对自动控制系统的基本要求
中职教育-《自动控制原理》课件：第1章 绪论(5)电子工业出版社.ppt
1-5 自动控制系统的基本要求
尽管自动控制系统有不同的类型，对每个 系统也都有不同的特殊要求，但对于各类系统 来说，在已知系统的结构和参数时，对该系统 在某种典型输入信号作用下，其被控变量变化 全过程的基本要求都是一样的，可以归结为稳 定性、准确性和快速性，即稳、准、快的要求。
1
1．稳定性 对于一个自动控制系统，最基本要求为系统是
3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
自动控制理论研究的主要内容是阐述对自 动控制系统进行分析和设计的基本理论。在对 实际控制系统进行分析和设计时，首先要建立 研究问题的数学模型，进而利用所建立的数学 模型来讨论对自动控制系统进行分析和设计的 基本理论和方法。在已知系统数学模型下，计 算和研究自动控制系统的性能并寻找系统性能 与系统结构、参数之间的关系，称为系统的分 析。如果已知对工程系统性能指标的要求，寻 找合理的控制方案，这类问题称为系统的设计 或校正。
绝对稳定的。否则系统无法正常工作，也无法完成 控制任务，甚至会毁坏设备，造成重大损失。考虑 到实际系统工作环境或参数的变动，可能导致系统 不稳定，因此，我们除要求系统稳定外，还要求其 具有一定的稳定裕量。
2．准确性 系统的准确性是用稳态误差来衡量的，稳态误差
是指系统过渡到新的平衡工作状态以后，或系统对 抗干扰重新恢复平衡后最终保持的精度。稳态误差 与控制系统的结构及参数，输入信号形式有关。
2
3．快速性 动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作
用下随时间变化的全过程，衡量系统快速性的品质 好坏常采用单位阶跃信号作用下动态过程中的超调 量，过渡过程时间等性能指标。
对不同的被控对象，系统对稳、准、快的要求 有所侧重。例如，随动系统对快要求较高。同一系 统稳、准、快是相互制约的。过分提高响应动作的 快速性，可能会导致系统的强烈振荡；而过分追求 系统的平稳性，又可能使系统反映迟钝，控制过程 拖长，最终导致控制精度也变差。如何分析与解决 这些矛盾，是自动控制理论研究的重要内容。
对自动控制系统的基本要求
自动控制系统的关键要求
自动控制系统在现代工业生产中扮演着至关重要的角色。
为了确
保系统的稳定性，提高生产效率，我们有必要对自动控制系统的基本
要求有一个清晰的认识。
首先，自动控制系统要求具备高度的可靠性
和可用性。
这意味着在系统的设计、实施和运行过程中，应该充分考
虑到各种可能的故障和异常情况，并采取相应的措施来保证系统的稳
定性和连续性。
其次，自动控制系统要求具备高度的灵活性和适应性。
现代生产环境的复杂性和多变性要求自动控制系统能够快速适应各种
生产需求和生产环境的变化，能够进行灵活的控制和调整。
此外，自
动控制系统还应该具备高度的可扩展性，可以方便地进行系统升级和
扩展，以适应不断变化的生产需求。
最后，自动控制系统要求具备高
度的智能化和自主化。
现代生产需要大量的数据处理和分析，自动控
制系统应该能够智能地进行数据采集、挖掘和分析，能够自主地进行
决策和控制。
只有具备了智能化和自主化的特点，自动控制系统才能
真正发挥作用，提高生产效率，降低生产成本，促进企业的可持续发展。
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。
对自动控制系统的最基本要求
对自动控制系统的最基本要求自动控制系统是一种能够自动地进行控制和调节的系统，它能够通过传感器和执行器的配合来实现对控制对象的精确控制。
在设计和应用自动控制系统时，有一些最基本的要求必须被满足。
以下是对自动控制系统的最基本要求的详细说明：1. 稳定性要求：自动控制系统的最基本要求之一是稳定性。
在控制系统中，稳定性表示当受控变量受到扰动时，控制系统能够快速地调整自身状态，以保持受控变量的稳定，以及防止系统失控。
因此，控制系统的设计必须考虑到系统的稳定性，以保证系统能够在受到扰动时仍能够保持稳定。
2. 精度要求：自动控制系统的另一个重要要求是精度。
这意味着控制系统必须能够精确地控制受控变量，以满足系统的要求。
例如，一个温度控制系统必须能够精确地控制温度，以保证温度在所需范围内波动。
3. 可靠性要求：一个自动控制系统必须具有足够的可靠性，以保证系统在长时间运行中不会出现故障。
这需要在系统的设计和实施中考虑到各种因素，如系统的鲁棒性、系统的冗余以及可靠的传感器和执行器的选择。
4. 灵敏度要求：一个自动控制系统必须具有足够的灵敏度，以便能够及时检测和响应受控变量的变化。
这是通过选择合适的传感器和执行器以及设计灵敏的控制算法来实现的。
5. 可调性要求：自动控制系统必须具有一定的可调性，以便能够根据不同的应用场景和要求进行适应性调整。
这需要设计灵活的控制算法以及可调节的参数和控制信号。
6. 实时性要求：自动控制系统必须能够快速地响应控制信号，并能够在实时性要求较高的应用场景中满足实时性要求。
这需要设计高速和实时的控制算法以及优化的控制器结构。
总之，对于自动控制系统，稳定性、精度、可靠性、灵敏度、可调性和实时性都是非常重要的基本要求。
通过满足这些要求，可以保证自动控制系统能够及时、准确、可靠地控制受控变量，以满足系统的要求。
2020年智慧树知道网课《自动控制理论(哈尔滨工程大学)》课后章节测试答案
第一章测试1【单选题】(2分)对自动控制系统的基本要求是（）、快速性、准确性。
（）是保证控制系统正常工作的先决条件。
A.稳定性；准确性B.稳态误差；快速性C.稳态性能；稳定性D.稳定性；稳定性2【单选题】(2分)传递函数只适用于单输入单输出（）系统。
A.线性定常；B.线性时变；C.非线性定常；D.非线性时变。
3【单选题】(2分)从元器件职能看热水器水温控制系统，蒸汽阀门是（）元件，温度传感器是（）元件。
A.执行，比较。
B.执行，测量；C.比较，给定；D.放大，测量；4【单选题】(2分)扰动控制技术只适用于（）的场合。
A.扰动可知的B.扰动未知C.系统参数已知的D.扰动可以测量5【单选题】(2分)闭环控制又称为（）。
A.前馈控制B.黑箱控制C.反馈控制D.补偿控制6【单选题】(2分)下列不属于自动控制系统基本控制方式的是（）。
A.闭环控制B.程序控制C.复合控制D.开环控制7【判断题】(2分)同一物理系统，当输入输出变量不同时，描述系统传递函数的分母可能不同。
A.错B.对8【判断题】(2分)复合控制有两种基本形式，按输入补偿的复合控制和按扰动补偿的复合控制。
A.错B.对9【判断题】(2分)相比开环直流电动机转速系统，闭环直流电动机转速系统成本高、结构复杂，但抗干扰能力强。
自动控制原理试题
试题三一、填空题（每空 1 分，共20分）1、对自动控制系统的基本要求可以概括为三个方面，即： 、快速性和 。
2、控制系统的 称为传递函数。
一阶系统传函标准形式是 ，二阶系统传函标准形式是 。
3、在经典控制理论中，可采用 、根轨迹法或 等方法判断线性控制系统稳定性。
4、控制系统的数学模型，取决于系统 和 , 与外作用及初始条件无关。
5、线性系统的对数幅频特性，纵坐标取值为 ，横坐标为 。
6、奈奎斯特稳定判据中，Z = P - R ，其中P 是指 ，Z 是指 ，R 指 。
7、在二阶系统的单位阶跃响应图中，s t 定义为 。
%σ是 。
8、PI 控制规律的时域表达式是 。
P I D 控制规律的传递函数表达式是 。
9、设系统的开环传递函数为12(1)(1)Ks T s T s ++，则其开环幅频特性为 ，相频特性为 。
二、判断选择题(每题2分，共 16分)1、关于线性系统稳态误差，正确的说法是：( )A 、 一型系统在跟踪斜坡输入信号时无误差 ；B 、 稳态误差计算的通用公式是20()lim 1()()ss s s R s e G s H s →=+；C 、 增大系统开环增益K 可以减小稳态误差；D 、 增加积分环节可以消除稳态误差，而且不会影响系统稳定性。
2、适合应用传递函数描述的系统是 ( )。
A 、单输入，单输出的线性定常系统；B 、单输入，单输出的线性时变系统；C 、单输入，单输出的定常系统；D 、非线性系统。
3、若某负反馈控制系统的开环传递函数为5(1)s s +，则该系统的闭环特征方程为 ( )。
A 、(1)0s s +=B 、 (1)50s s ++=C 、(1)10s s ++=D 、与是否为单位反馈系统有关4、非单位负反馈系统，其前向通道传递函数为G(S)，反馈通道传递函数为H(S)，当输入信号为R(S)，则从输入端定义的误差E(S)为 ( )A 、 ()()()E S R S G S =⋅B 、()()()()E S R S G S H S =⋅⋅C 、()()()()E S R S G S H S =⋅-D 、()()()()E S R S G S H S =- 5、已知下列负反馈系统的开环传递函数，应画零度根轨迹的是 ( )。
中南大学自动控制原理期末试卷
一、填空题（每空 1 分，共20分）1、对自动控制系统的基本要求可以概括为三个方面，即： 、快速性和 。
2、控制系统的 称为传递函数。
一阶系统传函标准形式是 ，二阶系统传函标准形式是 。
3、在经典控制理论中，可采用 、根轨迹法或 等方法判断线性控制系统稳定性。
4、控制系统的数学模型，取决于系统 和 , 与外作用及初始条件无关。
5、线性系统的对数幅频特性，纵坐标取值为 ，横坐标为 。
6、奈奎斯特稳定判据中，Z = P - R ，其中P 是指 ，Z 是指 ，R 指 。
7、在二阶系统的单位阶跃响应图中，s t 定义为 。
%σ是 。
8、PI 控制规律的时域表达式是 。
P I D 控制规律的传递函数表达式是 。
9、设系统的开环传递函数为12(1)(1)Ks T s T s ++，则其开环幅频特性为 ，相频特性为 。
二、判断选择题(每题2分，共 16分)1、关于线性系统稳态误差，正确的说法是：( )A 、 一型系统在跟踪斜坡输入信号时无误差 ；B 、 稳态误差计算的通用公式是20()lim 1()()ss s s R s e G s H s →=+；C 、 增大系统开环增益K 可以减小稳态误差；D 、 增加积分环节可以消除稳态误差，而且不会影响系统稳定性。
2、适合应用传递函数描述的系统是 ( )。
A 、单输入，单输出的线性定常系统；B 、单输入，单输出的线性时变系统；C 、单输入，单输出的定常系统；D 、非线性系统。
3、若某负反馈控制系统的开环传递函数为5(1)s s +，则该系统的闭环特征方程为 ( )。
A 、(1)0s s +=B 、 (1)50s s ++=C 、(1)10s s ++=D 、与是否为单位反馈系统有关4、非单位负反馈系统，其前向通道传递函数为G(S)，反馈通道传递函数为H(S)，当输入信号为R(S)，则从输入端定义的误差E(S)为 ( )A 、 ()()()E S R S G S =⋅B 、()()()()E S R S G S H S =⋅⋅C 、()()()()E S R S G S H S =⋅-D 、()()()()E S R S G S H S =- 5、已知下列负反馈系统的开环传递函数，应画零度根轨迹的是 ( )。
自动控制原理试题库(含答案).
一、填空题（每空 1 分，共15分）
1、对于自动控制系统的性能要求可以概括为三个方面，即：、和，其中最基本的要求是。
2、若某单位负反馈控制系统的前向传递函数为 ，则该系统的开环传递函数为。
3、能表达控制系统各变量之间关系的数学表达式或表示方法，叫系统的数学模型，在古典控制理论中系统数学模型有、等。
C、会使系统的根轨迹向s平面的左方弯曲或移动；
D、可增加系统的稳定裕度。
9、开环对数幅频特性的低频段决定来自系统的( )。A、稳态精度 B、稳定裕度C、抗干扰性能 D、快速性
10、下列系统中属于不稳定的系统是( )。
A、闭环极点为 的系统B、闭环特征方程为 的系统
C、阶跃响应为 的系统D、脉冲响应为 的系统
其相应的传递函数为，由于积分环节的引入，可以改善系统的性能。
二、选择题（每题 2 分，共20分）
1、采用负反馈形式连接后，则( )
A、一定能使闭环系统稳定；B、系统动态性能一定会提高；
C、一定能使干扰引起的误差逐渐减小，最后完全消除；
D、需要调整系统的结构参数，才能改善系统性能。
2、下列哪种措施对提高系统的稳定性没有效果( )。
4、传递函数是指在初始条件下、线性定常控制系统的
与之比。
5、设系统的开环传递函数为 ，则其开环幅频特性为，相频特性为。
6、频域性能指标与时域性能指标有着对应关系，开环频域性能指标中的幅值穿越频率 对应时域性能指标，它们反映了系统动态过程的。
二、选择题（每题 2 分，共20分）
1、关于传递函数，错误的说法是( )
4、 时，求系统由 产生的稳态误差 ；（4分）
5、确定 ，使干扰 对系统输出 无影响。（4分）
五、(共15分)已知某单位反馈系统的开环传递函数为 :
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合
制与设计
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
本课程与其它课程的关系：
信号与系统 电路理论
复变函数 拉氏变换
模拟电子技术
电机与拖动
线性代数
大学物理
自动控制理论
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各类 专业课
线性系统
现代控 制理论
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
1.3 反馈控制原理
定义：反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存 在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输 入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态） 之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之 上的。
※ 1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念, 讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原制系统提供了一种可 行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。
※20世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可 行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。
反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比 较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用 输出量与输入量的偏差来进行控制。
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
图1-1 热力系统的人工反馈控制
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
图1-2 热力系统的自动反馈控制
自动控制的一般概念>>自动控制系统示例
自动控制的一般概念>>自动控制系统示例
＋U
电＋ 位 器
功率 放大器
电动机
测 ＋速
发 电 机
图1-3 直流电动机速度自动控制的原理结构图
当电源变化、负载变化等引起转速变化，称为扰 动。电动机被称为被控对象，转速称为被控量， 当电动机受到扰动后，转速（被控量）发生变化， 经测量元件（测速发电机）将转速信号（又称为 反馈信号）反馈到控制器（功率放大器），使控 制器的输出（称为控制量）发生相应的变化，从 而可以自动地保持转速不变或使偏差保持在允许 的范围内。
经典控制理论
现代控制理论
研究对象 描述方法 研究办法
线性定常系统 （单输入、单输出）
传递函数 （输入、输出描述）
根轨迹法和频率法
线性、非线性、定常、 时变系统
（多输入、多输出） 向量空间
（状态空间描述）
状态空间法
研究目标
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实
输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控
图纸
程序
微型 计算机
指令
放大器
执行机构
工作机 床
切削刀 具
位移
图1-4 微型计算机控制机床（开环系统）
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系统每一个输入信号，必有一个固定的工作状态和一个系 统的输出量与之相对应，但是不具有修正由于扰动而出现的 被控制量希望值与实际值之间误差的能力。例如，执行机构 步进电机出现失步，机床某部分未能准确地执行程序指令的 要求，切削刀具偏离了希望值，控制指令并不会相应地改变。
图纸
手
微型
计算机
放大器
执行机构
工作机 床
切削刀 具
位移
反馈测量元件
图1-5 微型计算机控制机床（闭环系统）
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自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
历史回顾
※ 18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器， 是自动控制领域的第一项重大成果。
※1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从 系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。
※1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳 态正弦 输入)，确定闭环系统稳定性的方法。
※20世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分 析的现代控制理论提供了可能。
※从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复 杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。
※从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞ 控制及其相关课题。
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自动控制的一般概念>>自动控制系统的分类
a、 按信号的传递路径来分 b、按系统输入信号的变化规律不同来分 c、按系统传输信号的性质来分 d、按描述系统的数学模型不同来分
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按信号的传递路径来分
1．开环控制系统 指系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对
系统的控制作用不发生影响的系统。如工业上使用的数 字程序控制机床，参见图1-3。
第一章 自动控制的一般概念
1 自动控制的基本原理与方式 2 自动控制系统示例 3 自动控制系统的分类 4 对自动控制系统的基本要求
自动控制的一般概念>>自动控制的基本原理与方式
1.1 自动控制技术及其应用
所谓自动控制，是指在没 有人直接参与的情况下，利用 外加的设备或装置（称控制装 置或控制器），使机器、设备 或生产过程（统称被控对象） 的某个工作状态或参数（即被 控量）自动地按照预定的规律 运行。
1.2 自动控制理论
• 古典控制理论
以传递函数为基础研究 单输入-单输出一类定 常控制系统的分析与 设计问题。这些理论 由于其发展较早，现 已臻成熟。
• 现代控制理论
以状态空间法为基础， 研究多输入-多输出、 时变、非线性一类控 制系统的分析与设计 问题。系统具有高精 度和高效能的特点。
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
直流电动机速度自动控制的原理结构图如图1-1 所示。图中，电位器电压为输入信号。测速发电机 是电动机转速的测量元件，又称为变送元件（变送 器）。图1-1中，代表电动机转速变化的测速发电机 电压送到输入端与电位器电压进行比较，两者的差 值（又称偏差信号）控制功率放大器（控制器）， 控制器的输出控制电动机的转速，这就形成了电动 机转速自动控制系统。
开环系统结构简单，成本低廉，工作稳定。但开环控制不 能自动修正被控制量的误差、系统元件参数的变化以及外来 未知干扰都会影响系统精度的。
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2．闭环控制系统
系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统，叫闭环
控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。“闭环”这个术语 的含义，就是应用反馈作用来减小系统误差如图1-4所示。