自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)劣評(píng)價(jià)分析

李紅

摘 要： 本文介紹了判斷我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢扇钡淖詣?dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)劣的分析方法，將控制系統(tǒng)是否同時(shí)兼顧穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確三個(gè)方面的要求作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，通過檢測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩次數(shù)等參數(shù)作為具體衡量標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)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(dòng)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(duì)接及對(duì)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(dòng)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(wú)處不存在自動(dòng)化電氣設(shè)備，例如：空調(diào)、電視、手機(jī)等，我們?cè)絹碓诫x不開這些省時(shí)、省力、快捷、方便的電氣自動(dòng)化設(shè)備。

一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)它調(diào)節(jié)的過渡過程好壞如何評(píng)判？如何買一臺(tái)冰箱？很多人可能更重視冰箱的性能價(jià)格比、售后服務(wù)、耐用及功能等。對(duì)于自動(dòng)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(tái)同樣品牌同型號(hào)的冰箱，但它們的制冷過程不同你會(huì)如何選擇購(gòu)買呢？這個(gè)制冷過程如下圖所示：

分析如下：①號(hào)冰箱相對(duì)于其他是最穩(wěn)的，⑤號(hào)冰箱是制冷最快的，但明顯看出它是不穩(wěn)定的，而①②③④號(hào)冰箱只要給它們足夠的時(shí)間，從理論上分析都能達(dá)到要求的精度，因?yàn)樗鼈兊倪^渡曲線是隨著時(shí)間不斷接近目標(biāo)值的，用數(shù)學(xué)方法分析當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)它是收斂的。

所以如何評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)就是衡量一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，就是這個(gè)自動(dòng)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(duì)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(qiáng)調(diào)準(zhǔn)確性，有些系統(tǒng)會(huì)對(duì)快速性要求更高，但無(wú)論哪種穩(wěn)定性都是最重要的。

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

要比較每個(gè)自動(dòng)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(shí)間tr：從開始上升時(shí)間到第一次到達(dá)目標(biāo)值的時(shí)間。理想狀態(tài)下希望越短越好，在實(shí)際的自動(dòng)控制系統(tǒng)中是不可能的。

（3）調(diào)節(jié)時(shí)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(shí)間。正是這段時(shí)間也可以稱作動(dòng)態(tài)過程，之后的時(shí)間稱為穩(wěn)態(tài)。通常所指的動(dòng)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(xiàng)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(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被控裝置千差萬(wàn)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(cè)溫的熱敏電阻或熱電偶、測(cè)速直流電機(jī)、壓敏電阻，光敏電阻等，它們涉及的知識(shí)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(gè)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?yàn)樗S時(shí)間的變化是跳躍的，表現(xiàn)為兩個(gè)狀態(tài)，開或關(guān)狀態(tài)時(shí)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?yàn)槔^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?yàn)檫@種控制器是隨時(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)講最重要的是控制器。針對(duì)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(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)的調(diào)整范圍及輸出驅(qū)動(dòng)方式。