自動控制系統的優劣評價分析

李紅

摘 要： 本文介紹了判斷我們日常生活中必不可缺的自動控制系統優劣的分析方法，將控制系統是否同時兼顧穩定、快速、準確三個方面的要求作為評判標準，通過檢測自動控制系統的超調量、上升時間、調節時間和振蕩次數等參數作為具體衡量標準，并對不同的控制系統進行控制方法的分類。

關鍵詞： 控制系統 性能分析 性能指標 控制方法

隨著新材料、新技術、新工藝及數學的應用，自動化和它的控制理論越來越廣泛地應用到不同領域，不僅涉及高科技航天領域，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，更廣泛地應用在工業自動化、醫學、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備，例如：空調、電視、手機等，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備。

一個自動控制系統它調節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、耐用及功能等。對于自動控制系統的研究，我們更重視的是冰箱制冷的過渡過程。

一、系統性能分析方法

1.系統的穩定性、準確性和快速性

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的，⑤號冰箱是制冷最快的，但明顯看出它是不穩定的，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值的，用數學方法分析當時間足夠長時它是收斂的。

所以如何評價一個系統就是衡量一個自動控制系統的性能指標，就是這個自動控制系統的穩定性、準確性和快速性。綜合以上的分析可以得出我們希望系統比較穩、比較準和比較快，但它們是相互制約的。對不同控制系統的性能要求應有適當的調整，例如有些系統比較強調準確性，有些系統會對快速性要求更高，但無論哪種穩定性都是最重要的。

2.超調量、上升時間、調節時間和振蕩次數

要比較每個自動控制系統的穩定性、準確性和快速性可以用下面的參數說明。

（1）大超調量δ%：超過目標值的最大偏差量與目標值之比，用百分比表示。

超調量越大說明穩定性越差，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目標值的時間。理想狀態下希望越短越好，在實際的自動控制系統中是不可能的。

（3）調節時間Ts：從開始上升到不斷調整后進入到穩定的誤差范圍內的時間。正是這段時間也可以稱作動態過程，之后的時間稱為穩態。通常所指的動態性能指標包括穩定性和快速性，穩態性能指標就是準確性。穩定性和穩態是不能混為一談的，一定要分清。

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

二、控制系統的控制方法分類

1.在閉環控制系統的結構中學習和研究的環節

每個自動控制系統中被控裝置千差萬別，例如：加熱器、電機、水泵、閥門等等，被控量各不相同，例如：溫度、電機轉速、流量、壓力和燈光等。采集這些被控量的傳感器當然也不同，例如測溫的熱敏電阻或熱電偶、測速直流電機、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的性能指標。

2.控制方法

（1）不連續調節器：例如前面提到的開關控制，也稱為斷續控制，因為它隨時間的變化是跳躍的，表現為兩個狀態，開或關狀態時就稱為二位調節，俗稱開關調節器。它的執行器件有些設備中選用的是繼電器，因為繼電器不適合頻繁的開關作用，所以一般用在精度要求不高的系統中。

（2）連續調節器：工業中的控制量和控制環境比較復雜，單純僅使用開關控制是不夠的，用比例積分微分控制是一種比較經典的控制方法。因為這種控制器是隨時間變化而連續的，它能夠更好地跟蹤輸入量的變化，從而達到比較理想的控制效果，最重要的是它能夠用數學方式表達輸入與輸出的作用關系。

在做自動控制系統設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，所以對閉環控制系統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，當然還要關注控制儀表的調節參數范圍和儀表控制量的輸出特征。例如：它的比例調整范圍、積分時間常數和微分時間常數的調整范圍及輸出驅動方式。