對控制系統的性能要求和本課程的任務

對控制系統的性能要求和本課程的任務

1.5.1對控制系統性能的要求

為了實現自動控制，必須對控制系統提出一定的要求。對于一個閉環控制系統而言，當輸入量和擾動量均不變時，系統輸出量也恒定不變，這種狀態稱為平衡狀態或靜態、穩態。顯然，系統在穩態時的輸出量是我們關心的，當輸入量或擾動量發生變化，反饋量將與輸入量之間產生新的偏差，通過控制器的作用，從而使輸出量最終穩定，即達到一個新的平衡。但由于系統中各環節總存在慣性，系統從一個平衡點到另一個平衡點無法瞬間完成，即存在一個過渡過程，稱為動態過程或暫態過程。

過渡過程的形式不僅與系統的結構和參數有關，也與參考輸入和外加擾動有關。一般有單調過程、衰減震蕩過程、等幅振蕩過程等形式；此外，我們關心系統會否穩定，如果會穩定，系統到達新的平衡狀態需要多少時間。 通過上面的分析可知, 對于一個自動控制系統, 需要從如下三方面進行分析:

一﹑穩定性

穩定性是對控制系統最基本的要求。所謂系統穩定，一般指當系統受到擾動作用后，系統的被控制量偏離了原來的平衡狀態，但當擾動撤離后，經過苦于時間，系統若仍能返回到原來的平衡狀態，則稱系統是穩定的。一個穩定的系統，在其內部參數發生微小變化或初始條件改變時，一般仍能正常進行地工作。考慮到系統在工作過程中的環境和參數可能產生的變化，因而要求系統不僅能穩定，而且在設計時還要留有一定的裕量。

二﹑準確性

系統穩態精度通常用它的穩態誤差來表示。如果在參考輸入信號作用下，當系統達到穩態后，其穩態輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩態誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統輸出跟蹤輸入的精度越高。系統在擾動信號作用下，其輸出必然偏離原平衡狀態，但由于系統自動調節的作用，其輸出量會逐漸向原平衡狀態方向恢復。當達到穩態后，系統的輸出量若不能恢復到原平衡狀態時的穩態值，由此所產生的差值稱為擾動穩態誤差。這種誤差越小，表示系統抗擾動的能力越強，其穩態精度也越高。

三﹑快速性

控制系統不僅要穩定和并有較高的精度，而且還要求系統的響應具有一定的快速性，對于某些系統來說，這是一個十分重要的性能指標。有關系統響應速度定量的性能指標，一般可以用上升時間﹑調整時間和峰值時間來表示。

由于被控對象運行目的不同，各類系統對上述三方面性能要求的側重點是有差異的。例如隨動系統對快速性和穩態精度的要求較高，而恒值控制系統一般卻側重于穩定性能和抗擾動的能力。在同一個系統中,上述三個方面的性能要求通常也是相互制約的。例如為了提高系統的快速性和準確性，就需要增大系統的放大能力，而放大能力的增強，必然促使系統動態性能的變差，甚至會使系統變為不穩定。反之，若強調系統動態過程平穩性的要求，系統的放大倍數就應較小，從而導致系統穩態精度的降低和動態過程的變慢。由此可見，系統動態響應的快速性、高精度與系統穩定性之間存在著矛盾，在系統設計時須針對具體的系統要求，均衡考慮各指標。

1.5.2本課程的基本內容

本課程的主要內容可以分為三個方面:

1. 根據系統的結構和參數，分析系統的穩定性動態性能指標和穩態誤差。為此，首先建立系統的模型，然后，依據建立模型的形式，分別采用時域法、根軌跡法和頻域法對控制系統進行分析。（上述內容在本書第二章、第三章、第四章、第五章。）

2. 按照所給的控制任務或系統具體的性能要求，設計一個合理的控制裝置，并確定其結構和參數。（上述內容在本書第六章）

3. 利用計算機輔助分析和設計手段，利用Matlab軟件工具，對反饋控制系統進行分析。這方面內容分布在相應各章。

此外，有關非線性系統的分析在第七章，離散時間系統的分析在本節第八章，第九章則對Matlab反饋控制系統分析、設計中使用到的有關函數進行了介紹。