第08章 自動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)

熱加工測(cè)控技術(shù)電子教案—第8章材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/6第8章自動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)

2本章知識(shí)構(gòu)架2023/2/6本章框架2023/2/6烘烤爐溫度控制系統(tǒng)圖8.1烘烤爐溫度控制系統(tǒng)原理圖

圖中被控對(duì)象是烘烤爐，被控量為爐溫T，給定元件為電位器RPl，其上的輸出電壓ut對(duì)應(yīng)爐溫的預(yù)期值。測(cè)量元件為熱電偶，它將爐溫轉(zhuǎn)換并經(jīng)放大器放大為相應(yīng)的電壓信號(hào)ur。比較與放大元件由集成運(yùn)放及功率放大裝置組成。由于Δu

=ut-ur，因此實(shí)現(xiàn)的是負(fù)反饋。執(zhí)行器為電機(jī)、傳動(dòng)裝置及閥門。【導(dǎo)入案例】2023/2/6【導(dǎo)入案例】圖8.2烘烤爐溫度控制系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)的方塊圖如圖8.2所示，系統(tǒng)是一個(gè)閉合回路?？傒斎肓堪ńo定值和外部干擾量，信號(hào)經(jīng)控制裝置、烘烤爐后又反饋到控制裝置。由于系統(tǒng)是按偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，因此必須測(cè)量爐溫，反饋閉合回路是必需的。2023/2/6【導(dǎo)入案例】系統(tǒng)控制過(guò)程如下：設(shè)系統(tǒng)原處于靜止?fàn)顟B(tài)，在t=0時(shí)刻加上恒值給定信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使閥門開度Q增大，爐溫慢慢上升；只要T還小于預(yù)期值，則偏差信號(hào)Δu始終為正，Q持續(xù)增大，爐溫T也就持續(xù)增長(zhǎng)；當(dāng)T第一次到達(dá)預(yù)期值時(shí)，Δu＝0，Q不再增大，但由于閥門已經(jīng)開過(guò)頭了，因此，T仍然會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致Δu

<0，驅(qū)動(dòng)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，Q下降。只要T的值比穩(wěn)態(tài)時(shí)的閥門開度（也可以認(rèn)為就是閥門開度的預(yù)期值Q0）要大，T就會(huì)繼續(xù)上升，直到Q<Q0，T才會(huì)開始下降，此時(shí)T的變化有一個(gè)極大值存在；只要T還大于預(yù)期值，Δu

<0，Q就會(huì)繼續(xù)下降，然后以相反的方向重復(fù)上述的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。因此，爐溫要經(jīng)過(guò)幾次振蕩后才會(huì)逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)（假定系統(tǒng)穩(wěn)定）。在擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程與此類似。2023/2/68.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了更清楚地表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號(hào)聯(lián)系，一般都采用方框圖表示。圖8.3所示是一個(gè)典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖，該圖表示了組成該系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的位置及相互關(guān)系。圖8.3典型自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖自動(dòng)控制是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使某種設(shè)備、工作機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程的某些物理量或工作狀態(tài)能自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行或變化。2023/2/6自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成圖8.3典型自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖圖8.3中每個(gè)方框表示組成系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，兩個(gè)方框之間用帶箭頭的線段表示信號(hào)聯(lián)系；進(jìn)入方框的信號(hào)為環(huán)節(jié)輸入，離開方框的為環(huán)節(jié)輸出。從圖8.3可以看出，一個(gè)典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)該包括給定裝置、比較機(jī)構(gòu)、控制裝置、執(zhí)行器、檢測(cè)元件或變送器及被控對(duì)象。2023/2/6自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成檢測(cè)元件或變送器的作用是把被控變量c(t)轉(zhuǎn)化為測(cè)量值y(t)。如，用熱電阻或熱電偶測(cè)量溫度，并用溫度變送器轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的氣壓信號(hào)（20~100kPa）或直流電流信號(hào)（0~10mA或4~20mA）。比較機(jī)構(gòu)的作用是比較設(shè)定值r(t)與測(cè)量值y(t)并輸出其差值e(t)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)分析中，把e(t)定義為[r(t)-y(t)]。控制裝置的作用是根據(jù)偏差的正負(fù)、大小及變化情況，按某種預(yù)定的控制規(guī)律給出控制作用。比較機(jī)構(gòu)和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器，又稱為調(diào)節(jié)器。目前應(yīng)用最廣的控制器是氣動(dòng)和電動(dòng)控制器，它們的輸出u(t)也是統(tǒng)一的氣壓或電流信號(hào)。2023/2/6自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成執(zhí)行器的作用是接受控制器送來(lái)的u(t)，相應(yīng)地去改變操縱變量q(t)。執(zhí)行器根據(jù)輸入能量不同可分為電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓三類。電動(dòng)執(zhí)行器安裝靈活，使用方便，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣；氣動(dòng)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，工作可靠，并且有防爆特性；液壓執(zhí)行器功率大，快速性好，運(yùn)行平穩(wěn)，廣泛用于大功率的控制系統(tǒng)。被控對(duì)象是指要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。被控對(duì)象中要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的物理量稱為被控量或系統(tǒng)的輸出量。一般而言，控制系統(tǒng)受到兩種作用，即給定作用（給定值）和干擾作用，它們都稱為系統(tǒng)的輸入信號(hào)。系統(tǒng)的給定值決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律。干擾作用在實(shí)際系統(tǒng)中是難于避免的，而且它可以作用于系統(tǒng)中的任意部位。通常所說(shuō)的系統(tǒng)的輸入信號(hào)是指給定值信號(hào)，而系統(tǒng)的輸出信號(hào)是指被控量。設(shè)定給定值這一端稱為系統(tǒng)的輸入端；輸出被控量這一端稱為輸出端。2023/2/68.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的種類很多，其結(jié)構(gòu)類型、性能和完成的任務(wù)各不相同，因而也有多種分類方法。下面簡(jiǎn)單介紹幾種常見的分類方法。①按系統(tǒng)的功能分類自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為溫度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等。②按系統(tǒng)裝置的類型可分為機(jī)電控制系統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)等。③按調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律分類，一般可分為比例控制系統(tǒng)、積分控制系統(tǒng)、微分控制系統(tǒng)、比例積分控制系統(tǒng)、比例微分控制系統(tǒng)、比例積分微分控制系統(tǒng)。

④按系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)特征可分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)。若系統(tǒng)中各元件的輸入量和輸出量均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)時(shí)稱該系統(tǒng)為連續(xù)系統(tǒng)。連續(xù)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用微分方程來(lái)描述。若系統(tǒng)中某一處或幾處的信號(hào)是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞時(shí)稱該系統(tǒng)為離散系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用差分方程來(lái)描述⑤按使用的數(shù)學(xué)模型分類，自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)與定常系統(tǒng)兩種。⑥按控制系統(tǒng)輸入信號(hào)特征分類，通?？煞譃槎ㄖ悼刂葡到y(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)。⑦按控制方式分類自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)以及復(fù)合控制系統(tǒng)。復(fù)合控制系統(tǒng)是前兩種控制系統(tǒng)的組合。2023/2/68.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程8.3.1開環(huán)控制系統(tǒng)8.3.2閉環(huán)控制系統(tǒng)8.3.3復(fù)合控制系統(tǒng)2023/2/68.3.1開環(huán)控制系統(tǒng)若系統(tǒng)的控制器與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒有反向作用，即系統(tǒng)的輸出量對(duì)控制作用沒有影響，則該系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，輸入端與輸出端之間，只有信號(hào)的前向通道而不存在由輸出端到輸入端的反向通路，因此，開環(huán)控制系統(tǒng)也稱為無(wú)反饋控制系統(tǒng)。2023/2/6開環(huán)控制系統(tǒng)圖8.4電加熱爐開環(huán)控制原理圖

圖8.5電加熱爐開環(huán)控制方框圖

圖8.4為一個(gè)電加熱爐爐溫控制系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)控制對(duì)象是加熱爐，被控量是爐溫，控制裝置是調(diào)壓器和電阻絲?？刂葡到y(tǒng)要求爐溫維持在給定值附近的一定范圍內(nèi)?？刂七^(guò)程是根據(jù)給定爐溫所要求的期望值，調(diào)節(jié)調(diào)壓器活動(dòng)觸點(diǎn)在某一位置上，從而改變加于電阻絲兩端的電壓，電阻絲兩端將釋放熱能，當(dāng)調(diào)壓器調(diào)節(jié)在某一位置且外界條件及元部件參數(shù)不變時(shí)，爐子對(duì)應(yīng)地處于某一溫度。但是，當(dāng)外界條件或元部件參數(shù)發(fā)生變化，如由于電源的波動(dòng)或爐門的開閉會(huì)使?fàn)t溫產(chǎn)生漂移，爐內(nèi)實(shí)際溫度與期望的溫度會(huì)出現(xiàn)偏差，此時(shí)，因爐溫變化的信息不回送到輸入端，系統(tǒng)將不會(huì)自動(dòng)調(diào)整調(diào)壓器觸頭的位置，通過(guò)改變電阻絲的電流來(lái)自動(dòng)消除溫度偏差，也就是說(shuō)輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒有任何影響。因此，該爐溫控制系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，可用圖8.5的方框圖表示。2023/2/6開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制又可分為按給定值控制和按干擾補(bǔ)償控制兩種形式。按給定值的控制形式在干擾或特性參數(shù)變化時(shí)，被控量隨之發(fā)生變化，但無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償，控制精度難以保證，因此，按給定值控制的開環(huán)控制對(duì)被控對(duì)象和其他元件的要求高。按干擾補(bǔ)償?shù)目刂菩问綄?duì)破壞系統(tǒng)正常運(yùn)行的干擾進(jìn)行測(cè)量，利用干擾信號(hào)產(chǎn)生控制作用，以補(bǔ)償干擾對(duì)被控量的影響。但是，由于只能對(duì)可測(cè)干擾進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)不可測(cè)干擾、被控對(duì)象及各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化無(wú)法測(cè)量，系統(tǒng)自身仍無(wú)法真正自動(dòng)補(bǔ)償，因此，控制精度仍不高。目前，開環(huán)控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在各種設(shè)備上，如自動(dòng)洗衣機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)、交通指揮的紅綠燈轉(zhuǎn)換、產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)流水線等。2023/2/68.3.2閉環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的輸出量或狀態(tài)變量對(duì)控制作用有直接影響的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，既存在由輸入端到輸出端的信號(hào)前向通路，也存在從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通道，兩者組成一個(gè)閉合的回路?？刂葡到y(tǒng)要達(dá)到預(yù)定的目的或具有規(guī)定的性能，必須把輸出量的信息反饋到輸入端進(jìn)行控制。通過(guò)比較輸入值與輸出值，產(chǎn)生偏差信號(hào)，該偏差信號(hào)以一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制量，作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使偏差逐步減小以至消除，從而實(shí)現(xiàn)所要求的控制性能。2023/2/6閉環(huán)控制系統(tǒng)圖8.6給出了電加熱爐爐溫控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖圖8.6電加熱爐閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖與設(shè)定電壓進(jìn)行比較，所產(chǎn)生的電壓差△e經(jīng)前置放大器和功率放大器放大后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)帶動(dòng)減速器轉(zhuǎn)動(dòng)，使調(diào)壓器滑動(dòng)觸點(diǎn)向減少電壓誤差△e的方向移動(dòng)。通過(guò)改變流過(guò)加熱電阻絲的電流，消除溫度偏差，使?fàn)t內(nèi)實(shí)際溫度等于或接近設(shè)定的溫度。要求將爐溫控制在某一溫度值附近，首先通過(guò)給定電路將爐子要求控制的溫度變換成相應(yīng)的電壓量e，爐子內(nèi)的溫度通過(guò)熱電偶檢測(cè)，2023/2/6閉環(huán)控制系統(tǒng)加熱爐爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖見圖8.7

。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，不僅有從輸入端到輸出端的信號(hào)作用路徑，還有從輸出端到輸入端的信號(hào)作用路徑。前者稱為前向通道，后者稱為反饋通道。圖8.7電加熱爐閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖2023/2/6閉環(huán)控制系統(tǒng)①由負(fù)反饋構(gòu)成閉環(huán)，利用誤差信號(hào)進(jìn)行控制，不論是輸入信號(hào)的變化或干擾的影響，或系統(tǒng)內(nèi)部的變化，只要是被控量偏離了規(guī)定值，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的作用去抑制或消除偏差；②對(duì)于外界擾動(dòng)和系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)的變化等引起的誤差能夠自動(dòng)糾正，提高了系統(tǒng)的精度。但是，閉環(huán)控制也有自身的缺點(diǎn)，如當(dāng)系統(tǒng)元件參數(shù)配合不當(dāng)時(shí)，容易產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)不能正常工作，因而存在穩(wěn)定性的問(wèn)題。與開環(huán)控制相比，閉環(huán)控制具有如下優(yōu)點(diǎn)：2023/2/68.3.3復(fù)合控制系統(tǒng)反饋控制是在外部作用（輸入信號(hào)或干擾）對(duì)控制對(duì)象產(chǎn)生影響后才能做出相應(yīng)的控制，尤其是控制對(duì)象具有較大延遲時(shí)，反饋控制不能及時(shí)地影響輸出的變化。前饋控制能預(yù)測(cè)輸出外部作用的變化規(guī)律，在控制對(duì)象還沒有產(chǎn)生影響之前就做出相應(yīng)的控制，使系統(tǒng)在偏差即將產(chǎn)生之前就注意糾正偏差。前饋控制和反饋控制相結(jié)合構(gòu)成了復(fù)合控制，也就是說(shuō)復(fù)合控制是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。復(fù)合控制是構(gòu)成高精度控制系統(tǒng)的一種有效控制方式，使自動(dòng)控制系統(tǒng)具有更好的控制性能。2023/2/6復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制基本上具有兩種形式：①按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制②按干擾前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制見圖8.8

圖8.8復(fù)合控制系統(tǒng)方框圖(a)輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方框圖；(b)干擾前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方框圖2023/2/68.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)在受到各種擾動(dòng)作用下，被控變量發(fā)生變化，同時(shí)，控制系統(tǒng)的控制器產(chǎn)生控制作用，克服擾動(dòng)對(duì)被控制變量影響，使被控變量重新回到給定值范圍內(nèi)穩(wěn)定下來(lái)。這個(gè)被控變量從變化到穩(wěn)定的整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程就是自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。它實(shí)際上是從一個(gè)平衡態(tài)到另一個(gè)平衡態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。2023/2/68.4.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入有兩種，其一是設(shè)定值的變化，另一個(gè)是擾動(dòng)的變化。當(dāng)輸入恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)若能建立平衡，系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)將暫不動(dòng)作，它們的輸出都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)稱為靜態(tài)。這里所說(shuō)的靜態(tài)，并非指系統(tǒng)內(nèi)沒有物料與能量的流動(dòng)，而是指各個(gè)參數(shù)的變化率為零，即參數(shù)保持不變。此時(shí)輸出與輸人之間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的靜態(tài)特性。同樣，對(duì)于任何一個(gè)環(huán)節(jié)也存在靜態(tài)。系統(tǒng)和環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性是很重要的，它是控制品質(zhì)的重要一環(huán)。系統(tǒng)的靜態(tài)特性反映了它的精度；控制器和執(zhí)行器的靜態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)有顯著的影響。2023/2/6自動(dòng)控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)若一個(gè)系統(tǒng)原來(lái)處于靜態(tài)，由于出現(xiàn)了擾動(dòng)、即輸入起了變化，系統(tǒng)的平衡受到破壞，被控量（即輸出）將發(fā)生變化，自動(dòng)控制裝置就會(huì)動(dòng)作，進(jìn)行控制，以克服擾動(dòng)的影響，力圖使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。從輸入開始，經(jīng)過(guò)控制，直到再建立靜態(tài)，在這段時(shí)間中整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過(guò)程之中，這種狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。另一方面，在設(shè)定值變化時(shí)，也引起動(dòng)態(tài)過(guò)程，控制裝置力圖使被控變量在新的設(shè)定值或其附近建立平衡?？傊捎谳斎氲淖兓?，輸出隨時(shí)間而變化，它們之間的關(guān)系稱為動(dòng)態(tài)特性。同樣，對(duì)任何環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)也存在動(dòng)態(tài)。2023/2/68.4.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，擾動(dòng)大多數(shù)是屬于隨機(jī)發(fā)生的，擾動(dòng)的形式干差萬(wàn)別。為了便于分行和研究系統(tǒng)的特性，常常選擇一些典型的干擾輸入信號(hào)。圖8.9階躍擾動(dòng)信號(hào)對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)要分析其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，階躍擾動(dòng)信號(hào)是最常用的一種，見圖8.9，干擾信號(hào)從時(shí)刻起由原來(lái)數(shù)值突然變到另一數(shù)值上，且保持此幅值一直不變。2023/2/6自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程分析自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下的過(guò)渡過(guò)程變化曲線，可歸納為以下五種形式。①單調(diào)發(fā)散過(guò)程控制系統(tǒng)在受到階躍擾動(dòng)作用下，被控變量偏離給定值作單向變化，最后被控變量超出生產(chǎn)工藝規(guī)定的允許范圍。這種被控變量單向變化不能穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)的過(guò)渡過(guò)程稱為單調(diào)發(fā)散過(guò)程，它是一個(gè)不穩(wěn)定的過(guò)程，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起事故。2023/2/6自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程②發(fā)散振蕩過(guò)程被控變量在擾動(dòng)作用下偏離給定值來(lái)回波動(dòng)振蕩，且振蕩幅度越來(lái)越大，超出工藝生產(chǎn)規(guī)定范圍。它也是一個(gè)不穩(wěn)定的過(guò)程。③等幅振蕩過(guò)程被控變量在干擾作用下在給定值附近作上下波動(dòng)，振蕩幅值保持不變的。等幅振蕩過(guò)程也是不穩(wěn)定的，但在某些生產(chǎn)過(guò)程中，如果振蕩的幅值不超過(guò)工藝生產(chǎn)所允許的范圍，這種過(guò)渡過(guò)程還是允許的。2023/2/6自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程④單調(diào)衰減過(guò)程系統(tǒng)在受干擾作用下，被控變量在給定值某一側(cè)作緩慢變化，當(dāng)達(dá)到最大偏差數(shù)值后逐漸衰減，最后又重新回到給定值或穩(wěn)定在某一數(shù)值上。它是一個(gè)穩(wěn)定的過(guò)程，但由于它變化速度慢，且又一直作單向變化，易造成操作人員判斷不準(zhǔn)，故較少被采用。2023/2/6自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程⑤衰減振蕩過(guò)程被控變量在偏離給定值后上下來(lái)回振蕩，且振蕩幅度逐漸減小，經(jīng)過(guò)兩三個(gè)周期后，又穩(wěn)定在某一數(shù)值上。這種過(guò)渡過(guò)程是一個(gè)穩(wěn)定的過(guò)程，其待點(diǎn)是變化趨勢(shì)明顯、過(guò)渡時(shí)間短、易觀察等。所以，自控系統(tǒng)常采用這種過(guò)渡過(guò)程作為分析系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。2023/2/68.4.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的曲線變化是衡量—個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量的重要依據(jù)。從前面分析可知，我們總希望大多數(shù)控制系統(tǒng)能得到一個(gè)衰減振蕩過(guò)程。但是不同的衰減振蕩過(guò)程曲線，品質(zhì)質(zhì)量也可能不同。圖8.11是在階躍給定和干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)示意圖，為衡量其品質(zhì)特性，從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方面提出了如下指標(biāo)。圖8.11過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)示意圖(a)給定值階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程；(b)干擾階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程2023/2/6自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)①余差C。余差C是指新的穩(wěn)態(tài)值y(∞)與給定值yr之差，也就是過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)的殘余偏差。余差是一個(gè)靜態(tài)指標(biāo)，它反映了控制系統(tǒng)的控制精確皮，我們希望余差盡量小，最好是完全消除，但這也不是絕對(duì)的，對(duì)于余羌的要求應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)確定。圖8.11過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)示意圖(a)給定值階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程；(b)干擾階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程2023/2/6自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)②最大偏差A(yù)與超調(diào)量σ。最大偏差是指在過(guò)渡過(guò)程中被控變量相對(duì)于給定值出現(xiàn)的最大偏差。對(duì)于定值系統(tǒng)的衰減振蕩過(guò)程，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值，在圖8.11(b)中以A表示。對(duì)于圖8.11(a)的隨動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)常用超凋量σ這個(gè)指標(biāo)，參見1.5.2節(jié)。圖8.11過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)示意圖(a)給定值階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程；(b)干擾階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程最大偏差（或超調(diào)量）是一個(gè)反映超調(diào)情況和衡量穩(wěn)定程度的指標(biāo)。若最大偏差（或超調(diào)量）愈大，說(shuō)明被控變量離開規(guī)定的生產(chǎn)狀態(tài)就愈遠(yuǎn)，這是不希望的，特別是對(duì)于一些有約束條件的系統(tǒng)，都會(huì)對(duì)最大偏差的允許值有所限制。同時(shí)考慮到干擾會(huì)不斷出現(xiàn)，并且偏差是疊加的，這就更限制了最大偏差的允許值。所以，在決定最大偏差（或超調(diào)量）允許值時(shí)，要根據(jù)工藝情況慎重選擇。2023/2/6自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)③衰減比n。衰減比是表示衰減振蕩過(guò)渡過(guò)程的衰減程度，它是過(guò)渡過(guò)程同方向的前后相鄰兩峰值的比，習(xí)慣上表示為n:1。衰減比反映了系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，如n<1，過(guò)渡過(guò)程是發(fā)散振蕩；如n＝1，過(guò)渡過(guò)程是等幅振蕩，一般工業(yè)上這兩種情況都不允許發(fā)生，因此應(yīng)取n>1，為了保證足夠的穩(wěn)定性，衰減比以4:1~10:1為宜。圖8.11過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)示意圖(a)給定值階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程；(b)干擾階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程2023/2/6自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)④調(diào)節(jié)時(shí)間Ts。調(diào)節(jié)時(shí)間又稱為過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，它是反映系統(tǒng)快速性的一個(gè)重要指標(biāo)。規(guī)定調(diào)節(jié)時(shí)間是從干擾作用開始之時(shí)起，至被控變量進(jìn)入最終穩(wěn)態(tài)值的±5%（或±2%）的時(shí)間，具體請(qǐng)參見2.5.2節(jié)介紹。圖8.11過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)示意圖(a)給定值階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程；(b)干擾階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程2023/2/6自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)⑤振蕩周期T。過(guò)渡過(guò)程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時(shí)間稱為振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的條件下，振蕩周期與調(diào)節(jié)時(shí)間成正比，因此振蕩周期在一定程度上也是衡量系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。圖8.11過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)示意圖(a)給定值階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程；(b)干擾階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程2023/2/68.4.4影響過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)的主要因素自動(dòng)控制系統(tǒng)是由生產(chǎn)過(guò)程的工藝設(shè)備對(duì)象和自動(dòng)化裝置兩大部分組成的。而控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)的優(yōu)劣，取決于組成控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)待性，特別是取決于被控對(duì)象的特性好壞。此外，自動(dòng)化裝置的性能好壞、參數(shù)選擇和調(diào)整等都影響控制系統(tǒng)質(zhì)量。如果過(guò)程和自動(dòng)化裝置兩者配合不當(dāng)，或在