自动控制系统的性能指标及要求
自动化系统运行指标
自动化系统运行指标引言概述：自动化系统运行指标是衡量自动化系统运行效果和性能的重要指标，对于提高生产效率、降低成本和优化资源配置具有重要意义。
本文将从五个大点来阐述自动化系统运行指标的重要性和应用。
正文内容：1. 自动化系统稳定性指标1.1 系统可用性：衡量系统连续运行的能力，包括故障率、平均修复时间等指标。
1.2 可靠性：反映系统正常运行的概率，包括平均无故障时间、故障间隔时间等指标。
1.3 容错性：指系统在发生故障时的自我修复和恢复能力，包括备份、冗余等机制。
2. 自动化系统性能指标2.1 响应时间：衡量系统对输入请求的响应速度，包括平均响应时间、最大响应时间等指标。
2.2 吞吐量：指系统单位时间内能够处理的请求量，反映系统的处理能力。
2.3 并发性能：指系统在同时处理多个请求时的稳定性和效率，包括并发用户数、并发事务数等指标。
3. 自动化系统安全指标3.1 数据安全：指系统对数据的保护和防护能力，包括数据备份、数据加密等措施。
3.2 访问控制：指系统对用户访问权限的管理和控制，包括用户认证、权限分配等机制。
3.3 安全审计：指系统对用户操作进行记录和审计，保证系统运行的安全性和可追溯性。
4. 自动化系统可维护性指标4.1 可测试性：指系统易于进行测试和验证的程度，包括测试覆盖率、测试用例设计等指标。
4.2 可扩展性：指系统能够方便地进行功能扩展和升级的程度，包括模块化设计、接口标准化等机制。
4.3 可修复性：指系统在发生故障时的修复难度和成本，包括故障定位、故障排除等指标。
5. 自动化系统效益指标5.1 生产效率：指系统在生产过程中的资源利用率和产出效率，包括生产周期、产量等指标。
5.2 成本效益：指系统投入与产出之间的关系，包括投资回报率、成本降低等指标。
5.3 资源优化：指系统在资源分配和利用上的优化程度，包括人力资源、物料资源等的合理利用。
总结：自动化系统运行指标对于衡量系统的稳定性、性能、安全性、可维护性和效益具有重要意义。
自动控制系统的性能指标(快速性、准确性)
给定值阶跃响应曲线
二、快速性指标
反映了系统受到扰动响应的快慢
• 快速性即动态过程进行的时间 的长短。过程时间越短，说明 系统快速性越好，反之说明系 统响应迟钝，如曲线①所示。
二
1 调节时间ts
定义：
系统受到阶跃扰动后 被调量y(t)开始变化起，到 其最先一次进入稳定值y(∞) 上下一定范围内波动，并 且以后不再越出此范围所 需要的时间。
在定值控制系统中，突出的要求是克服扰动的性能。
在随动控制系统中突出的要求是跟踪性能。
内容小结
准确性 指标
快速性 指标
感谢观看
静态偏差是指被调量的稳态 值与给定值的长期偏差。
静态偏差是衡量控制系统准 确性的重要指标之一，它反映了 控制系统的调节精度。
根据静态偏差的大小，可分 为无差调节系统和有差调节系统。
给定值阶跃响应曲线
2 最大动态偏差ym或超调量σ
定值控制系统
常用最大动态偏差ym这个指标来衡量被调量偏
离给定值的程度。
t≥ts 时 ｜ y（t）－ y（∞）｜≤ △ ，△= {±5% % y（∞）｜或±2% ｜ y（∞）｜}
2 峰值时间tp 定义：
从系统输出量开始变化起，到它达到第一个峰值所需的时间。
小结
以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对 象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统 的稳、快、准的要求是相互制约的。
ym＝y1＋y(∞)
随动控制系统
常用超调量这个指标来衡量被控制量偏离给定
值的程度。超调量σ可定义为：
y1
y
100%
2 最大动态偏差ym或超调量σ
• 若ym或σ越大，则表示被调量 偏离生产规定的状态越远。 实际系统希望ym或σ越小越好。
自动控制系统最主要的性能指标
1.自动控制系统最主要的性能指标？
答：1、稳定性:稳定性是一切的根本,系统不稳定,便不具备讨论其他性能的条件,以闭环极点的位置判断系统的稳定性
2、快速性:指系统能否快速跟随给定值,给出期望的响应,一般以阶跃下的ts,即调节时
间作为指标.此外还有延迟时间td、上升时间tr等
3、准确性:即系统的静差亦即稳态误差,指系统能否精确地跟随给定
2.经典控制常用的数学模型，其中传递函数的描述是什么？
答
3.闭环系统稳定的充分必要条件？
答：闭环系统特征方程的所有根均具有负实部，或者说闭环函数的极点均严格位于左半S 平面。
4.典型函数的拉氏变换与输入信号的关系？
答：
5.线性定常系统的起点？
6.异谐系统单位响应是什么样的特性？
7.二阶系统超调量与系统参数的关系，响应形式与阻尼比的关系？
8.系统中是否存在稳态误差，与什么有关系，如何
9.更轨迹的意义
10.正弦输入下，线性定常输出特性，稳态
11.波特图各波数与系统特性之间的关系
12.校正的目的
13.最小相位系统的概念
14.劳斯特稳定性
1．已知响应阶跃表达求传递函数？
2．方框图化解
3．已知最小相位系统的对数抚平特性，问阶跃特性曲线，求开环传递函数？
4．分析闭环自动系统特点，举应用实例？
5．。
自动控制系统的分类和品质指标
自动控制系统的分类和品质指标1.根据控制对象的性质分类：连续控制系统和离散控制系统。
连续控制系统是指被控对象和控制器的输入和输出都是连续的，如电机的转速控制系统；离散控制系统是指被控对象和控制器的输入和输出是离散的，如数字逻辑控制系统。
2.根据控制方式分类：开环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统是指控制器的输出不受被控对象状态的反馈影响，控制结果只依赖于被控对象的输入，如电视遥控器控制电视机的开关和音量；闭环控制系统是指控制器的输出通过传感器获得被控对象的状态反馈信息，根据反馈信息进行调整，如汽车上的自动驾驶系统。
3.根据控制器的性质分类：线性控制系统和非线性控制系统。
线性控制系统是指被控对象和控制器之间的关系可以用线性方程或线性差分方程描述，如传统的PID控制系统；非线性控制系统是指被控对象和控制器之间的关系不可用线性方程或线性差分方程描述，需要使用非线性控制算法进行设计，如模糊控制和神经网络控制。
品质指标是用来评价自动控制系统性能好坏的指标，常见的有以下几个方面：1.稳定性：指系统的输出能够在有限时间内收敛到一个稳定的状态，不会产生震荡或发散。
稳定性是评价自动控制系统最基本且最重要的性能指标。
2.快速性：指系统的输出能够在规定的时间内快速达到稳定状态。
快速性越高，系统的响应速度就越快。
3.精确性：指系统的输出与期望值之间的偏差程度。
精确性越高，系统的控制效果越好。
4.鲁棒性：指系统对于参数变化、干扰和噪声的鲁棒性能。
鲁棒性越好，系统对外界干扰的抵抗能力越强。
5.动态性：指系统响应时间的快慢和输出过程中的波动程度。
动态性越好，系统越能够适应复杂的工况需求。
6.经济性：指系统的设计成本、运行成本和维护成本。
经济性越好，系统的运营费用越低。
以上是自动控制系统的分类和品质指标的基本介绍，不同的自动控制系统根据其应用领域、控制目标和技术要求的不同，可能会使用不同的分类标准，并要求不同的品质指标。
在实际应用中，需要根据具体的需求和情况进行系统设计和性能评估，以确保自动控制系统的性能和品质达到预期的要求。
《自动控制原理》第三章自动控制系统的时域分析和性能指标
i1 n
]
epjt
j
(spj)
j1
j1
limc(t) 0的充要条件是 p j具有负实部
t
二.劳斯(Routh)稳定判据
闭环特征方程
a nsn a n 1 sn 1 a 1 s a 0 0
必要条件
ai0. ai0
劳斯表
sn s n1 s n2
| | |
a a n
n2
a a n 1
n3
b1 b2
或：系统的全部闭环极点都在复数平面的虚轴上左半部。
m
设闭环的传递函数：
(s)
c(s) R(s)
k (s zi )
i 1 n
(s p j )
P j 称为闭环特征方程的根或极点 j1
n
(s pj ) 0 称为闭环特征方程
j1
若R(s)=1,则C(s)= s m
k (szi)
n
c(t)L1[c(s)]L1[
t 3、峰值时间 p
误差带
4 、最大超调量
%
C C ( )
% max
100 %
C ( )
ts
5 、调节时间
ts
(
0 . 05
0
.
02
)
6、振荡次N数
e e 7、稳态误差 ss
1C()(对单位阶跃) 输入
ss
第三节 一阶系统的动态性能指标
一.一阶系统的瞬态响应
R(s) -
K0 T 0S 1
s5 | 1 3 2
s4 | 1 3 2
s3 | 4 6
s2
|
3 2
2
s1
|
2 3
s0 | 2
第2章 自动控制系统的性能指标及要求
3. 等幅振荡过程 被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变， 这种情况称为等幅振荡过程，如图2-4（c）所示。 4. 发散振荡过程 被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，即偏离给定值 越来越远，这种情况称为发散振荡过程，如图2-4（d）所示。
图2-4 过渡过程的几种基本形式
2.4 自动控制系统的性能指标
在随动控制系统中，通常用超调量来描述被控变量偏 离给定值最大程度。在图2-5中超调量用B来表示。从图中 可以看出，超调量B是第一个峰值A与新稳定值C之差，即 B=A－C。
如果系统的新稳定值等于给定值，那么最大偏差A也 就与超调量B相等了。一般超调量以百分数表示，即
B 100% C
(2-2)
指标采用偏差积分性能指标的形式。 下列公式中，式中，J为目标函数值；e为动态偏差。
J f (e, t )dt
0
(2-5)
通常采用4种表达形式：
（1）偏差积分（IE）
f (e, t ) e, J edt
0
(2-6) (2-7)
（2）平方偏差积分（ISE）
f (e, t ) e 2 , J e 2 dt
图2-1 控制系统动态过程曲线
图2-2 控制系统动态过程
由于被控对象的具体情况不同，各系统对稳、快、准 的要求应有所侧重。而且同一个系统，稳、快、准的要求 是相互制约的。提高动态过程的快速性，可能会引起系统 的剧烈振荡，改善系统的平稳性，控制过程又可能很迟缓 ，甚至会使系统的稳态精度很差。分析和解决这些矛盾， 将是自动控制理论学科讨论的重要内容。
稳定是控制系统能够运行的首要条件，因此只有当 动态过程收敛时，研究系统的动态性能才有意义。控制 系统的过渡过程是衡量控制性能的依据。由于在多数情 况下，都希望得到衰减振荡过程，所以取衰减振荡的过 渡过程形式来讨论控制系统的性能指标。通常在阶跃函 数作用下，测定或计算系统的动态性能。一般认为，阶 跃输入对系统来说是最严峻的工作状态。如果系统在阶 跃函数作用下的动态性能满足要求，那么系统在其它形 式的函数作用下，其动态性能也是令人满意的。
自动控制系统的控制方式及性能指标
自动控制系统的控制方式及性能指标自动控制系统是一种通过传感器、执行器和控制器等组成的复杂系统，可以对特定过程或设备进行自动化控制。
控制方式和性能指标是评价一个自动控制系统优劣的重要标准。
本文将介绍常见的自动控制系统的控制方式及其相关的性能指标。
一、开环控制开环控制是最简单的控制方式之一，它是指控制器对被控对象进行控制，但没有反馈信号参与。
开环控制系统主要通过既定的控制算法对被控对象输出信号进行调节。
这种控制方式无法对系统的实际状态进行准确的监测和调节，因此容易受到外界干扰的影响，导致输出信号与期望值之间存在偏差。
二、闭环控制闭环控制是一种基于反馈信号的控制方式，它通过传感器获取系统的实际状态信息，并将该信息传递给控制器进行实时调节。
闭环控制可以确保被控对象的输出信号与期望值之间的误差最小化。
这种控制方式具有较好的稳定性和鲁棒性，能够在系统出现扰动或参数变化时自动调整输出信号，使系统保持稳定运行。
闭环控制的性能指标主要包括以下几个方面：1. 响应时间：响应时间是指系统从受到输入信号到输出信号达到稳定状态所需的时间。
响应时间越短，系统的动态性能越好。
2. 稳定性：稳定性是指系统在受到扰动或参数变化时，能够保持输出信号在允许范围内波动较小的特性。
稳定性越好，系统的控制效果越优秀。
3. 误差指标：误差指标是评价闭环控制系统控制精度的重要指标。
常用的误差指标有稳态误差、峰值误差和超调量等，这些指标可以量化地反映系统输出信号与期望值之间的偏差程度。
4. 鲁棒性：鲁棒性是指系统对参数变化和外界干扰的适应能力。
一个鲁棒性较强的控制系统能够在参数变化或干扰较大的情况下仍能保持较好的控制效果。
5. 控制精度：控制精度是指系统输出信号与期望值之间的精度程度。
控制精度越高，系统的控制能力越强。
综上所述，自动控制系统的控制方式及性能指标是评价系统优劣的重要指标。
开环控制和闭环控制是常见的控制方式，而响应时间、稳定性、误差指标、鲁棒性和控制精度等性能指标可以客观评价系统的控制效果。
石油化工自动化及仪表概论2自动控制系统的性能指标及要求
(2-8)
（4）时间乘以偏差绝对值的积分（ITAE）
f (e,t) e t, J 0 etdt
(2-9)
例2-1 某化学反应器工艺规定操作温度为900±7℃。考虑 安全因素，生产过程中温度偏离给定值最大不得超过 45℃。现在设计的温度控制系统在最大阶跃干扰作用下 的过渡过程曲线如图2-6所示。试求系统的过渡过程品质 指标：最大偏差，余差，衰减比和过渡时间。根据这些 指标确定该控制系统能否满足题中所给的工艺要求，请 说明理由。
动态指标。它是阶跃响应曲线上前后相邻的两个同向波的
幅值之比，用符号n表示，即
n B B'
式中 B——第一个波的幅值
(2-1)
B——第二个波的幅值
B和B的幅值均以新稳态值为准进行计算。
2. 最大偏差和超调量
最大偏差是指过渡过程中，被控变量偏离给定值的最 大值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值 ，如图2-5中以A表示。
差系统。没有余差的控制过程称为无差调节，相应的系统
称为无差系统。
4．调节时间 调节时间是从过渡过程开始到结束所需的时间，又称为
过渡时间。 过渡过程要绝对地达到新的稳态，理论上需要无限长的
时间。但一般认为当被控变量进入新稳态值 5%或 2%范内, 并保持在该范围内时，过渡过程结束，此时所需要的时间称 为调节时间。调节时间是反映控制系统快速性的一个指标。
稳定性和快速性反映了系统在控制过程中的性能。系 统在跟踪过程中，被控量偏离给定值越小，偏离的时间越 短，说明系统的动态精度偏高，如图2-2中的曲线②所示 。
3. 准确性 是指系统在动态过程结束后，其被控变量（或反馈量
）对给定值的偏差而言，这一偏差即为稳态误差，它是衡 量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。
控制系统性能指标
控制系统性能指标控制系统是指通过采用传感器、执行器、控制器等设备来调节和控制生产自动化过程中，实现对工艺过程的控制。
而控制系统性能指标则是衡量控制系统实现控制目标的能力，也是评价一个控制系统优劣的重要指标。
在生产过程中，控制系统性能指标的合理设置和维护是保证生产效率和品质的关键之一。
本文将从控制系统性能指标的概念、重要性、影响因素及优化措施等多个方面进行探讨。
一、控制系统性能指标的概念控制系统性能指标是指采用各类数学模型和仿真技术，对控制系统的环节建立评价体系，在实现控制目标的前提下，对控制系统实现目标的质量进行衡量。
控制系统性能指标包括瞬态响应、稳态误差、超调量、抑制率、频率响应、稳定裕度等。
这些指标是控制系统设计者在优化控制系统性能时必须关注的方面，其中每个指标都是从不同侧面衡量控制系统的质量，有助于设计者全面了解控制系统的工作情况，进行有针对性的优化和调整。
二、控制系统性能指标的重要性控制系统性能指标对于保证控制系统的正常运行，提高生产效率、保证品质具有重要作用。
一方面，在现代化生产中，许多生产流程已经实现了高度自动化，控制系统的性能指标会关系到设备的稳定性能、工艺品质稳定水平、生产过程把控的准确性等方面，从而影响到生产成本和生产效益的提高和费用的降低。
另一方面，对于一些生产过程对品质要求比较高的工艺，如电子工艺、精细制造业等，控制系统性能指标会直接决定产品的工艺品质、产品出现问题的概率和条件，进而影响到企业生产和发展的长远战略。
三、控制系统性能指标的影响因素控制系统性能指标的影响因素多种多样，包括了硬件环境、控制算法、控制接入系统的参数。
其中，硬件环境的影响主要体现在传感器系统的采集精度和速度、执行机构的操作速度和精度等方面。
控制算法的影响主要来自于控制系统的精度和稳定性，即系统对外界干扰和变化能力的强弱。
控制接入系统的影响则表现在控制系统操作质量的响应速度和稳定性上。
四、控制系统性能指标的优化措施为提高控制系统的性能，优化控制系统性能指标是至关重要的。
自动控制原理：自动控制系统的性能指标
自动控制系统的类型
2. 性质 ① 满足叠加原理 ② 齐次定理
1)叠加性：如果用c1(t)表示由r1(t)产生的 输出，用c2(t)表示由r2(t)产生的输出，则 当r1(t)和r2(t)同时作用时，输出量为c1(t) + c2(t) 。
2)齐次性：如果用c(t)表示由r(t)产生的 输出量，则在Kr(t)作用下的输出量为 Kc(t)。
自动控制系统的类型
3. 判断方法
对方程
a0
d n yt
dtn
a1
d n1 yt
dt n1
...
an
yt
b0
d m xt
dtm
b1
d m1xt
dt m1
...
bm xt
其中x(t)为输入量,Y(t)为输出量.
若方程中,输入、输出量及各阶导数均为一次幂,且各 系数均与输入量(自变量)Ｘ（ｔ）无关.就可定义为①, 用拉氏变换可求出输入输出关系函数(传递函数,动态 数模)。
处或几处的信号是离散信号，则称为离散系统。 对控制系统性能的主要要求是稳定性、暂态性能和稳态性能等几个方
面。这些性能常常是互相矛盾的。
《自动控制原理》国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所 14
第二章
§2 自动控制系统的数学模型
0 序言 §2-1 动态微分方程式的编写 §2-2 非线性数学模型线性化 §2-3 传递函数 §2-4 系统动态结构图 §2-5 系统传递函数和结构图的等效变换 §2-6 信号流图
导读
为什么要介绍本章?
分析、设计控制系统的第一步是建立系统的数学模型。
本章主要讲什么内容?
首先介绍控制系统数学模型的概念，然后阐述分析、设计控 制系统常用的几种数学模型，包括微分方程、传递函数、结构 图以及信号流图。使读者了解机理建模的基本方法，着重了解 这些数学模型之间的相互关系。
自动控制系统的性能指标(热工控制与保护)
二
稳定性指标
衰减率φ
衰减比n
1 衰减率φ
衰减率是指每经过一个波动周期，被调量波动幅值减少的百分数。
给定值阶跃响应曲线
y1 y3 1 y3
y1
y1
式中 y1—偏离稳态值的第一个半波的幅值； y3—偏离稳态值的第三个半波的幅值。
1 衰减率φ
衰减率可用于判断调节过程的性质
y1 y3 1 y3
它也是衡量系统过渡过程稳定性的一 个动态指标，反映了振荡的衰减程度。
n<1表示系统不稳定的，振幅愈来愈大； n＝1 表示为等幅振荡； n>1 表示系统稳定； n=4 表示系统为4:1的衰减振荡。
给定值阶跃响应曲线
衰减率和衰减比的关系为：
内容小结
系能指标
稳定性
指标
（衰减率）
稳定性
指标
（衰减比）
感谢观看
则调节过程是不振荡的衰减过程(非周期过程)，这种系统稳定。
φ 不仅能判别系统是否稳定，并可衡量系统稳定程度的高低。
1 衰减率φ
0< φ≤1
其数值还可表明系统稳定程度的高低， φ 越大，系统稳定
φ
程度越高(距离临界稳定越远)。对于热工系统一般要求: φ=0. 75~0. 9。
2 衰减比n
衰减比n是指振荡过程的第一个波的振幅y1与第三个波的振幅y3之比。 即n＝y1/y3
热工控制与保护
调节系统 性能指标（1）
一、性能指标简介 二、稳定性指标
一、性能指标简介
性能指标是评价ห้องสมุดไป่ตู้节系统调节品质优劣的标准。
稳定性、准确性、快速性。
“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。 “准”是说明系统的稳态（静态）品质。
自动控制系统的性能评估指标
自动控制系统的性能评估指标自动控制系统是现代工业中的重要组成部分，它通过采集传感器信息并对其进行处理，从而实现对工业过程的控制。
然而，为了确保系统的有效运行，必须对自动控制系统的性能进行评估。
本文将探讨自动控制系统性能评估的指标，并对其进行详细说明。
一、稳定性稳定性是自动控制系统的基本要求之一。
它指的是系统在给定输入和负载变化的情况下，输出是否能够保持在期望值附近的能力。
稳定性评估指标包括：1. 稳态误差：系统输出与期望值之间的差异，常用于评估系统的准确性。
较小的稳态误差意味着系统的响应更为精确。
2. 收敛速度：系统从输入发生变化到输出稳定在期望值附近所需要的时间。
较快的收敛速度表示系统的响应更迅速。
二、动态性能除了稳定性外，自动控制系统的动态性能也是评估的关键指标之一。
它指的是系统对输入变化的响应速度和质量。
常见的动态性能评估指标包括：1. 响应时间：系统从输入变化到输出稳定在期望值附近所需的时间。
响应时间越短，系统响应越迅速。
2. 超调量：系统在响应过程中超过期望值的最大偏差。
较小的超调量表示系统的稳定性和准确性更高。
3. 阻尼比：描述系统振荡过程中阻尼能力的比例。
较高的阻尼比意味着系统的振荡减幅更快，响应更稳定。
三、鲁棒性鲁棒性是指自动控制系统对外界扰动或不确定性的抵抗能力。
评估鲁棒性的指标包括：1. 灵敏度：描述系统输出响应对参数变化的敏感程度。
较低的灵敏度表示系统对参数变化的抵抗能力更强。
2. 频率响应：描述系统对输入信号频率的响应特性。
较宽的频率响应范围意味着系统对不同频率的输入信号能够做出较好的响应。
四、可扩展性自动控制系统通常需要面对不同规模和复杂度的应用场景，因此可扩展性也是评估的重要指标之一。
可扩展性评估主要考虑以下因素：1. 系统规模：系统能够同时控制的设备数量或处理的数据量。
较大的系统规模意味着系统可以适应更大范围的应用场景。
2. 网络拓扑：系统中各个部分之间的连接方式。
自动化控制系统设计规范
自动化控制系统设计规范一、引言自动化控制系统设计规范是为了确保自动化控制系统的设计、建设和运行达到预期的目标，提高系统的可靠性、稳定性和安全性而制定的一系列规范和标准。
本文将详细介绍自动化控制系统设计规范的各个方面。
二、系统设计要求1. 系统功能要求：明确系统的功能需求，包括对控制对象的监测、测量和控制等功能。
2. 系统性能要求：确定系统的性能指标，如响应时间、稳定性、精度等。
3. 系统安全要求：确保系统在运行过程中不会对人员和设备造成伤害，包括防火、防爆、防电击等安全措施。
4. 系统可靠性要求：确保系统在长时间运行中能够正常工作，包括备份措施、故障诊断和恢复等。
5. 系统可维护性要求：设计系统时考虑到系统的可维护性，包括易于维修、易于更换部件等。
三、系统硬件设计规范1. 控制器选型：根据系统的功能和性能要求选择合适的控制器，包括PLC、DCS等。
2. 传感器选型：选择合适的传感器来监测和测量控制对象的状态，如温度传感器、压力传感器等。
3. 执行器选型：选择合适的执行器来控制控制对象的状态，如电动阀门、电机等。
4. 网络通信：设计合理的网络通信结构，确保控制系统各个部分之间能够进行有效的通信。
5. 电源设计：设计合理的电源系统，确保系统的稳定供电。
四、系统软件设计规范1. 系统架构设计：设计合理的系统架构，包括控制逻辑、数据采集和处理等。
2. 编程规范：编写规范的程序代码，确保程序的可读性和可维护性。
3. 数据存储和管理：设计合理的数据存储和管理方案，确保数据的安全和可靠性。
4. 人机界面设计：设计友好的人机界面，方便操作和监测系统状态。
5. 系统调试和测试：设计合理的调试和测试方案，确保系统能够正常工作。
五、系统运行和维护规范1. 运行管理：建立系统运行管理制度，包括运行记录、异常处理等。
2. 维护管理：建立系统维护管理制度，包括定期检查、维护和保养等。
3. 故障排除：建立故障排除流程，确保系统故障能够及时排除。
自动化系统运行指标
自动化系统运行指标自动化系统运行指标是衡量自动化系统运行效果和性能的重要指标。
在现代工业生产中，自动化系统的运行稳定性和效率直接关系到企业的生产效益和竞争力。
因此，制定一套科学合理的自动化系统运行指标是十分必要的。
一、自动化系统运行效果指标1. 生产效率指标：衡量自动化系统生产效率的指标，包括单位时间内的产量、生产速度、生产效益等。
2. 故障率指标：衡量自动化系统发生故障的频率和程度，包括故障次数、故障时间、故障率等。
3. 设备利用率指标：衡量自动化系统设备利用率的指标，包括设备运行时间、设备停机时间、设备利用率等。
4. 能耗指标：衡量自动化系统能源消耗的指标，包括电力消耗、燃气消耗、水资源消耗等。
二、自动化系统运行性能指标1. 响应速度指标：衡量自动化系统响应速度的指标，包括传感器响应速度、执行器响应速度等。
2. 精度指标：衡量自动化系统测量和控制精度的指标，包括测量精度、控制精度等。
3. 稳定性指标：衡量自动化系统稳定性的指标，包括系统稳定时间、系统稳定性能等。
4. 可靠性指标：衡量自动化系统可靠性的指标，包括系统故障率、系统可用性等。
三、自动化系统运行监测指标1. 数据采集指标：衡量自动化系统数据采集的指标，包括数据采集频率、数据采集准确性等。
2. 报警指标：衡量自动化系统报警功能的指标，包括报警准确率、报警响应时间等。
3. 运行状态指标：衡量自动化系统运行状态的指标，包括设备运行状态、系统运行状态等。
四、自动化系统运行维护指标1. 维护周期指标：衡量自动化系统维护周期的指标，包括设备维护周期、系统维护周期等。
2. 维修时间指标：衡量自动化系统维修时间的指标，包括设备维修时间、系统维修时间等。
3. 备件消耗指标：衡量自动化系统备件消耗的指标，包括备件消耗数量、备件消耗费用等。
以上仅为自动化系统运行指标的一部分示例，具体的指标设置应根据实际情况和需求进行确定。
通过对自动化系统运行指标的监测和评估，可以及时发现问题和改进不足，提高自动化系统的运行效果和性能，从而提升生产效率和竞争力。
自动控制原理--系统典型输入信号和性能指标
h(t)
超调量
1.0 0.9
延迟时
0.5 间
0.1 0
峰值时间
上升时间 调节时间
误差带 0.02或0.05
稳态误差 (t→∞)
t 图3-5 单位阶跃响应
(5)(最大)超调量：
阶跃p %响应曲线的最大偏离量h(tp)与终值之差的百分比，即
p%
c(t p ) c() c()
100 %
反映振荡性的强弱或平稳性的好坏。
3、斜坡(速度)函数(Ramp function)
r(t)
Rt t 0
r (t )
0
t 0
Rt
R(s)=R/s2
0
t
图 3-3 斜坡函数
式中R为常数。当R=1时，称为单位斜坡函数。
在实际系统中，这意味着一个随时间以恒速变 化增长的外作用。如大型船闸匀速升降时主拖动系 统发出的位置信号、数控机床加工斜面时的进给指 令等。
❖ 线性定常系统的微分特性：若系统在输入r(t)作 用下的零状态响应为c(t)，则输入微分dr(t)/dt作 用下的零状态响应为原零状态响应的微分 dc(t)/dt。
❖ 通常认为系统跟踪和复现阶跃输入，对随动系 统来说是较为严格的工作条件。在经典控制理 论中，通常选用阶跃函数作为典型输入作用信 号。
r(t)
r(t)
R 0
t 0 t0
R
R(s)=R/s
0 图 3-2 阶跃函数
t
式中R为常数。当R=1时，称为单位阶跃函数，记作1(t)。
在控制系统的分析设计中，阶跃函数是应用最 多的一种评价系统动态性能的典型外作用。如电源 的突然接通、电源电压突然跳动、指令的突然转换、 负荷的突变、飞机在飞行中遇到的常值阵风扰动等。
控制系统的性能指标与优化方法
控制系统的性能指标与优化方法控制系统在工业自动化和工程领域中发挥着重要作用。
为了保证系统的稳定性和可靠性，控制系统的性能指标至关重要。
本文将介绍一些常见的控制系统性能指标以及优化方法。
一、控制系统的性能指标1. 响应时间：响应时间是指系统从接收到输入信号到产生输出信号的时间。
一个良好的控制系统应该具有快速的响应时间，以便及时对外界变化做出响应。
2. 稳态误差：稳态误差是指系统在稳定状态下输出与期望输出之间的差异。
稳态误差越小，系统的控制精度越高。
3. 超调量：超调量是指系统输出在达到稳态之前超过期望输出的幅度。
合理控制超调量可以使系统更加稳定和可靠。
4. 调节时间：调节时间是指系统从初始状态到稳态所需要的时间。
一个高效的控制系统应该具有较短的调节时间，以提高系统的响应速度。
5. 控制精度：控制精度是指系统输出与期望输出之间的差异。
控制精度越高，系统的控制能力越强。
二、控制系统性能优化方法1. PID控制器优化：PID控制器是一种常见的控制器，可以通过调整其比例、积分和微分参数来优化控制系统的性能。
比例参数影响系统的稳态误差和超调量，积分参数影响稳态误差，微分参数影响系统的稳定性。
2. 状态反馈控制：状态反馈控制利用系统状态的信息来设计控制器，以优化系统的性能。
通过测量系统的状态变量并实时调整控制器的参数，可以改善系统的响应速度和控制精度。
3. 模糊控制：模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，可以处理非线性和模糊的系统。
通过将输入和输出之间的关系建模为模糊规则，可以根据实际情况进行控制优化。
4. 最优控制：最优控制是一种通过优化目标函数来设计控制器的方法。
通过选择合适的目标函数，可以使系统达到最佳的性能表现。
最优控制方法包括最小二乘控制、线性二次调节和模型预测控制等。
5. 鲁棒控制：鲁棒控制是一种具有强健性能的控制方法，可以处理系统参数变化和外部扰动等不确定性。
通过设计具有鲁棒性能的控制器，可以使系统对不确定性具有一定的鲁棒性，保证系统的稳定性和可靠性。
自动控制系统的科学衡量标准
自动控制系统的科学衡量标准自动控制系统的科学衡量标准可以包括以下几个方面：
1. 控制性能指标：衡量系统控制效果的指标，如稳定性、准确性、响应速度、抗干扰能力等。
这些指标可以通过控制系统的闭环响应曲线、误差曲线、频率响应等来进行评估和分析。
2. 可靠性和可用性：衡量系统的稳定性和可靠性，即系统在长时间运行中的故障率、可修复性和可恢复性。
这可以通过系统的故障率统计、故障诊断与恢复能力来评估。
3. 节能性和资源利用效率：衡量系统在实现控制目标的同时，对能源和资源的消耗情况。
这可以通过能源消耗统计、系统的能效指标来进行评估。
4. 成本效益：衡量系统投资与收益的关系，即系统所带来的控制效果相对于成本的比较。
这可以通过系统的投资成本、运行成本、节省成本等来进行评估。
5. 可拓展性和扩展性：衡量系统在应对变化和扩展需求方面的能力，即系统的可扩展性和灵活性。
这可以通过系统的模块化设计、接口兼容性和适应性来评估。
综合以上指标可以对自动控制系统进行科学的衡量和评估，以确保系统的稳定性、可靠性和性能优良。
具体的衡量标准可以根据应用领域、系统特点和需求而有所不同。
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图2-1 控制系统动态过程曲线 图2-2 控制系统动态过程
由于被控对象的具体情况不同，各系统对稳、快、准 的要求应有所侧重。而且同一个系统，稳、快、准的要求 是相互制约的。提高动态过程的快速性，可能会引起系统 的剧烈振荡，改善系统的平稳性，控制过程又可能很迟缓 ，甚至会使系统的稳态精度很差。分析和解决这些矛盾， 将是自动控制理论学科讨论的重要内容。
2.3 自动控制系统的过渡过程
控制系统在动态过程中，被控变量从一个稳态到达另 一个稳态随时间变化的过程称为过渡过程，也就是系统从 一个平衡状态过渡到另一平衡状态的过程。
被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的 干扰形式。在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且 多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全 和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃 干扰，如图2-3所示。
稳定性和快速性反映了系统在控制过程中的性能。系 统在跟踪过程中，被控量偏离给定值越小，偏离的时间越 短，说明系统的动态精度偏高，如图2-2中的曲线②所示。 3. 准确性
是指系统在动态过程结束后，其被控变量（或反馈量 ）对给定值的偏差而言，这一偏差即为稳态误差，它是衡 量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。
在自动化生产中，了解系统的静态是必要的，但是了 解系统的动态更为重要。这是因为在生产过程中，干扰是客 观存在的，是不可避免的。这些干扰是破坏系统平衡状态引 起被控变量发生变化的外界因素。因此，就需要通过自动化 装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从 而使被控变量保持在工艺生产所要求的技术指标上。
假若一个系统原先处于相对平衡状态即静态，由于干 扰的作用而破坏了这种平衡时，被控变量就会发生变化，从 而使控制器、控制阀等自动化装置改变原来平衡时所处的状 态，产生一定的控制作用来克服干扰的影响，并力图使系统 恢复平衡。从干扰发生开始，经过控制，直到系统重新建立 平衡，在这段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变 化状态之中，所以这种状态叫做动态。
好地克服，同时，这种干
扰的形式简单，容易实现说，自动控制系统的阶跃干扰作用下的过渡过程 有如图2-4所示的几种基本形式。
1. 非周期衰减过程 被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动， 最后稳定在某一数值上，这种过渡过程形式为非周期衰减过 程，如图2-4（a）所示。
第2章 自动控制系统的性能指标及要求
2.1 自动控制系统的基本要求 2.2自动控制系统的静态与动态 2.3 自动控制系统的过渡过程 2.4 自动控制系统的性能指标
2.1 自动控制系统的基本要求
为了实现自动控制的任务，必须要求控制系统的被控 变量（输出量）跟随给定值的变化而变化，希望被控变量 在任何时刻都等于给定值，两者之间没有误差存在。然而 ，由于实际系统中总是包含具有惯性或储能元件，同时由 于能源功率的限制，使控制系统在受到外作用时，其被控 变量不可能立即变化，而有一个跟踪过程。
由图可以看出，所谓阶跃干扰就是某一瞬间t0，干 扰（即输入量）突然地阶跃的加到系统上，并继续保
持在这个幅度。采取阶跃干扰的形式来研究自动控制
系统是因为考虑到这种形式的干扰比较突然，比较危
险，它对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统
能够有效地克服这种类型
的干扰，那么对于其它比
较缓和的干扰也一定能很
2. 衰减振荡过程 被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一
数值上，这种过渡过程形式为衰减振荡过程，如图2-4（b） 所示。
3. 等幅振荡过程 被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变，
这种情况称为等幅振荡过程，如图2-4（c）所示。 4. 发散振荡过程
被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，即偏离给定值 越来越远，这种情况称为发散振荡过程，如图2-4（d）所示。
图2-4 过渡过程的几种基本形式
2.4 自动控制系统的性能指标
稳定是控制系统能够运行的首要条件，因此只有当 动态过程收敛时，研究系统的动态性能才有意义。控制 系统的过渡过程是衡量控制性能的依据。由于在多数情 况下，都希望得到衰减振荡过程，所以取衰减振荡的过 渡过程形式来讨论控制系统的性能指标。通常在阶跃函 数作用下，测定或计算系统的动态性能。一般认为，阶 跃输入对系统来说是最严峻的工作状态。如果系统在阶 跃函数作用下的动态性能满足要求，那么系统在其它形 式的函数作用下，其动态性能也是令人满意的。
2.2自动控制系统的静态与动态
在自动化领域中，把被控变量不随时间而变化的平 衡状态称为系统的静态，而把被控变量随时间变化的不 平衡的状态称为系统的动态。
当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出 均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状 态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都 不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静 止状态，这种状态就是上述的静态。
控制系统的性能，可以用动态过程的特性来衡量，考 虑到动态过程在不同阶段的特点，工程上常常从稳定性（ 稳）、快速性（快）、准确性（准）三个方面来评价自动 控制系统的总体性能。
1. 稳定性
系统在受到外作用后，若控制装置能操纵被控对象，使 其被控变量随时间的增长而最终与给定期望值一致，则称系 统是稳定的，如图2-1曲线①所示。如果被控量随时间的增 长，越来越偏离给定值，则称系统是不稳定的，如图2-1曲 线②所示。
稳定的系统才能完成自动控制的任务，所以，系统稳定 是保证控制系统正常工作的必要条件。一个稳定的控制系统 ，其被控量偏离给定值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小 并趋于零。
2. 快速性 快速性是指系统的动态过程进行的时间长短。
过程时间越短，说明系统快速性越好，过程时间持续 越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号 ，如图2-2响应曲线①所示。
假定自动控制系统在阶跃输入作用下，采用时域内的 单项指标来评估控制的好坏。图2-5(a)和(b)分别是给定值 阶跃变化和扰动作用阶跃变化时过渡过程的典型曲线。这 是属于衰减振荡过程。