第1章 自动控制系统概述
1.5 自动控制系统的性能指标
1、系统的稳定性（Stability）
稳定性是保证控制系统正常工作的先决条 件。 一个稳定的控制系统， 其被控量偏离期望 值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。
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图1-13 稳定系统和不稳定系统
a)稳定系统
b)不稳定系统
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2) 离 散 控 制 系 统 (Discrete Control System)
离散控制系统又称采样数据控制系统 （Sampted-Date Control System）。 它的特 点是： 系统中有的信号是脉冲序列或采样数据 量或数字量。
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3、按系统的输出量和输入量间的关系分 类
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2 、系统的稳态性能指标
(Steaty-State Performance Specification)
当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重 新平衡后，系统会出现偏差，这种偏差称为稳态误差 (ess)(Steady-State Error)。系统稳态误差的大小反映了系统的稳 态精度(或静态精度)(Static Accuracy)，它表明了系统的准确程度。 稳态误差 ess 越小，则系统的稳态精度越高。
小，则说明系统过渡过程进行得越平稳。
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（2）、调整时间( ts )(Settling Time)
调整时间是给定量作用于系统开始，到输出量进入 并一直保持在离稳态值的允许误差带内所需要的时间。
（3）、振荡次数(N)(Order Number)
振荡次数是指在调整时间内，输出量在稳态值上下 摆动的次数。
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图1-15 系统对突加给定信号的动态响应曲线
第1章 自动控制系统概述
（1）、最大超调量( )(Maximum Overshoot)
最大超调量是输出量c(t)与稳态值c 的最大偏差
与稳态值 cmax 之比。
即


cmax
c
100%
最大超调量反映了系统的动态精度，最大超调量越
第1章 自动控制系统概述
食品加工的在线调和——流量控制——如生产调和油
第1章 自动控制系统概述
化工厂中的温度、压力、流量的控制
第1章 自动控制系统概述
发电厂的生产控制——木屑发电原理
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2、按系统传输信号对时间的关系分类 自动控制系统按系统传输信号对时间的 关系可分为两类。 1) 连续控制系统（Continuous Control System） 连续控制系统的特点是：各元件的输入 量或输出量都是连续量或模拟量， 因此它又称 为模拟控制系统（Analogue Control System）。 连续控制系统的运动规律通常可用微分方程来 描述。
(4) 扰动量（Disturbance Variable）: 又 称干扰或“噪声”（Noise）， 所以扰动量的 角标常以d（或n）表示。 它通常指引起输出 量发生变化的各种因素。
(5) 中间变量(Semifinisbed Variable)： 系统中各环节之间的作用量。
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【例1-1】 水位控制系统。
②日本FANUC数控系统 下图为FANUC数控系统： 交流变频伺服系统(刀架精确定位)
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3) 过 程 控 制 系 统 (Process Control System)
过程控制系统的特点是： 输入量按照一定 的时间函数变化， 并且要求输出量随之变化。 对其中的每一个局部，它们可能是一种随动控制 系统，也可能是按程序指令变化的恒值控制系统。
自动控制系统按系统的输出量和输入量间 的关系可分为两类。
1) 线性系统(Linear System) 线性系统的特点是： 系统全部由线性元 件组成， 它输出量和输入量间的关系用线性微 分方程来描述。可应用叠加定理。
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2) 非线性系统(Nonlinear System) 非线性系统的特点是： 系统中存在有非 线性元件， 如具有死区、 出现饱和、 含有摩 擦等非线性特性的元件， 要用非线性微分方程 来描述。
(7) 反馈环节（Feedback Element）： 由它将输出量引出， 再回送到控制部分。
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由图 1 - 6 可见， 系统中的各种作用量和被控 制量包括：
(1) 输入量（Input Variable）： 又称控制 量或调节量（Reference Input Variable）， 所 以输入量的角标常用i(或 r)表示。它通常由给定 信号电压构成,或通过检测元件将非电输入量转 换成信号电压。
若系统输出量通过反馈环节返回来作用 于控制部分， 形成闭合环路， 则这样的系统 称为闭环控制系统， 又称为反馈控制系统 (Feedback Control System)。
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图 1 - 3 电炉箱恒温自动控制系统
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图 1 - 4 电炉箱自动控制系统的组成框图
图1-10 位置跟随系统示意图
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图1-11 雷达天线位置跟随系统框图
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2、工作原理
图1-12 雷达天线位置跟随自动调节过程
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1.4 自动控制系统的分类
自动控制系统可以从不同的角度来进行分 类， 常见的有以下几种。
1、按输入量变化的规律分类 自动控制系统按输入量变化的规律可分为 以下三类。 1) 恒值控制系统(Fixed Set-Point Control System) 恒值控制系统的特点是： 系统的输入量是 恒量， 并且要求系统的输出量相应地保持恒定。
(4) 放大元件（Amplifying Element）： 由于偏 差信号一般很小， 因此要经过电压放大及功率放大， 以驱动执行元件。
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(5) 执行元件（Executive Element）： 驱动被控制对象的环节。
(6) 控制对象（Controlled Plant）： 亦 称被调对象。
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输入量 控制器 (控 制 脉 冲 )
(脉 冲 分 配 器 )
执 行元 件 (步 进 电 动 机 及 传 动 机 构 )
控制对象 输出量 (位 移 )
(工 作 台 )
图 1 – 2 数控加工机床开环控制框图
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2 、 闭 环 控 制 系 统 (Closed Loop Control System)
所谓自动控制， 就是在没有人直接参与的 情况下， 利用控制装置对生产过程、 工艺参数、 目标要求等进行自动的调节与控制， 使之按照 预定的方案达到要求的指标。
自动控制系统性能的优劣， 将直接影响到 产品的产量、 质量、 成本、 劳动条件和预期目 标的完成。
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自动控制技术的应用可以追溯到18世纪 (1788年)瓦特(Watt)利用小球离心调速器使蒸 汽机转速保持恒定的开创性的突破， 以及19 世纪(1868年)麦克斯威尔（Maxwell）对轮船 摆动（稳定性）的研究。 但在初期， 自动控 制技术的应用进展很缓慢。 自动控制技术的真 正发展是在20世纪。
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自动控制理论通常可分为经典控制理论、 现代控制理论和智能控制理论。
1、 经典控制理论产生并发展于20世纪40～60 年代。 2、 现代控制理论于20世纪60年代中期发展成 熟。 3、 智能控制理论是20世纪70年代后， 控制理 论向广度和深度发展的结果。
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4、按系统中的参数对时间的变化情况分 类
1) 定常系统（Time-Invariant System） 定常系统(又称时不变系统) ，其特点是： 系统的全部参数不随时间变化， 它用定常微分 方程来描述。 2) 时变系统(Time-Varying System) 时变系统的特点是： 系统中有的参数是 时间t的函数， 它随时间变化而改变。
在数控机床控制系统中,目前国内用得较多 得两种系统:
①德国西门子数控系统(SINUMER1K 810D) 主轴——交流高速变频调速电机(恒值控制) 转速可达15000r/min(铣刀、齿轮) 刀架——位置随动系统 交流伺服电动机(变频) 系统如下图所示：
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(2) 输出量（Output Variable）： 又称被控 制量（Controlled Variable）, 所以输出量角标 常用o(或 c)表示。它是被控制对象的输出，是自 动控制的目标。
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(3) 反馈量（Feedback Variable）： 通 过检测元件将输出量转变成与给定信号性质相 同且数量级相同信号电压。
图1-7 水位控制系统示意图
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图1-8 水位控制系统的组成框图
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2.工作原理 3.自动调节过程
直至Q1=Q2,H=H0，UB=UA，△U=0时，电动机停转为止 图1-9 水位控制系统的自动调节过程
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【例1-2】 位置跟随系统。 1、系统的组成
(1) 给定元件（Command Element）： 由它调节 给定信号（UsT）， 以调节输出量的大小。
(2) 检测元件（Detecting Element）： 由它检测 输出量（如炉温T）的大小， 并反馈到输入端。
(3) 比较环节（Comparing Element）： 在此处， 反馈信号与给定信号进行叠加， 信号的极性以“+”或 “-”表示。