3控制系统的动态性能指标汇总
[精品]控制系统的动态响应及其性能指标
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X0(s)=
1 1 2n 1 2n s (s p1 ) p1 ( p2 p1 ) (s p2 ) p2 ( p2 p1 )
1 1 x0(t)=1e p1t e p2 t p 2 p1 p1 p2
其时间响应为含有两个衰减指数曲线上升、无振荡及超
输入单位阶跃信号时 1 1 Xi(s)= , X0(s)= Ф(s)
s
X0(t)=L-1[Ф(s) 输入单位斜坡信号时
1 ] s
s
1 1 1 Xi(s)= 2 ,X0v(s) = Ф(s) =X0(s) 2 s s s
X0v(t)= .
t
0
x0 (t )dt
输入单位脉冲信号时
Xi(s)=1,X01(s)= Ф(s)∫=X0(s)s
μ=
ts tf
式中
2 2 tf= ,为阻尼振荡周期时间。 2 d n 1
X0(t) X 0 ( ∞) 0.9 0.05x0(∞) 或 0.05x0(∞)
0.1
0 (b) 图3-27
tr
ts
t
单调变化的单位阶跃响应 稳定系统的单位阶跃响应
式中 Xmax 输出超过稳态值的最大值； X0（∞） 输出稳态值。 超调量的大小直接表示了系统的相对稳定性。此值一 般应控制在5%-35%间。 2.峰值时间tp 指输出超过稳态值达到第一个峰值所需的时间 3.上升时间tr 对具有衰减振荡的响应，指输出由零值上升到第一次 穿过稳态值所需的时间。 4.调节时间ts 指输出X0（t）与稳态值X0（∞）之间的偏差，达到规 定的允许范围 ，且以后不再超过此范围所需的最小时间.
2
-
s 2 2 s n
动态性能指标
动态性能指标生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。
自动控制系统的动态性能指标包括对给定信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。
一、跟随性能指标在给定信号（或称参考输入信号）R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。
当给定信号表示方式不同时，输出响应也不一样。
通常以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的动态响应又称为阶跃响应。
一般希望在阶跃响应中输出量c(t)与其稳态值∞c 的偏差越小越好，达到∞c 的时间越快越好。
常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间，超调量和调节时间：1）上升时间r t在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值∞c 所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，见图2—2。
图2—22）超调量%σ在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量：%100%max ⨯-=∞∞c c c σ （2—4）超调量反映系统的相对稳定性。
超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。
3）调节时间s t调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。
原则上它应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。
对于线性控制系统来说，理论上要到∞=t 才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不是这样。
因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取()%2%5±±或的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调节时间，可见图2—2。
二、抗扰性能指标一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标，可见图2—3。
常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间：1）动态降落%max c ∆系统稳定运行时，突加一定数值的扰动（如额定负载扰动）后引起转速的最大降落值%max c ∆叫做动态降落，用输出量原稳态值1∞c 的百分数来表示。
控制系统的品质指标参数
控制系统的品质指标参数一、引言控制系统作为现代工业和社会各领域中的核心技术，其性能指标直接影响着整个系统的运行效果。
为了衡量控制系统的性能，我们需要设定一些品质指标参数。
这些参数可以帮助我们更准确地评估控制系统在不同条件下的表现，从而为优化控制系统提供依据。
本文将介绍控制系统的品质指标参数，并分析其重要性。
二、控制系统的品质指标参数控制系统的品质指标参数主要包括响应特性、稳态误差、动态误差、鲁棒性、可靠性等。
1.响应特性：响应特性指标主要包括上升时间、峰值时间、调节时间和超调量。
这些指标描述了控制系统在输入信号变化时的响应速度和稳定性。
2.稳态误差：稳态误差指标包括稳态误差、最大稳态误差和稳态误差裕度。
它们用来衡量控制系统在稳定状态下，输出信号与期望信号之间的误差。
3.动态误差：动态误差指标包括峰值动态误差、总动态误差和动态误差波动。
这些指标描述了控制系统在输入信号变化时，输出信号与期望信号之间的误差变化情况。
4.鲁棒性：鲁棒性指标包括系统扰动抑制能力和参数变化容忍度。
它们用来评估控制系统在面临外部扰动和参数变化时的稳定性能。
5.可靠性：可靠性指标包括故障容错能力、故障恢复能力和系统寿命。
这些指标反映了控制系统在故障情况下的应对能力和系统运行的持久性。
三、响应特性指标响应特性指标是评估控制系统速度和稳定性的重要参数。
以下是响应特性指标的具体介绍：1.上升时间：上升时间指的是控制系统从初始状态到达预设目标状态所需的时间。
较短的上升时间表示控制系统响应迅速。
2.峰值时间：峰值时间是指控制系统响应达到最大值的时间。
这个指标影响控制系统的响应速度。
3.调节时间：调节时间是指控制系统从初始状态到达稳定状态所需的时间。
较短的调节时间表示控制系统达到稳定状态的速度较快。
4.超调量：超调量是指控制系统在响应过程中，输出信号超过预设目标值的最大幅度。
超调量越小，控制系统的稳定性越好。
四、稳态误差指标稳态误差指标是衡量控制系统在稳定状态下，输出信号与期望信号之间误差的重要参数。
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？
62
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
85
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
自控实验—二三阶系统动态分析
自控实验—二三阶系统动态分析在自控实验中，二、三阶系统动态分析是非常重要的一部分。
通过对系统的动态性能进行分析，可以评估系统的稳定性、响应速度和稳态误差等方面的性能。
本次实验将使用PID控制器对二、三阶系统进行实时控制，并通过实验数据对系统进行动态分析。
首先，我们先了解什么是二、三阶系统。
在控制系统中，系统的阶数表示系统传递函数的阶数，也可以理解为系统动态特性的复杂程度。
二阶系统由两个极点和一个零点组成，三阶系统由三个极点和一个零点组成。
二、三阶系统的动态响应特性与极点位置有关，不同的极点位置对系统的稳定性、响应速度和稳态误差等性能有着不同的影响。
在实验中，我们将使用PID控制器对二、三阶系统进行控制。
PID控制器是一种经典的比例-积分-微分控制器，可以根据误差信号进行调节，通过调整比例系数、积分时间和微分时间来控制系统的响应特性。
实验中，我们将根据二、三阶系统的实时数据进行PID参数调整，以达到控制系统的稳定和快速响应的目的。
在进行实验前，我们首先需要对二、三阶系统进行建模。
二、三阶系统的传递函数通常表示为：二阶系统：G(s) = K / (s^2 + 2ξω_ns + ω_n^2)三阶系统：G(s) = K / (s^3 + 3ξω_ns^2 + 3ω_n^2s + ω_n^3)其中，K表示系统的增益，ξ表示系统的阻尼比，ω_n表示系统的自然频率。
通过实验数据的统计和分析，我们可以估计出系统的K、ξ和ω_n的值，并据此进行PID参数的调整。
接下来，我们进行实验。
我们首先将PID控制器的参数设为初始值，然后对系统进行实时控制，并记录系统输出的数据。
通过对这些数据进行分析，我们可以得到系统的稳态误差、响应时间和超调量等性能指标。
对于二阶系统，我们将分析以下几个方面的性能：1.稳态误差：通过比较实际输出值与目标值之间的差异，可以得到系统的稳态误差。
常见的稳态误差有零稳态误差、常数稳态误差和比例稳态误差等。
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
自动控制原理第3章
arctan 9 3
1.25rad
则响应为 y(t) 1 2 e 3t 0.95e j1.25e (1 j)t 0.95e j1.25e (1 j)t 5
1 2 e 3t 0.95e t e j(t1.25) e j(t1.25) 5 1 2 e 3t 1.9e t cos(t 1.25)
平衡位置：力学系统中，当系统外的作 D
用力为零时，位移保持不变的位置。
此时位移对时间的各阶导数为零。 A点和D点是平衡位置， B点和C点不是平衡位置。
O
B
C
A
稳定的平衡位置：若在外力作用下，系统偏离了平衡位置，但 当外力去掉后，系统仍能回到原来的平衡位置，则称这一个平 衡位置是稳定的平衡位置。
所以A点是稳定的平衡位置，而D点不是稳定的平衡位置。
注意：输入信号为非单位阶跃信号时，依齐次性，响应 只是沿纵轴拉伸或压缩，基本形状不变。所以ts 、 tr、 tp 、 σ并不发生变化。
当t < ts时，称系统处于动态；当t > ts时，称系统处于稳态。
3.2 一阶系统的单位阶跃响应
一阶系统（惯性环节）
G(s) 1 Ts 1
单位阶跃响应为
t
y(t) 1 e T
设零初始状态，y(0)=0 r (t)=1(t)时，y(t)的响应曲线为
y(t)
1.05 y(∞)
ym
y(∞)
0.95 y(∞)
tr tp
ts
ym：单位阶跃响应的最大偏离量。 y(∞)：单位阶跃响应的稳态值。并非期望值。 ts：调节时间。y(t)进入0.5*y(∞)或0.2* y(∞)构成的误差带 后不再超出的时间。 tr：上升时间。 y(t) 第一次达到 y(∞)的时间。
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
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控制系统的动态性能指标
自动控制系统的动态性能指标包括：
⒈跟随性能指标
⒉抗扰性能指标
下面分别介绍这两项性能指标。
O ±5%（或±2%）
)
(t C ∞C ∞-C C max max C ∞
C 0 t t r t s
图1 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标
1. 跟随性能指标：
在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。
常用的阶跃响应跟随性能指标有
1.1— 上升时间tr
从系统图加阶跃给定信号开始到响应第一次达到稳态值所经过的时间，它表征动态响应的快速性。
1.2 — 超调量σ与峰值时间p t
在阶跃响应过程中，时间超过r t 以后，输出量有可能继续升高，到达最大值max C 以后回落。
max C 和稳态值∞C 之间的差与稳态值的比称为超调量，常用百分数表示，即
%100max ⨯-=∞
∞C C C σ 超调量反映系统的相对稳定性。
超调量越小，相对稳定性越好。
系统阶跃响应从零开始，到达最大值max C 所经历的时间p t ，称为峰值时间p
t 。
1.3 — 调节时间ts
调节时间又称为过渡过程时间，它衡量整个输出量调节过程的快慢。
理论上线性系统的输出过渡过程要到∞=t 时才结束，但实际上由于存在各种非线性因素，过渡过程到一定时间就终止了。
为了在线性系统阶跃响应曲线上表示调节时间，认为响应进入稳态值附近一个小的误差带内（可取%5±或%2±）并不再出来时，系统的过渡过程就结束了。
将响应进入并不再超出该误差带所需要的时间定义为调节时间。
调节时间既反映了系统响应的快速性，也能反映系统的稳定性。
max C ∆1∞C 2
∞C ±5%（或±2%）C
N N
O t t m t v C b
图2 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标
2. 突加阶跃扰动时抗扰性能指标
控制系统稳定运行中，突然施加一个使输出量降低的阶跃扰动量以后，输出量由降低到恢复到新的稳态的过渡过程是系统典型的抗扰动过程，如图2所示。
抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动的能力。
常用的抗扰性能指标有
⑴动态降落∆C max
系统稳定运行时，突加一个约定的标准阶跃扰动量，所引起的输出量的最大降落值max C ∆称作动态降落。
一般用max C ∆和原稳态值1∞C 之比的百分数%1001
max ⨯∆∞C C 来表示
（或用某基准值的百分数%100max ⨯∆b
C C 来表示）。
输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值2∞C ，()21∞∞-C C 是系统在该扰动作用下的稳态误差，即净差。
动态降落一般都大于稳态误差。
调速系统的突加额定负载扰动时转速的动态降落称作动态速降max n ∆。
⑵恢复时间t v
从阶跃扰动作用开始到输出量基本上恢复到稳态，距新稳态值2∞C 之差进入某基准值b C 的%5±（或%2±）范围之内所需要的时间，定义为恢复时间v t ，见上图2所示。
其中b C 称作抗扰指标中输出量的基准值，可视具体情况选定。
如果允许的动态降落较大，就可以新稳态值2∞C 作为基准值。
如果允许的动态降落较小，例如小于1%5∞±C （这是常有的情况），则按进入2%5∞±C 范围来定义的恢复时间只能为零，这样就没有意义了，所以必须选择一个比稳态值更小的b C 作为基准。
实际控制系统对于各种动态指标的要求各不相同。
例如可逆轧钢机需要连续正反向轧制许多道次，因而对转速的动态跟随性能指标和抗扰性能指标都有较高的要求，而一般生产中使用的不可逆调速系统则主要要求一定的动态抗扰性能，其跟随性能如何要求不是很高。
工业机器人和数控机床用的位置随动系统需要很强的跟随性能，而大型天线的随动系统除需要良好的跟随性能外，对抗扰性能也有一定的要求。
多机架连轧机的调速系统要求动态抗扰性能很高，如果动态速降max n ∆和恢复时间v t 较大，在机架之间就会产生拉钢或堆钢的事故。
一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。