1.4 自动控制系统的性能要求

自动控制系统中，当系统的输入量和干扰量不变时，整个系统就处于相对平衡的状态，系统中各种信号的变化率为零，这种系统参数不随时间变化的平衡状态称为自动控制系统的静态或稳态。如果人为改变系统输入量或外部干扰作用破坏了系统原有的平衡，被控参数就会发生变化。系统的控制器也会相应地改变其输入输出状态，通过调节使系统最终克服干扰，重新回到平衡状态。系统这种从原有平衡状态过渡到新平衡状态的过程称为自动控制系统的动态或暂态。

尽管自动控制系统有不同的类型，对每个系统有不同的特殊要求，但对每一类系统被控量变化过程提出的基本要求都是一样的，可以归结为稳定性、快速性和准确性，即“稳、快、准”三个方面。

1.4.1 稳定性

稳定性是对控制系统最基本的要求，是系统分析与综合的前提条件。所谓稳定性就是系统受到扰动作用后，其动态过程的振荡倾向趋于恢复系统平衡的能力。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。具体来说，对于稳定的恒值控制系统，被控量因扰动而偏离期望值后，经过一个过渡过程时间，被控量应恢复到原来的期望值状态；对于稳定的随动系统，被控量应能始终跟踪参变值的变化。反之，不稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差将随时间的增长而发散，故不稳定的控制系统无法实现预定的控制任务。系统的稳定性是系统的内在特性，由系统自身结构决定，与外界因素无关。稳定系统、不稳定系统在扰动作用下的输出响应曲线分别如图1-10a、b所示；另外，若系统在扰动作用下出现等幅振荡的输出响应曲线，如图1-10c所示，则该系统为临界稳定系统，也属于不稳定系统。

图1-10 扰动作用后的系统输出响应曲线

a）稳定系统 b）不稳定系统 c）临界稳定系统

1.4.2 快速性

为了满足生产过程的要求，控制系统仅满足稳定性是远远不够的，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求，即快速性。在通常情况下，控制系统过渡过程越短越好，振荡幅度越小越好，衰减越快越好。表征系统从一个稳态到另一个稳态的过渡过程的指标叫作动态特性指标，例如延迟时间、上升时间、峰值时间、调节时间、超调量和振荡次数等。系统的快速性通常采用上述动态性能指标进行衡量。尤其是对控制系统过渡过程的时间（即调节时间）和最大振荡幅度（即超调量）一般都有具体要求。

1.4.3 准确性

稳态过程是在参考输入信号作用下，当时间趋于无穷时，系统输出量的表现方式。准确性是指系统进入稳态过程后其被控量与期望值的接近程度，常用稳态误差来表征。稳态误差是指系统进入稳态过程后，系统的给定输入值与系统的输出响应值之间的差值。稳态误差越小，系统的控制精度越高，准确性越好。

在同一系统中，稳定性、快速性和准确性往往是相互制约的。求稳可能导致系统的快速性变差、精度变低；求快则可能导致系统输出量加剧振荡，甚至引起不稳定。此外，由于被控对象具体情况不同，不同控制系统对上述三个方面要求的侧重点也不一致。例如，恒值控制系统对准确性要求较高，随动控制系统则对快速性要求较高。根据不同的工作任务，如何在保证系统稳定的前提下，兼顾系统的快速性和准确性，以满足实际系统指标，这正是本课程要解决的问题。