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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
第1章 自动控制系统概述
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
第1章 自动控制系统概述
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。
第1章 自动控制系统概述
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。
第1章 自动控制系统概述
第1章 自动控制系统概述
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。