S Pontryagin, 创立了Pontryagin极大值原理；R. Bellman，创立了

Bellman 动态规划。他们的工作为最优控制奠定了基础。

20世纪70年代-80年代，K.J. Astrom等为代表的系统辨识、自适应控制

理论与方法方面的工作；

G. Zames, 非线性系统的稳定性分析、鲁棒控制等；

L. Zadeh,早期从事系统与控制理论的研究，60年代初创立了模糊集理论和

模糊控制；

G. Devol 和 J. Engeberger,1959年创立了首家机器人公司（Unimation

Inc.)，推出了首台工业机器人PUMA

2.自动控制原理的发展

自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理

论为基础的自动调节原理

反馈(feedback)：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与

输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈：

负反馈(negative feedback)：输入信号-反馈信号（或输出信号）使得系统的

输出偏差减小。

正反馈（positive feedback)：输入信号+反馈信号反馈控制(feedback control)、

闭环控制(clod-loop。

其主要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定

位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了

自动控制理论的发展。到战后，以形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递

函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出，线形定常数系统的分

析和设计问题。自动控制理论是自动控制科学的核心。

自动控制理论自至今已经过了三代的发展：第一代为20世纪初开始形成并

于50年代在线性代数的数学甚而上发展起来的现代控制理论；第三代为60年代

中期即已萌芽，在发展过程中综合了人工智能、自动控制、运筹学、信息论等多

学科的最新成果并在此基础上形成的智能控制理论。20世纪60年代初期，随着

现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应宇航技术的发展，自动

控制理论跨入了一个新阶段——现代控制理论。他主要研究具有高性能，高精度

的多变量变参数的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间

法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础

的智能控制理论深入。其运用自动控制系统示例有：函数记录仪、飞机-自动驾

驶仪系统、电阻炉微机温度控制系统、飞行模拟器的视景系统等等高科技领域。

从世界诞生第一台计算机开始，我们这个时代就将走进一个自动化的的时

代，其实随着人类的出现，“自动”这个代名词就与我们接下了不解之缘，我们

大家都知道远古时期，古人就发明的水车，通过水流使水车转动，从而将水排入

水田中，从而节约的不少人力物力，使生产效率大大提高。还有古代战乱时期人

们发明的弩车、吊桥等等都或多或少的运用了自动控制原理。在现在意义上的自

动控制真正源于瓦特发明蒸汽机开始。他改进的蒸汽机由锅炉与汽缸、活塞+连

杆机构、配汽机构等构成，燃料加热锅炉（燃料在汽缸外燃烧，叫“外燃机”），

将水烧开，产生蒸汽，蒸汽通过配汽机构进入汽缸，推动活塞做往复运，这无不

是自动控制原理最经典案例，随着计算机的出现与发展，自动控制原理已与计算

机紧紧相依，自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。 在现代，

自动控制已经无所不在了，几乎所有领域都已经涵盖了这一技术：

在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物

理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，

都有相应的控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性

能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控制与管理双重功能

的自动控制系统。在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的

自动操作系统等。

在军事技术方面，自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火力

控制系统、制导与控制系统等。在航天、航空和航海方面，除了各种形式

的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。

此外，在办公室自动化、图书管理 、交通 管 理乃至日常家务方面，

自动控制技术也都有着实际的应用。随着控制理论和控制技术的发展，自

动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、

社会等所有领域。

就比如说我们身边的案例，就养猪业而言，现代养猪业已基本运用了自动

控制技术，比如说自动饮水器、机械送料装置、刮粪机、金属围栏等等，随着我

国改革开放的不断深入，1980年广东率先在中外合资的深圳光明农场引进美国

三德畜牧设备公司的8条现代化万头养猪生产线成套设备，该成套设备属当时世

界先进水平，机械化、自动化水平较高，一条万头生产线只要饲养员8人，它的

引进让我国畜牧机械界人士大开眼界，耳目一新。该成套设备主要有以下特点：

(1)全封闭全空调的猪舍。生产线的配种、怀孕、分娩和保育猪舍都是采用

全封闭全空调，猪舍主体采用耐腐蚀的铝合金材料，四周有良好的隔热保温结

构．保温降温和空气调节设备主要有电热水地板保暖系统、湿帘降温系统、排风

降温换气装置和自动卷帘装置等。

(2)适合各种猪群生育的各种全金属围栏(包括漏缝地板)主要有：母猪单体限

位栏、公猪栏、分娩栏、保育栏、生长栏和育成栏，操作管理非常方便。母猪单

体限位栏、公猪栏、分娩栏都是用铝合金材料制作，不易腐蚀，可靠耐用。

(3)自动饮水及自动送料系统。各栋猪舍都安装了自动饮水和自动送料系统，

猪只随时可以喝到新鲜干净的水，饲料厂加工好的饲料，通过散装饲料车运送到

猪舍外的饲料塔，再通过搅龙由饲料塔送到各种食箱，供猪只采食。送料、喂料

占猪场劳动量的50％左右，所以自动送料系统不仅可以让猪只随时可以吃到新

鲜饲料，减少饲料的浪费和污染，对提高劳动生产率也是至关重要的。

(4)自动冲洗和高压清洗装置。大部分围栏内都采用半漏缝或全漏缝地板结

构。猪粪、尿通过地板缝隙落入粪沟，所有粪沟都安装有自动冲洗装置，以保持

猪舍环境卫生。各栋猪舍配有高压清洗机(压力高达2．5肝a)，效率高，并节约

用水

此外，还有各种运输车辆、检测设备和生产工具。总之现代社会自动控制原

理已经得到了广泛，另外在采矿、电力技术等等都已经运用，在一些水力发电站，

由于地处偏远给管理带来诸多不便，运用了自动控制原理，我们只要通过计算机

通过远程控制发电站的运行，给人们带来方便，特别是在高科技领域运用更为广

泛，像航空航天领域，火箭的定位等等，比如我们中国的神舟号载人飞船已经令

世界瞩目，在飞船的加速、变轨等等方面我们人力是无法实现的，但通过运用自

动控制原理我们可以通过计算机远程控制完成这些过程，这为我们的航天事业带

来了很大的变革总之自动控制原理已与人们密不可分了。

3.自动控制原理的内容

自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。它

的主要涉及内容有:大学物理（力学、热力学）、电机与拖动、电路理论、信号与

系统、复变函数、拉普拉斯变换、模拟电子技术、线性代数、微积分（含微分方

程）。在当代，自动控制原理已经发展为理论严密、系统完整、逻辑性很强的一

门学科。从基本反馈控制原理发展到：自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系

统控制、智能控制。它主要研究的内容是因果系统 、工程系统。其一般概念是

一个负反馈调节，先通过实际系统到物理模型再到数学模型然后在到方法（系统

组成分析、统计）最后又用到实际系统中的一种自动控制的原理。自动控制原理

的分类：按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系

统。

开环控制系统：在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度

和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制

的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业

对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机

械手和生产自动线。

闭环控制系统：闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量

同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系

统又称反馈控制系统。

按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程

序控制系统: 恒值控制系统:给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接

近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电

动机转速等自动控制系统属于恒值系统。

随动控制系统:给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。

如跟随卫星的雷达天线系统。

程序控制系统:给定值按一定时间函数变化。如程控机床。

按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统

等。

按系统功能：温度、压力、位置

按系统性能：线性与非线性、连续与离散、定常与时变

按参考量变化规律：恒值、随动、程序控制 对该系统的本要求是稳定性（稳）、

快速性（快）、准确性（准）是说明系统动态（过渡过程）品质。

“稳”与“快”

系统的过渡过程产生的原因 ：系统中储能元件的能量不可能突变。“准”是说明

系统的稳态（静态）品质稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件线性控制

系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。

快速性是系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和快慢，通常称为“系

统动态性能”。过渡过程时间、超调量准确性是在系统过渡过程结束后，衡量系

统输出（被控量）达到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度。

4结论：

在当今这个飞速发展的时代，一切事情都需要效率，而自动控制原理真是

适应这一时代而诞生的一门技术，它不仅节省了大量的人力物力，而且节省了我

们的时间，真所谓时间就是金钱，节省的时间我们就能获得金钱，因此这一技术

一诞生就受到了人类的青睐，被人们运用于众多领域，现在对于“自动控制”这

一代名词人们已经耳熟能详了，在以后的时代中它将发挥越来越重要的作用。

从小就爱上了计算机，应此上大学时毫不犹豫的选择了计算机专业，在大

学中了解了计算机中的自动控制原理，我知道未来的生活将离不开这一技术，其

发展前景广阔。在我看来，自动控制原理应该现在加大在农业发面的发展，毕竟

中国还有8亿多人口在农村，首先还是要提高农民的生产效率，民以食为天吗，

那样我们才有更多的精力去发展高科技领域。