李紅

摘 要： 本文介紹了判斷我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢扇钡淖詣涌刂葡到y(tǒng)優(yōu)劣的分析方法，將控制系統(tǒng)是否同時兼顧穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確三個方面的要求作為評判標(biāo)準(zhǔn)，通過檢測自動控制系統(tǒng)的超調(diào)量、上升時間、調(diào)節(jié)時間和振蕩次數(shù)等參數(shù)作為具體衡量標(biāo)準(zhǔn)，并對不同的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制方法的分類。

關(guān)鍵詞： 控制系統(tǒng) 性能分析 性能指標(biāo) 控制方法

隨著新材料、新技術(shù)、新工藝及數(shù)學(xué)的應(yīng)用，自動化和它的控制理論越來越廣泛地應(yīng)用到不同領(lǐng)域，不僅涉及高科技航天領(lǐng)域，像飛船上天，太空艙對接及對火星的探索，以及海洋深處5千米的下潛，更廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動化、醫(yī)學(xué)、金融等方面，也滲透在我們的生活中。我們身邊更是無處不存在自動化電氣設(shè)備，例如：空調(diào)、電視、手機(jī)等，我們越來越離不開這些省時、省力、快捷、方便的電氣自動化設(shè)備。

一個自動控制系統(tǒng)它調(diào)節(jié)的過渡過程好壞如何評判？如何買一臺冰箱？很多人可能更重視冰箱的性能價格比、售后服務(wù)、耐用及功能等。對于自動控制系統(tǒng)的研究，我們更重視的是冰箱制冷的過渡過程。

一、系統(tǒng)性能分析方法

1.系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性

如果有五臺同樣品牌同型號的冰箱，但它們的制冷過程不同你會如何選擇購買呢？這個制冷過程如下圖所示：

分析如下：①號冰箱相對于其他是最穩(wěn)的，⑤號冰箱是制冷最快的，但明顯看出它是不穩(wěn)定的，而①②③④號冰箱只要給它們足夠的時間，從理論上分析都能達(dá)到要求的精度，因為它們的過渡曲線是隨著時間不斷接近目標(biāo)值的，用數(shù)學(xué)方法分析當(dāng)時間足夠長時它是收斂的。

所以如何評價一個系統(tǒng)就是衡量一個自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，就是這個自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。綜合以上的分析可以得出我們希望系統(tǒng)比較穩(wěn)、比較準(zhǔn)和比較快，但它們是相互制約的。對不同控制系統(tǒng)的性能要求應(yīng)有適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，例如有些系統(tǒng)比較強調(diào)準(zhǔn)確性，有些系統(tǒng)會對快速性要求更高，但無論哪種穩(wěn)定性都是最重要的。

2.超調(diào)量、上升時間、調(diào)節(jié)時間和振蕩次數(shù)

要比較每個自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性可以用下面的參數(shù)說明。

（1）大超調(diào)量δ%：超過目標(biāo)值的最大偏差量與目標(biāo)值之比，用百分比表示。

超調(diào)量越大說明穩(wěn)定性越差，而快速性越好，它們是相互制約的、矛盾的。

（2）上升時間tr：從開始上升時間到第一次到達(dá)目標(biāo)值的時間。理想狀態(tài)下希望越短越好，在實際的自動控制系統(tǒng)中是不可能的。

（3）調(diào)節(jié)時間Ts：從開始上升到不斷調(diào)整后進(jìn)入到穩(wěn)定的誤差范圍內(nèi)的時間。正是這段時間也可以稱作動態(tài)過程，之后的時間稱為穩(wěn)態(tài)。通常所指的動態(tài)性能指標(biāo)包括穩(wěn)定性和快速性，穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)就是準(zhǔn)確性。穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)是不能混為一談的，一定要分清。

（4）振蕩次數(shù)N：從開始上升到反復(fù)穿越目標(biāo)值的次數(shù)。理想狀態(tài)下希望N=0.5次。這是考慮到三項指標(biāo)的綜合性。

二、控制系統(tǒng)的控制方法分類

1.在閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中學(xué)習(xí)和研究的環(huán)節(jié)

每個自動控制系統(tǒng)中被控裝置千差萬別，例如：加熱器、電機(jī)、水泵、閥門等等，被控量各不相同，例如：溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、流量、壓力和燈光等。采集這些被控量的傳感器當(dāng)然也不同，例如測溫的熱敏電阻或熱電偶、測速直流電機(jī)、壓敏電阻，光敏電阻等，它們涉及的知識非常廣泛，但都離不開的是控制器，也就是控制方法。我們選擇不同的控制方法就決定了這個系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

2.控制方法

（1）不連續(xù)調(diào)節(jié)器：例如前面提到的開關(guān)控制，也稱為斷續(xù)控制，因為它隨時間的變化是跳躍的，表現(xiàn)為兩個狀態(tài)，開或關(guān)狀態(tài)時就稱為二位調(diào)節(jié)，俗稱開關(guān)調(diào)節(jié)器。它的執(zhí)行器件有些設(shè)備中選用的是繼電器，因為繼電器不適合頻繁的開關(guān)作用，所以一般用在精度要求不高的系統(tǒng)中。

（2）連續(xù)調(diào)節(jié)器：工業(yè)中的控制量和控制環(huán)境比較復(fù)雜，單純僅使用開關(guān)控制是不夠的，用比例積分微分控制是一種比較經(jīng)典的控制方法。因為這種控制器是隨時間變化而連續(xù)的，它能夠更好地跟蹤輸入量的變化，從而達(dá)到比較理想的控制效果，最重要的是它能夠用數(shù)學(xué)方式表達(dá)輸入與輸出的作用關(guān)系。

在做自動控制系統(tǒng)設(shè)計時通常我們需要選擇控制儀表，也就是我們說的控制方法，所以對閉環(huán)控制系統(tǒng)講最重要的是控制器。針對不同的控制量和不同的控制裝置選擇與之配套的控制儀表，當(dāng)然還要關(guān)注控制儀表的調(diào)節(jié)參數(shù)范圍和儀表控制量的輸出特征。例如：它的比例調(diào)整范圍、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)的調(diào)整范圍及輸出驅(qū)動方式。