自动控制原理及系统
自动控制原理及系统是指通过使用自动化设备和技术手段，实现对物理系统的监测、测量、分析和控制的过程。本文将从原理和系统两个方面来介绍自动控制的相关内容。
一、自动控制原理
1. 反馈原理
自动控制的核心原理是反馈原理。反馈系统将被控对象的输出信号与期望的参考信号进行比较，根据误差信号，通过控制器来调节被控对象，使输出信号接近参考信号。反馈原理可分为负反馈和正反馈，其中负反馈是最常用的。
2. 控制器
控制器是自动控制系统中的重要组成部分，用于根据反馈信号对被控对象进行控制。常见的控制器类型包括比例控制器、积分控制器和微分控制器，它们可以分别实现比例控制、积分控制和微分控制的功能，也可以组合起来构成PID控制器。
3. 传感器和执行器
传感器用于监测被控对象的状态或者输出参数，将其转化为电信号或者其他形式的信号输入到控制器中。执行器则根据控制器的输出信号，对被控对象进行调节或者操作。传感器和执行器是自动控制系统的接口，起到连接和转换信号的作用。 二、自动控制系统
1. 开环控制系统
开环控制系统是指控制器的输出信号不受被控对象的状态或者输出信号的影响，只根据预设的输入信号进行控制。开环控制系统简单，但对于系统的变化和扰动不敏感。
2. 闭环控制系统
闭环控制系统是指控制器的输出信号通过反馈回路与被控对象的输出信号进行比较，实现对系统的自动调节和校正。闭环控制系统可以有效地抑制扰动，提高系统的稳定性和鲁棒性。
3. 自适应控制系统
自适应控制系统是通过利用被控对象的模型来对其进行建模和识别，根据模型参数的变化实时调整控制器的参数。自适应控制系统具有良好的适应性和鲁棒性，能够应对系统工作环境的变化和故障。
4. 分散控制系统
分散控制系统是将整个控制系统分为多个子系统，每个子系统独立完成一部分控制任务，通过通信网络进行数据传输和信息交换。分散控制系统具有模块化和可扩展性的特点，适用于大型和复杂的控制系统。
第 1 页 共 3 页 中国农业大学继续教育学院《自动控制原理及其应用》试卷
专业 姓名 成绩
一.填空题（每空0.5分，共25分）
1、反馈控制又称偏差控制，其控制作用是通过 与反馈量的差值进行的。
2、复合控制有两种基本形式：即按 的前馈复合控制和按 的前馈复合控制。
3、若某系统的单位脉冲响应为0.20.5()105ttgtee，则该系统的传递函数G(s)为 。
4、根轨迹起始于 ，终止于 。
5、设某最小相位系统的相频特性为101()()90()tgtgT，则该系统的开环传递函数为 。
6、PI控制器的输入－输出关系的时域表达式是 ，其相应的传递函数为
，由于积分环节的引入，可以改善系统的
性能。
7、在水箱水温控制系统中，受控对象为 ，被控量为 。
8、自动控制系统有两种基本控制方式，当控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为 ；当控制装置与受控对象之间不但有顺向作用而且还有反向联系时，称为 ；含有测速发电机的电动机速度控制系统，属于 。
9、稳定是对控制系统最基本的要求，若一个控制系统的响应曲线为衰减振荡，则该系统 。判断一个闭环线性控制系统是否稳定，在时域分析中采用 ；在频域分析中采用 。
第一章 自动控制的基本知识
1.1自动控制的一般概念
1.2自动控制系统的组成
1.3自动控制系统的类型
1.4 对控制系统性能的要求
1.1.1自动控制技术
自动控制技术被大量应用于工农业生产、医疗卫生、环境监测、交通管理、科研开发、军事领域、特别是空间技术和核技术。自动控制技术的广泛应用不仅使各种生产设备、生产过程实现了自动化，提高了生产效率和产品质量，尤其在人类不能直接参与工作的场合，就更离不开自动控制技术了。自动控制技术还为人类探索大自然、利用大自然提供了可能和帮助。
1.1.2自动控制理论的发展过程
1945年之前，属于控制理论的萌芽期。
1945年，美国人伯德（Bode）的“网络分析与放大器的设计”奠定了控制理论的基础，至此进入经典控制理论时期，此时已形成完整的自动控制理论体系。
二十世纪六十年代初。用于导弹、卫星和宇宙飞船上的“控制系统的一般理论”（卡尔曼Kalman）奠定了现代控制理论的基础。现代控制理论主要研究多输入-多输出、多参数系统，高精度复杂系统的控制问题，主要采用的方法是以状态空间模型为基础的状态空间法，提出了最优控制等问题。
七十年代以后，各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂，自动控制理论继续发展，进入了大系统和智能控制时期。例如智能机器人的出现，就是以人工智能、神经网络、信息论、仿生学等为基础的自动控制取得的很大进展。
1.2自动控制系统的组成
1.2.1自动控制系统的结构与反馈控制理论
图中为放水阀，为进水阀，水箱希望的液位高度为。当放水使得水箱液位降低而被人眼看到，人就会打开进水阀，随着液位的上升，人用大脑比较并判断水箱液位达到时，就会关掉。若判断进水使得实际液位略高于，则需要打开放水而保证液位高度。
在这个过程中，人参与了以下三个方面的工作： 用眼睛观察到实际液面的下降（实际液面高度）；
用大脑将实际液面与要求液面高度进行比较（与产生偏差）；
自动调节原理课题一报告
图一所示系统为蒸汽机自动调节系统，蒸汽通过阀门进入蒸汽机，蒸汽机将蒸汽的热能转化为机械能，带动负载转动，输出转速为n。通过圆锥形齿轮，将蒸汽机的转速根据齿轮的比例关系进行转换得到𝑛1，使所得的转速适于作用于有弹簧、飞锤、套筒构成的离心变速器上，并通过杠杆改变阀门的阀开度，从而起到调节蒸汽输入蒸汽机量的作用。即，输入蒸汽量大时，蒸汽机输出转速n大，从而𝑛1大，飞锤收到的离心力大，从而对杠杆右侧的压力减小，阀门向下作用，输入蒸汽量减小。当转速变小时，杠杆右侧受到的压力增大，从而阀门开度变大，最后系统可以稳定在某个稳定的期望值附近。
图一 蒸汽机系统
1. 系统框图及各部分功能。
框图各部分功能介绍：
蒸汽机：将输入的蒸汽转化为机械转速。
离心调速器：离心调速器由弹簧、飞锤、套筒和杠杆组成。飞锤收到的离心力受转速𝑛1影响，并作用于弹簧和套筒，从而通过杠杆影响阀门的阀开度。
减速器：减速器由圆锥形齿轮完成，根据两个方向齿轮齿数起到改变转速的作用（n转到𝑛1）。
2.各部分传递函数
蒸汽机部分满足二阶振荡环节，故设传递函数为：
𝐺1(𝑠)=𝑤𝑛2𝑠2+2𝜉𝑤𝑛𝑠+𝑤𝑛2
最佳阻尼比ξ=0.707
离心调速器满足的一阶微分环节（原因见后文simulink仿真参数设置3），故设传递函数为：
H1(s)=du/dt
减速器满足比例环节，故设传递函数：
H2(s )=K
从而得到系统的传递函数为：
G(𝑠)=𝐺1(𝑠)1+𝐺1(𝑠)H1(s)H2(s )
3.simulink仿真
参数设置1：
ξ=0.707， 𝑤𝑛=1，K=0.1。
得到simulink仿真图如下图三示，并得到输出波形如下图四示。
图三 参数设置1 的Simulink仿真图
图四 参数设置1输出波形
结果分析：由图四可以看出，系统稳定在1左右，超调量约为0.02，系统振荡次数少，所以这组参数取值比较理想。
