對控制系統的性能要求和本課程的任務(wù)

對控制系統的性能要求和本課程的任務(wù)

1.5.1對控制系統性能的要求

為了實(shí)現自動(dòng)控制，必須對控制系統提出一定的要求。對于一個(gè)閉環(huán)控制系統而言，當輸入量和擾動(dòng)量均不變時(shí)，系統輸出量也恒定不變，這種狀態(tài)稱(chēng)為平衡狀態(tài)或靜態(tài)、穩態(tài)。顯然，系統在穩態(tài)時(shí)的輸出量是我們關(guān)心的，當輸入量或擾動(dòng)量發(fā)生變化，反饋量將與輸入量之間產(chǎn)生新的偏差，通過(guò)控制器的作用，從而使輸出量最終穩定，即達到一個(gè)新的平衡。但由于系統中各環(huán)節總存在慣性，系統從一個(gè)平衡點(diǎn)到另一個(gè)平衡點(diǎn)無(wú)法瞬間完成，即存在一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)過(guò)程或暫態(tài)過(guò)程。

過(guò)渡過(guò)程的形式不僅與系統的結構和參數有關(guān)，也與參考輸入和外加擾動(dòng)有關(guān)。一般有單調過(guò)程、衰減震蕩過(guò)程、等幅振蕩過(guò)程等形式；此外，我們關(guān)心系統會(huì )否穩定，如果會(huì )穩定，系統到達新的平衡狀態(tài)需要多少時(shí)間。 通過(guò)上面的分析可知, 對于一個(gè)自動(dòng)控制系統, 需要從如下三方面進(jìn)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(dòng)作用后，系統的被控制量偏離了原來(lái)的平衡狀態(tài)，但當擾動(dòng)撤離后，經(jīng)過(guò)苦于時(shí)間，系統若仍能返回到原來(lái)的平衡狀態(tài)，則稱(chēng)系統是穩定的。一個(gè)穩定的系統，在其內部參數發(fā)生微小變化或初始條件改變時(shí)，一般仍能正常進(jìn)行地工作?？紤]到系統在工作過(guò)程中的環(huán)境和參數可能產(chǎn)生的變化，因而要求系統不僅能穩定，而且在設計時(shí)還要留有一定的裕量。

二﹑準確性

系統穩態(tài)精度通常用它的穩態(tài)誤差來(lái)表示。如果在參考輸入信號作用下，當系統達到穩態(tài)后，其穩態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩態(tài)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(dòng)信號作用下，其輸出必然偏離原平衡狀態(tài)，但由于系統自動(dòng)調節的作用，其輸出量會(huì )逐漸向原平衡狀態(tài)方向恢復。當達到穩態(tài)后，系統的輸出量若不能恢復到原平衡狀態(tài)時(shí)的穩態(tài)值，由此所產(chǎn)生的差值稱(chēng)為擾動(dòng)穩態(tài)誤差。這種誤差越小，表示系統抗擾動(dòng)的能力越強，其穩態(tài)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(lái)說(shuō)，這是一個(gè)十分重要的性能指標。有關(guān)系統響應速度定量的性能指標，一般可以用上升時(shí)間﹑調整時(shí)間和峰值時(shí)間來(lái)表示。

由于被控對象運行目的不同，各類(lèi)系統對上述三方面性能要求的側重點(diǎn)是有差異的。例如隨動(dòng)系統對快速性和穩態(tài)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(dòng)的能力。在同一個(gè)系統中,上述三個(gè)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(dòng)態(tài)性能的變差，甚至會(huì )使系統變?yōu)椴环€定。反之，若強調系統動(dòng)態(tài)過(guò)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(tài)精度的降低和動(dòng)態(tài)過(guò)程的變慢。由此可見(jiàn)，系統動(dòng)態(tài)響應的快速性、高精度與系統穩定性之間存在著(zhù)矛盾，在系統設計時(shí)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(gè)方面:

1. 根據系統的結構和參數，分析系統的穩定性動(dòng)態(tài)性能指標和穩態(tài)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(shí)域法、根軌跡法和頻域法對控制系統進(jìn)行分析。（上述內容在本書(shū)第二章、第三章、第四章、第五章。）

2. 按照所給的控制任務(wù)或系統具體的性能要求，設計一個(gè)合理的控制裝置，并確定其結構和參數。（上述內容在本書(shū)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(jìn)行分析。這方面內容分布在相應各章。

此外，有關(guān)非線(xiàn)性系統的分析在第七章，離散時(shí)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(guān)函數進(jìn)行了介紹。