控制系统的性能指标
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．。
控制系统的性能指标
在刻画控制系统的动态性能指标时，为什么选择 单位阶跃作为系统的输入？
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系统的输出响应与输入信号有关，比较各种输入下
的系统的响应是不可能的，也是不必要的。 数学表达式简单，便于数学分析与理论计算。 信号简单，在实验中容易产生，便于实验分析与检 验。 阶跃信号比其他瞬变信号要严峻，能够反映出系统 在实际工作条件下的性能。 利用单位阶跃响应曲线，来定义的动态性能指标直 观，含义清楚。
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为什么要研究典型系统的性能分析？
现实中大量的系统属于典型的一阶或二阶系统。 （温度计系统，单自由度机械振动系统等等） 大量的高阶、复杂系统可在一定范围内简化为 典型的系统，便于系统分析与设计。 在校正系统时，往往把系统设计成一个典型的 系统。 分析和理解高阶系统动态响应的基础
71
以 1/T 的系数衰减到零。 T 越小，稳态误差越小。
84
4. 一阶系统的单位抛物线响应
1 1 1 Y ( s ) G ( s ) R( s ) 3 3 Ts 1 s s Ts 1
跟踪误差：
lim e(t ) 不能跟踪加速度输入
t
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一阶系统对典型输入信号的输出响应
24
25
例4.1：设单位反馈系统如图： 试求稳态误差。
解：误差传函
26
（ 1）
esr lim esr (t )
27
t
当s E (s) 满足求极值条件，可用公式：
稳态误差：
28
（ 2）
29
当s E (s) 不满足只在 s 左半平面或原点上有极点，不能 利用终值定理来求稳态误差
控制系统的动态和静态性能指标
04
动态与静态性能指标的关系
相互影响
动态性能指标
描述系统在外部扰动或输入变化时的响应特性，如超调量、 调节时间、振荡频率等。
静态性能指标
描述系统在稳态下的输出响应特性，如稳态误差、静态精 度等。
相互影响
动态性能和静态性能之间存在相互影响，良好的动态性能 可以减小稳态误差，提高系统的静态性能；反之，良好的 静态性能也可以改善系统的动态性能。
参数调整
通过调整系统参数，如增益、时间常数等，可以优化系统的动态和 静态性能。
鲁棒性
考虑系统在不同工况下的鲁棒性，以确保在各种条件下都能保持良 好的性能。
05
性能指标的测试与评估
测试方法
实验法
通过在真实环境中对控制系统进行实验，收集数据并 分析其性能表现。
பைடு நூலகம்仿真法
利用计算机仿真技术模拟控制系统的运行，以便在实 验室条件下测试性能指标。
稳定性分析方法
稳定性分析方法包括频域分析和时域分析两种方法。频域分析方法通过分析系统的极点和 零点来评估系统的稳定性，而时域分析方法则通过解微分方程来计算系统的状态响应。
快速性
01
快速性的定义
快速性是指控制系统在达到稳定状态时所需的时间长短。如果一个系统
具有较快的响应速度，那么系统在受到扰动后能够迅速恢复到平衡状态。
控制系统的组成
控制器
控制系统的核心部分，负责接收 输入信号并根据控制算法产生输 出信号，以控制受控对象的输出。
受控对象
被控制的物理系统或设备，其输出 被反馈回控制器以进行比较和调整。
反馈回路
将受控对象的输出信号反馈回控制 器，以便控制器能够根据偏差进行 调整。
控制系统的分类
第6章DCS的性能指标
第6章DCS的性能指标DCS(分布式控制系统)是一种实时控制系统，具有许多性能指标，用于评估系统的性能和效能。
本文将讨论DCS的几个重要性能指标。
1.响应时间：响应时间是指系统从接收到输入信号到输出信号发出的时间间隔。
对于实时控制系统来说，响应时间非常关键，因为它直接影响系统对事件的实时响应能力。
较低的响应时间意味着系统更加迅速地响应事件，提高了系统的稳定性和可靠性。
2.通信延迟：通信延迟是指在DCS中传输信号所花费的时间。
由于DCS通常是分布在不同的位置，通过网络进行通信，因此通信延迟是一个重要的性能指标。
较低的通信延迟意味着信号更快地传送，系统更加实时、快速和高效。
3.系统吞吐量：系统吞吐量是指系统在单位时间内能够处理的工作量。
对于DCS来说，它表示系统能够处理的任务数量或数据流量。
较高的系统吞吐量意味着系统能够更快地处理任务，提高了系统的效率和性能。
4.可伸缩性：可伸缩性是指系统在有需要时能够按比例增加支持更多用户和设备的能力。
对于DCS来说，可伸缩性非常重要，因为随着系统的发展和扩展，可能需要支持更多设备和用户。
一个具有良好可伸缩性的DCS能够无缝地扩展和适应系统的需求变化。
5.可用性：可用性是指系统在特定时间段内能够正常工作的能力。
对于DCS来说，可用性是一个关键的指标，对于实时控制系统来说尤为重要。
较高的可用性意味着系统能够保持稳定运行，避免停机和故障，提高系统的可靠性和稳定性。
6.容错能力：容错能力是指系统在发生错误或故障时能够保持正常运行的能力。
对于DCS来说，容错能力非常重要，因为在实时控制系统中，任何错误或故障都可能导致严重后果。
一个具有良好容错能力的DCS能够快速检测和纠正错误，确保系统的稳定运行。
7.数据安全性：数据安全性是指系统能够保护数据不被未经授权的访问、更改或破坏。
对于DCS来说，数据安全性是一个非常重要的性能指标，因为系统通常涉及到敏感数据和机密信息。
一个具有良好数据安全性的DCS能够采取适当的安全措施，确保系统的数据不受到威胁。
控制系统的动态响应及其性能指标
稳定性
动态响应的稳定性对控制系统的稳定性具有重要影 响，稳定的动态响应有助于减小系统振荡和误差。
准确性
动态响应的准确性决定了控制系统的控制精 度，准确的动态响应能够减小系统输出与设 定值之间的偏差。
性能指标对动态响应的指导作用
设定值跟踪
性能指标中的设定值跟踪能力对动态响应具有指导作用， 要求控制系统能够快速、准确地跟踪设定值。
控制系统的动态响应及其性能指
目 录
• 引言 • 控制系统动态响应分析 • 控制系统性能指标 • 控制系统动态响应与性能指标的关系 • 实际应用案例分析 • 结论与展望
01 引言
控制系统的重要性
控制系统在工业生产、航空航天、交 通运输、家庭生活等各个领域都有广 泛应用，是实现自动化和智能化的关 键技术之一。
优化方法
协同优化可以采用各种优化算法，如梯度下降法、遗传算法等，通 过不断迭代和调整控制参数来寻找最优解。
实际应用
协同优化在实际应用中具有广泛的应用价值，如工业控制、航空航 天、机器人等领域，可以提高控制系统的性能和稳定性。
05 实际应用案例分析
案例一：汽车控制系统的动态响应与性能指标
总结词
汽车控制系统的动态响应与性能指标是衡量汽车性能的重要标准，包括加速、制动、转向等性能。
详细描述
汽车控制系统通过优化发动机、传动系统和底盘等子系统的控制策略，实现快速响应和精确控制。动 态响应和性能指标对汽车的安全性、舒适性和燃油经济性具有重要影响。
案例二：航空控制系统的动态响应与性能指标
总结词
航空控制系统的动态响应与性能指标是确保飞行安全的关键因素，包括稳定性、控制精 度和响应速度等。
对未来研究的展望
要点一
控制系统的性能指标：介绍控制系统的性能指标,包括精度、响应时间和稳定性
介绍控制系统的性能指标控制系统的性能指标是用来评价控制系统的表现和效果的重要指标。
在设计和开发控制系统时，了解和掌握这些性能指标对于提高系统的效率和性能非常重要。
本文将介绍控制系统的三个主要性能指标：精度、响应时间和稳定性。
精度精度是控制系统的一个重要指标，用来评估系统的输出与期望值之间的差异。
在控制系统中，我们希望系统的输出能够尽可能接近期望值，而精度就是衡量这种接近程度的度量。
通常，精度是通过计算系统的误差来衡量的。
误差是系统输出与期望值之间的差异，可以表示为一个数值或一个百分比。
较小的误差意味着系统的输出与期望值之间的差异较小，即精度较高。
响应时间响应时间是指控制系统从接收到输入信号到产生相应输出信号的时间间隔。
它反映了系统对于输入变化的灵敏度和快速反应的能力。
在控制系统中，响应时间的短暂与否对于控制效果和性能非常重要。
一个具有较短响应时间的控制系统可以更快地对输入变化做出反应，从而使系统更加稳定和可靠。
稳定性稳定性是指控制系统在面对外部扰动时能够保持输出的稳定性和可控性。
在控制系统中，我们希望系统的输出能够保持在期望范围内，而不会出现过大的波动或不稳定的情况。
稳定性可以通过控制系统的传递函数和频率响应来进行评估。
一个稳定的控制系统将产生平稳且可控的输出，而不会受到外部扰动的影响。
性能指标的关系精度、响应时间和稳定性在控制系统中密切相关，彼此影响。
精度和稳定性是控制系统的基本要求，而响应时间则是在满足精度和稳定性的前提下，对控制系统性能进行优化的重要考虑因素。
在设计和开发控制系统时，需要综合考虑这三个性能指标。
如果一个控制系统的精度较高但响应时间较长，那么系统的实时性和灵敏度可能会受到影响；如果一个控制系统的响应时间很短但稳定性较差，那么系统的输出可能会不稳定或发生超调。
因此，为了实现优秀的控制系统性能，需要在精度、响应时间和稳定性之间找到一个平衡点。
这就需要设计者在控制系统开发过程中合理选择和调整控制器参数、采用合适的控制策略以及优化系统的结构和组件。
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。
控制系统的性能评估与优化
控制系统的性能评估与优化控制系统的性能评估与优化是一项关键的工作，它对于确保系统的稳定性和高效性具有重要意义。
本文将介绍几种常用的控制系统性能评估指标和相应的优化方法，并探讨它们的应用。
一、控制系统的性能评估指标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。
快速的响应时间是控制系统的一个重要指标，它直接影响系统对于外部变化的适应能力。
在评估和优化系统性能时，需要考虑减小响应时间，以提高系统的灵敏度。
2. 稳定性：稳定性是指系统能够在一段时间内保持输出信号在允许的范围内，不发生剧烈波动或不稳定的情况。
评估和优化系统的稳定性是确保系统正常运行的重要环节。
常用的评估方法包括Bode图、Nyquist图和根轨迹等。
3. 控制精度：控制精度是指系统输出信号与期望输出信号之间的差异程度。
评估和优化控制精度是提高系统的准确性和稳定性的关键。
常用的评估指标包括过冲量、峰值偏差、积分时间等。
4. 鲁棒性：鲁棒性是指系统对于不确定因素和扰动的抵抗能力。
在实际应用中，系统可能面临各种不确定因素和环境波动，因此评估和优化系统的鲁棒性是确保系统在复杂环境中正常运行的重要手段。
二、控制系统性能优化方法1. PID参数调整：PID控制器是一种常用的控制器，它通过调整三个参数来控制系统的性能。
常用的参数调整方法包括试验法、经验法和基于模型的方法等。
通过对PID参数的优化调整，可以实现系统的快速响应、稳定性和鲁棒性。
2. 频率响应设计：频率响应设计是一种常用的控制系统性能优化方法，它基于系统的频率响应特性，通过设计合适的频率响应曲线，达到系统性能的要求。
常用的频率响应设计方法包括根轨迹法、Bode图法和Nyquist图法等。
3. 模型预测控制：模型预测控制是一种先进的控制方法，它基于系统的数学模型进行控制决策。
通过优化模型预测控制算法，可以实现系统对于外部扰动和变化的适应性，提高系统的快速响应和稳定性。
4. 自适应控制：自适应控制是一种能够根据系统变化自动调整控制参数的方法。
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过程控制系统的分类——复合控制
《过程控制工程》课程组
前馈能及时克服主要扰 动的影响，反馈能检查 控制效果，提高控制质 量
工业生产过程控制系统发展过程
自19世纪世界工业革命以后，工业生产过程由简单
到复杂，规模由小到大。至今，已有各种各样的工 业生产过程，生产出多种多样的产品满足人们的生 活需要。作为工业生产过程一部分的工业生产过程 控制系统也在不断发展和提高。现就工业自动化仪 表和计算机控制技术应用两方面介绍工业生产过程 控制系统发展过程。
•电动仪表(III) •CAD •自动机械工具 •机器人 •DCS，PLC
•数字化仪表，各种通信协议， 如RS-232 •智能化仪表，危机化仪表 •先进控制软件 •DCS功能扩展
•现场总线 •分析仪器的在线作用 •优化控制
自动化仪表技术的发展
我国首创的无纸 无笔记录仪
《过程控制工程》课程组
微机化的记录、控制仪 表（智能化仪表）
控制方案的多样性
——传统的模拟式过程检测控制仪表已经不能满足控制要求，因而采用计算机作为控制 器组成计算机过程控制系统。） ——从控制方法的角度看，有单变量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。 ——控制算法多种多样，有PID控制、复杂控制，也有包括智能控制的先进控制方法等 等。
《过程控制工程》课程组
•电动仪表开始应用(II) •仪表控制室 •模拟流程图 •DDC
自动化仪表技术的发展
20世纪70年代
20世纪80年代 20世纪90年代
•集成电路技术 •微处理器 •能源危机 •工业现代化 •微机广泛应用
•办公自动化 •数字化技术 •通讯，网络技术 •对环境的重视
•智能控制 •工业控制高要求
《过程控制工程》课程组
被控参数种类
主要针对所谓六大参数 温度 压力 流量 液位(或物位) 成分 物性（粘度，干点，冰点等）
《过程控制工程》课程组
过程控制的认识
过程控制领域
◎石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡胶，合成氨 ◎电力：火电厂 ◎冶金：炼钢，炼铁，铝厂 ◎生化：啤酒，制药 ◎轻工：食品，漂染 ◎环境：水处理，大气监测 ◎其它：农业，养殖业
工业生产过程自动化（PA），工厂自动化（FA） 计算机集成制造技术（CIMS，CIPS） 企业资源规划（ERP） 现场总线控制技术发展（Field Bus）
DCS CONTROL SYSTEM
《过程控制工程》课程组
工业生产过程自动化
为了使一个工业生产过程或一个企业良好、高效地运行，都离不 开对整个生产过程物料、能源、人力等的管理、组织和运作。要 达到此目的，必须对工业生产过程的信息、数据进行及时的检测 和控制。因此，生产计划、生产调度、安全稳定地生产与操作等 ，都离不开自动化技术。一个企业生产过程管理与控制的递阶（ 分层）结构如下图所示。
《过程控制工程》课程组
绪论
现代工业生产过程，随着生产规模的不断扩大，生产过程的强 化，对产品质量的严格要求，以及各公司之间的激烈竞争，人 工操作与控制已不能满足现代化生产的要求，工业过程控制系 统已成为工业生产过程必不可少的设备，因为，它是保证现代 企业安全，优化，低消耗和高效益生产的主要技术手段。
《过程控制工程》课程组
什么叫工业生产过程？
通常把原材料转变成产品并具有一定生产规模的过程叫工业
生产过程。
能源Βιβλιοθήκη 原料 公用工程生产过程 （连续或间歇）
《过程控制工程》课程组
付产品
产品
市场
废物
（气、液、固）
《过程控制工程》课程组
过程控制的认识
过程控制
——一般是指工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自 动控制。
《过程控制工程》课程组
自动化仪表技术的发展
年代 20世纪50年代
20世纪60年代
《过程控制工程》课程组
工业发展状况
化工 钢铁 纺织 造纸 电子管时代
规模较小
•半导体技术（分立元件） •石油化工 •计算机 •大型电站 •过程工业大型化
仪表技术
•仪表信号传输标准 •（0.2~1.0kgf/cm2气动信 号 •采用真空电子管 •记录仪表为自动平衡型 •气动仪表控制器
《过程控制工程》课程组
企业生产过程管理与控制的递阶结构
《过程控制工程》课程组
决策 调度 优化监控 先进控制 常规控制
生产过程
过程控制与其它相关学科
控制原理 与方法
最优化 方法与技术
系统仿真 技术
计算机控制技术应用的发展
年代 20世纪60年代
20世纪70年代 20世纪80年代 20世纪90年代
《过程控制工程》课程组
计算机应用技术
计算机控制时代开始 主要用于直接数字控制（DDC）
微型计算机的产生 微处理机技术用于工业控制 集散型计算机控制系统产生（DCS） 小型机开始在企业管理中应用
微机广泛在工厂管理信息系统中应用（MIS） DCS大量在工业控制中应用 先进控制技术在工业上的应用
《过程控制工程》课程组
过程控制系统的分类——反馈控制
《过程控制工程》课程组
以偏差为依据，以减少或消除偏 差为目的。在扰动未引起被控量 变化前，无控制作用，使控制不 及时。！！闭环
过程控制系统的分类——前馈控制
《过程控制工程》课程组
扰动作为依据，以减少扰 动对被控量的影响。无法 消除偏差。！！开环
过程控制系统的分类
按被控参数分类：温度、压力、流量过程控制系统等 按被控变量数分类：单变量和多变量过程控制系统 按设定值分类：定值过程控制系统、随动（伺服）过程控制系统、程序过
程控制系统 按参数性质分类：集中参数和分布参数过程控制系统 按控制算法分类：简单、复杂、先进（高级）过程控制系统 按控制器形式分类：常规仪表和计算机控制系统 按系统结构特点分类：反馈控制、前馈控制和复合控制
《过程控制工程》课程组
过程控制的特点
被控过程的多样性
——工业生产过程涉及到各种工业部门，其物料加工成的产品是多样的。 ——生产工艺各不相同，这些过程的机理不同，执行机构也不同。
被控过程属慢过程，且多属参数控制
——连续工业生产过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。 ——被控过程是物流变化的过程，伴随物流变化的信息（物性、成分、温度、压力、流 量、液位或物位）表征为被控过程状态的参数，也是过程控制系统的被控变量。