1.5 控制系统性能的基本要求和设计

1.5.1 控制系统性能的基本要求

图1.7所示是自动控制系统的一般形式，控制对象、控制器、反馈装置是3个基本要素。控制对象是实现控制目标的执行器，反馈装置用于检验控制对象是否按控制目标运行，控制器提供对检测误差进行校正的控制方法。因此，设计自动控制系统时，需要针对控制对象，通过恰当的反馈方式寻求一种控制方法，使控制对象的响应输出达到控制目标或满足控制要求。

图1.7 自动控制系统的一般形式

从实际工程的角度看，控制对象（或系统）的输出不可能总是按照控制目标要求响应的。此外，由于任何控制系统具有储能属性，使得控制器难以对检测误差进行同步校正，就是说，控制作用不可能瞬时实现，控制必须经历一个过程。在实际工程中，往往只要控制过程的性能指标，使之满足一定要求，就可认为达到了控制目标。控制系统性能的基本要求如下。

（1）稳定性。稳定性是控制理论的一个古老的基本问题，它是控制趋于平衡工作状态的固有特性。对于稳定的系统，当其运动偏离平衡工作状态且没有任何外界作用时，总能收敛或恢复到原来的平衡工作状态，如钟摆的运动、陀螺的运动等。不稳定的系统是不能正常工作的，在实际工程中就会造成设备或系统的事故。因此，稳定性是控制系统的最基本要求，是控制系统正常工作的首要条件。系统稳定与否，只与系统的结构参数有关，与输入量和输出量无关。

（2）响应特性。控制系统在输入信号作用下产生输出信号的过程称为系统的响应过程，一般分为动态响应过程和稳态响应过程两个阶段。控制系统的响应特性就是指系统在输入信号作用下的输出过程特性，对应地分为动态响应特性和稳态响应特性。动态响应又称为瞬态响应，是系统从一种平衡状态到另一种平衡状态的过渡过程，稳态响应是指系统经历动态响应过程后进入一种新的平衡状态。衡量系统响应特性的指标主要有响应速度和控制精度。响应速度是评价控制系统动态响应特性的主要指标，反映控制过程达到目标的速度快慢，一般要求响应速度适当。过快的响应速度会使系统的振荡加剧，降低系统的稳定性。甚至使系统不稳定。评价控制系统稳态响应特性的主要指标是控制精度，也称为稳态精度，它是指控制对象跟踪目标运动的误差大小，反映控制的准确性，常用稳态误差描述。在实际工程中，在满足控制系统要求的前提下并非控制精度越高越好。

（3）可控性和可观测性。可控性和可观测性反映系统外部作用与系统内部工作状态的关联关系，可控性是指系统的外界输入信号的作用可否控制其内部工作状态的变化，可观测性是指从系统输出信号中可否“窥视”到其内部工作状态的变化。可控性和可观测性是控制系统的基本要求，尤其是对多输入/多输出控制系统来说，它是实现状态反馈控制的先决条件。不难想象，对一个不可控的对象（或系统），就难以实现有效的控制作用；对一个不可观的对象（或系统），就难以或无法了解系统内部工作状态变化的情况。

（4）鲁棒性。鲁棒性问题是从20世纪70年代开始在控制领域受到重视和研究的问题。它是指系统对各种因素变化的适应特性，即反映控制系统在参数的一定扰动下维持某些性能的能力。鲁棒性高，就表示系统抵抗内部参数变化和外部因素影响的能力就强，即对性能或参数的扰动不敏感。在实际工程中，控制系统的性能或参数的扰动问题总是存在的，如电气系统的器件老化和环境变化引起的性能波动、机械系统的摩擦磨损和疲劳损伤等都会引起系统运行参数或性能的变化。因此，随着工业自动化的发展，鲁棒性已成为现代控制工程系统设计必须考虑的一个重要问题。

应当指出的是，实际工程中的控制系统千差万别，对稳定性、响应特性等方面的性能要求往往各有侧重。例如，对恒值控制系统的性能要求往往侧重于稳定性，对随动控制系统的性能要求一般侧重于快速跟踪的响应特性。此外，对同一个控制系统，各个性能要求一般是相互制约的。例如，提高控制系统的稳定性，就会使其响应速度变缓，甚至使控制精度变差；提高控制系统的响应速度，就会降低系统的稳定性，容易引起系统振荡。