对控制系统的性能要求和本课程的任务

对控制系统的性能要求和本课程的任务

1.5.1对控制系统性能的要求

为了实现自动控制，必须对控制系统提出一定的要求。对于一个闭环控制系统而言，当输入量和扰动量均不变时，系统输出量也恒定不变，这种状态称为平衡状态或静态、稳态。显然，系统在稳态时的输出量是我们关心的，当输入量或扰动量发生变化，反馈量将与输入量之间产生新的偏差，通过控制器的作用，从而使输出量最终稳定，即达到一个新的平衡。但由于系统中各环节总存在惯性，系统从一个平衡点到另一个平衡点无法瞬间完成，即存在一个过渡过程，称为动态过程或暂态过程。

过渡过程的形式不仅与系统的结构和参数有关，也与参考输入和外加扰动有关。一般有单调过程、衰减震荡过程、等幅振荡过程等形式；此外，我们关心系统会否稳定，如果会稳定，系统到达新的平衡状态需要多少时间。 通过上面的分析可知, 对于一个自动控制系统, 需要从如下三方面进行分析:

一﹑稳定性

稳定性是对控制系统最基本的要求。所谓系统稳定，一般指当系统受到扰动作用后，系统的被控制量偏离了原来的平衡状态，但当扰动撤离后，经过苦于时间，系统若仍能返回到原来的平衡状态，则称系统是稳定的。一个稳定的系统，在其内部参数发生微小变化或初始条件改变时，一般仍能正常进行地工作。考虑到系统在工作过程中的环境和参数可能产生的变化，因而要求系统不仅能稳定，而且在设计时还要留有一定的裕量。

二﹑准确性

系统稳态精度通常用它的稳态误差来表示。如果在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统输出跟踪输入的精度越高。系统在扰动信号作用下，其输出必然偏离原平衡状态，但由于系统自动调节的作用，其输出量会逐渐向原平衡状态方向恢复。当达到稳态后，系统的输出量若不能恢复到原平衡状态时的稳态值，由此所产生的差值称为扰动稳态误差。这种误差越小，表示系统抗扰动的能力越强，其稳态精度也越高。

三﹑快速性

控制系统不仅要稳定和并有较高的精度，而且还要求系统的响应具有一定的快速性，对于某些系统来说，这是一个十分重要的性能指标。有关系统响应速度定量的性能指标，一般可以用上升时间﹑调整时间和峰值时间来表示。

由于被控对象运行目的不同，各类系统对上述三方面性能要求的侧重点是有差异的。例如随动系统对快速性和稳态精度的要求较高，而恒值控制系统一般却侧重于稳定性能和抗扰动的能力。在同一个系统中,上述三个方面的性能要求通常也是相互制约的。例如为了提高系统的快速性和准确性，就需要增大系统的放大能力，而放大能力的增强，必然促使系统动态性能的变差，甚至会使系统变为不稳定。反之，若强调系统动态过程平稳性的要求，系统的放大倍数就应较小，从而导致系统稳态精度的降低和动态过程的变慢。由此可见，系统动态响应的快速性、高精度与系统稳定性之间存在着矛盾，在系统设计时须针对具体的系统要求，均衡考虑各指标。

1.5.2本课程的基本内容

本课程的主要内容可以分为三个方面:

1. 根据系统的结构和参数，分析系统的稳定性动态性能指标和稳态误差。为此，首先建立系统的模型，然后，依据建立模型的形式，分别采用时域法、根轨迹法和频域法对控制系统进行分析。（上述内容在本书第二章、第三章、第四章、第五章。）

2. 按照所给的控制任务或系统具体的性能要求，设计一个合理的控制装置，并确定其结构和参数。（上述内容在本书第六章）

3. 利用计算机辅助分析和设计手段，利用Matlab软件工具，对反馈控制系统进行分析。这方面内容分布在相应各章。

此外，有关非线性系统的分析在第七章，离散时间系统的分析在本节第八章，第九章则对Matlab反馈控制系统分析、设计中使用到的有关函数进行了介绍。