自動控制原理 課件 1.7對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求

1.7對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求

自動控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是克服各種擾動的影響，使系統(tǒng)的被控量能夠按照預(yù)定的規(guī)律變化。由于實際系統(tǒng)中一般含有慣性或儲能元件，這些元件的能量不可能突變，因此控制系統(tǒng)在受到擾動或輸入量變化時，其被控量不可能立即達到給定值，而有一個變化過程。通常把系統(tǒng)受到外作用后，被控量隨時間變化的全過程，稱為動態(tài)過程或稱過渡過程。過渡過程結(jié)束后的輸出響應(yīng)稱為穩(wěn)態(tài)過程。

控制系統(tǒng)的性能，可以用系統(tǒng)輸出響應(yīng)的特性來衡量，考慮到輸出響應(yīng)在不同階段的特點，工程上常以穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性三個方面來評價自動控制系統(tǒng)的總體性能。1.7.1穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是保證一個控制系統(tǒng)能夠正常工作的首要條件，也是對控制系統(tǒng)最基本的要求。一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離給定值的偏差應(yīng)隨時間的增長逐漸減小并趨于零。反之，不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離給定值的偏差將隨時間的增長而發(fā)散。圖1-7-1控制系統(tǒng)動態(tài)特性曲線

在圖1-7-1所示的系統(tǒng)中，系統(tǒng)在外力作用下，輸出

逐漸與給定值

一致，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，如曲線①所示；反之，輸出如曲線②發(fā)散，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。1.7.2快速性

快速性是指動態(tài)過程進行的時間長短。動態(tài)過程時間越短，說明系統(tǒng)快速性越好，反之說明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，難以跟蹤快速變化的指令信號。圖1-7-2所示曲線①的快速性要優(yōu)于曲線②。圖1-7-2控制系統(tǒng)動態(tài)特性曲線1.7.3準(zhǔn)確性

準(zhǔn)確性是指系統(tǒng)在動態(tài)過程結(jié)束后，被控量與給定值的偏差，這一偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的指標(biāo)，反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計的任務(wù)之一是盡量減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，或者使穩(wěn)態(tài)誤差小于某一容許值。

若在動態(tài)過程結(jié)束后，被控量能夠達到給定值，說明該系統(tǒng)具有很好的準(zhǔn)確性，如圖1-7-3曲線①所示；若被控量在動態(tài)過程結(jié)束后不能達到給定值，存在很大的誤差，說明該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性很差，如曲線②所示。圖1-7-3控制系統(tǒng)動態(tài)特性曲線

一個自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)速性的要求往往是相互制約的。提高動態(tài)過程的快速性，可能會引起系統(tǒng)的強烈振蕩，改善系統(tǒng)的平穩(wěn)性，控制過程又可能很遲緩，甚至?xí)瓜到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度很差，分析和解決這些矛盾，是本門課程的重要內(nèi)容。

自動控制理論不是研究某一個或某一類被控量的控制問題，而是研究自動控制系統(tǒng)的普遍性、一般性的規(guī)律。本門課程沿著自動控制系統(tǒng)建模、分析和設(shè)計這條主線展開。在對實際控制系統(tǒng)進行分析和設(shè)計時，首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在已知系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型前提下，研究控制系統(tǒng)的性能并尋找系統(tǒng)性能與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)之間的關(guān)系，稱為控制系統(tǒng)的分析。如果已知對系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，尋找合理的控制方案，這類問題稱為控制系統(tǒng)的設(shè)計或校正。分析和設(shè)計是兩個完全相