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。
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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。