自动控制系统的优劣评价分析

李红

摘 要： 本文介绍了判断我们日常生活中必不可缺的自动控制系统优劣的分析方法，将控制系统是否同时兼顾稳定、快速、准确三个方面的要求作为评判标准，通过检测自动控制系统的超调量、上升时间、调节时间和振荡次数等参数作为具体衡量标准，并对不同的控制系统进行控制方法的分类。

关键词： 控制系统 性能分析 性能指标 控制方法

随着新材料、新技术、新工艺及数学的应用，自动化和它的控制理论越来越广泛地应用到不同领域，不仅涉及高科技航天领域，像飞船上天，太空舱对接及对火星的探索，以及海洋深处5千米的下潜，更广泛地应用在工业自动化、医学、金融等方面，也渗透在我们的生活中。我们身边更是无处不存在自动化电气设备，例如：空调、电视、手机等，我们越来越离不开这些省时、省力、快捷、方便的电气自动化设备。

一个自动控制系统它调节的过渡过程好坏如何评判？如何买一台冰箱？很多人可能更重视冰箱的性能价格比、售后服务、耐用及功能等。对于自动控制系统的研究，我们更重视的是冰箱制冷的过渡过程。

一、系统性能分析方法

1.系统的稳定性、准确性和快速性

如果有五台同样品牌同型号的冰箱，但它们的制冷过程不同你会如何选择购买呢？这个制冷过程如下图所示：

分析如下：①号冰箱相对于其他是最稳的，⑤号冰箱是制冷最快的，但明显看出它是不稳定的，而①②③④号冰箱只要给它们足够的时间，从理论上分析都能达到要求的精度，因为它们的过渡曲线是随着时间不断接近目标值的，用数学方法分析当时间足够长时它是收敛的。

所以如何评价一个系统就是衡量一个自动控制系统的性能指标，就是这个自动控制系统的稳定性、准确性和快速性。综合以上的分析可以得出我们希望系统比较稳、比较准和比较快，但它们是相互制约的。对不同控制系统的性能要求应有适当的调整，例如有些系统比较强调准确性，有些系统会对快速性要求更高，但无论哪种稳定性都是最重要的。

2.超调量、上升时间、调节时间和振荡次数

要比较每个自动控制系统的稳定性、准确性和快速性可以用下面的参数说明。

（1）大超调量δ%：超过目标值的最大偏差量与目标值之比，用百分比表示。

超调量越大说明稳定性越差，而快速性越好，它们是相互制约的、矛盾的。

（2）上升时间tr：从开始上升时间到第一次到达目标值的时间。理想状态下希望越短越好，在实际的自动控制系统中是不可能的。

（3）调节时间Ts：从开始上升到不断调整后进入到稳定的误差范围内的时间。正是这段时间也可以称作动态过程，之后的时间称为稳态。通常所指的动态性能指标包括稳定性和快速性，稳态性能指标就是准确性。稳定性和稳态是不能混为一谈的，一定要分清。

（4）振荡次数N：从开始上升到反复穿越目标值的次数。理想状态下希望N=0.5次。这是考虑到三项指标的综合性。

二、控制系统的控制方法分类

1.在闭环控制系统的结构中学习和研究的环节

每个自动控制系统中被控装置千差万别，例如：加热器、电机、水泵、阀门等等，被控量各不相同，例如：温度、电机转速、流量、压力和灯光等。采集这些被控量的传感器当然也不同，例如测温的热敏电阻或热电偶、测速直流电机、压敏电阻，光敏电阻等，它们涉及的知识非常广泛，但都离不开的是控制器，也就是控制方法。我们选择不同的控制方法就决定了这个系统的性能指标。

2.控制方法

（1）不连续调节器：例如前面提到的开关控制，也称为断续控制，因为它随时间的变化是跳跃的，表现为两个状态，开或关状态时就称为二位调节，俗称开关调节器。它的执行器件有些设备中选用的是继电器，因为继电器不适合频繁的开关作用，所以一般用在精度要求不高的系统中。

（2）连续调节器：工业中的控制量和控制环境比较复杂，单纯仅使用开关控制是不够的，用比例积分微分控制是一种比较经典的控制方法。因为这种控制器是随时间变化而连续的，它能够更好地跟踪输入量的变化，从而达到比较理想的控制效果，最重要的是它能够用数学方式表达输入与输出的作用关系。

在做自动控制系统设计时通常我们需要选择控制仪表，也就是我们说的控制方法，所以对闭环控制系统讲最重要的是控制器。针对不同的控制量和不同的控制装置选择与之配套的控制仪表，当然还要关注控制仪表的调节参数范围和仪表控制量的输出特征。例如：它的比例调整范围、积分时间常数和微分时间常数的调整范围及输出驱动方式。