對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求和本課程的任務(wù)

對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求和本課程的任務(wù)

1.5.1對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，必須對(duì)控制系統(tǒng)提出一定的要求。對(duì)于一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，當(dāng)輸入量和擾動(dòng)量均不變時(shí)，系統(tǒng)輸出量也恒定不變，這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)或靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)。顯然，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸出量是我們關(guān)心的，當(dāng)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，通過控制器的作用，從而使輸出量最終穩(wěn)定，即達(dá)到一個(gè)新的平衡。但由于系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)總存在慣性，系統(tǒng)從一個(gè)平衡點(diǎn)到另一個(gè)平衡點(diǎn)無法瞬間完成，即存在一個(gè)過渡過程，稱為動(dòng)態(tài)過程或暫態(tài)過程。

過渡過程的形式不僅與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，也與參考輸入和外加擾動(dòng)有關(guān)。一般有單調(diào)過程、衰減震蕩過程、等幅振蕩過程等形式；此外，我們關(guān)心系統(tǒng)會(huì)否穩(wěn)定，如果會(huì)穩(wěn)定，系統(tǒng)到達(dá)新的平衡狀態(tài)需要多少時(shí)間。 通過上面的分析可知, 對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng), 需要從如下三方面進(jìn)行分析:

一﹑穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是對(duì)控制系統(tǒng)最基本的要求。所謂系統(tǒng)穩(wěn)定，一般指當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，系統(tǒng)的被控制量偏離了原來的平衡狀態(tài)，但當(dāng)擾動(dòng)撤離后，經(jīng)過苦于時(shí)間，系統(tǒng)若仍能返回到原來的平衡狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，在其內(nèi)部參數(shù)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(tǒng)在工作過程中的環(huán)境和參數(shù)可能產(chǎn)生的變化，因而要求系統(tǒng)不僅能穩(wěn)定，而且在設(shè)計(jì)時(shí)還要留有一定的裕量。

二﹑準(zhǔn)確性

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度通常用它的穩(wěn)態(tài)誤差來表示。如果在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)輸出跟蹤輸入的精度越高。系統(tǒng)在擾動(dòng)信號(hào)作用下，其輸出必然偏離原平衡狀態(tài)，但由于系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)的作用，其輸出量會(huì)逐漸向原平衡狀態(tài)方向恢復(fù)。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的輸出量若不能恢復(fù)到原平衡狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)態(tài)值，由此所產(chǎn)生的差值稱為擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差。這種誤差越小，表示系統(tǒng)抗擾動(dòng)的能力越強(qiáng)，其穩(wěn)態(tài)精度也越高。

三﹑快速性

控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定和并有較高的精度，而且還要求系統(tǒng)的響應(yīng)具有一定的快速性，對(duì)于某些系統(tǒng)來說，這是一個(gè)十分重要的性能指標(biāo)。有關(guān)系統(tǒng)響應(yīng)速度定量的性能指標(biāo)，一般可以用上升時(shí)間﹑調(diào)整時(shí)間和峰值時(shí)間來表示。

由于被控對(duì)象運(yùn)行目的不同，各類系統(tǒng)對(duì)上述三方面性能要求的側(cè)重點(diǎn)是有差異的。例如隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)快速性和穩(wěn)態(tài)精度的要求較高，而恒值控制系統(tǒng)一般卻側(cè)重于穩(wěn)定性能和抗擾動(dòng)的能力。在同一個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性，就需要增大系統(tǒng)的放大能力，而放大能力的增強(qiáng)，必然促使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的變差，甚至?xí)瓜到y(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定。反之，若強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程平穩(wěn)性的要求，系統(tǒng)的放大倍數(shù)就應(yīng)較小，從而導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的降低和動(dòng)態(tài)過程的變慢。由此可見，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性、高精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間存在著矛盾，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)須針對(duì)具體的系統(tǒng)要求，均衡考慮各指標(biāo)。

1.5.2本課程的基本內(nèi)容

本課程的主要內(nèi)容可以分為三個(gè)方面:

1. 根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)誤差。為此，首先建立系統(tǒng)的模型，然后，依據(jù)建立模型的形式，分別采用時(shí)域法、根軌跡法和頻域法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。（上述內(nèi)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(wù)或系統(tǒng)具體的性能要求，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的控制裝置，并確定其結(jié)構(gòu)和參數(shù)。（上述內(nèi)容在本書第六章）

3. 利用計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)手段，利用Matlab軟件工具，對(duì)反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。這方面內(nèi)容分布在相應(yīng)各章。

此外，有關(guān)非線性系統(tǒng)的分析在第七章，離散時(shí)間系統(tǒng)的分析在本節(jié)第八章，第九章則對(duì)Matlab反饋控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)中使用到的有關(guān)函數(shù)進(jìn)行了介紹。