自动控制原理第一章第四节自动控制系统的性能评价

学习好资料欢迎下载山东科技大学《自动控制原理》（经典部分）课程教案授课时间：2007－2008学年第1学期适用专业、班级：自动化2005－1、2、3班**人：***编写时间：2007年7月)())()m n s z s p --221)(1)21)(1)i j s s T s T s ζττζ++++++ 极点形成系统的模态，授课学时：2学时章节名称第二章第三节控制系统的结构图与信号流图（1）备注教学目的和要求1、会绘制结构图。

2、会由结构图等效变换求传递函数。

重点难点重点：结构图的绘制；由结构图等效变换求传递函数。

难点：复杂结构图的等效变换。

教学方法教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲多练的方法突出重点，用分析举例的方法突破难点。

2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。

教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）一、引入（约3min）从“用数学图形描述系统的优点”引入新课。

二、教学进程设计（一）结构图的组成（约7min）1、信号线：表示信号的传递方向。

2、方框：表示输入和输出的运算关系，即C(S)=R(S)*G(S)。

3、比较点：表示两个以上信号进行代数运算。

4、引出点：一个信号引出两个或以上分支。

（二）结构图的绘制（约40min）绘制：列写微分方程组，并列写拉氏变换后的子方程；绘制各子方程的结构图，然后根据变量关系将各子结构图依次连接起来，得到系统的结构图。

例题讲解。

（二）结构图的简化（约46min）任何复杂的系统结构图，各方框之间的基本连接方式只有串联、并联和反馈连接三种。

方框结构图的简化是通过移动引出点、比较点、交换比较点，进行方框运算后，将串联、并联和反馈连接的方框合并，求出系统传递函数。

1、串联的简化：12()()()G s G s G s=2、并联的简化：12()()()G s G s G s=±3、反馈连接方框的简化：11()()1()()G ssG s H sΦ=4、比较点的移动：移动前后保持信号的等效性。

自动控制系统的性能评估与改进自动控制系统在现代工业中起着重要的作用，它可以实现对机器和设备的自动化操作和监控。

然而，为了确保自动控制系统的正常运行，需要对其性能进行评估和改进。

本文将探讨自动控制系统的性能评估方法，并结合实例介绍如何改进系统性能。

一、性能评估方法1. 系统稳定性评估系统的稳定性是衡量其性能的重要指标之一。

常见的评估方法包括对系统的阶跃响应进行分析和测试。

阶跃响应是指系统在输入信号突然变化时的响应情况，通过分析阶跃响应曲线的形状、振幅和周期等特征，可以评估系统的稳定性。

2. 控制精度评估控制精度是衡量自动控制系统性能的另一个重要指标。

常用的评估方法包括对系统的静态误差、超调量和调整时间进行测量。

静态误差是指系统在稳定状态下输出与期望值之间的偏差，超调量是指系统在调整过程中超过期望值的程度，调整时间是指系统从初始状态到稳定状态所需的时间。

3. 鲁棒性评估鲁棒性是指系统在面对不确定性和干扰时的稳定性。

常见的评估方法包括对系统的鲁棒性边界进行分析和测试。

鲁棒性边界是指系统在各种参数变化和干扰下能够保持稳定的范围。

通过评估系统的鲁棒性边界，可以确定系统在实际工作环境中的可靠性。

二、性能改进方法1. 参数调优参数调优是改善自动控制系统性能的常用方法之一。

通过调整系统的参数，可以提高系统的稳定性和控制精度。

常见的参数调优方法包括基于试验的方法和基于数学模型的方法。

基于试验的方法是通过对系统进行实验观察和调整参数，找到满足性能要求的最佳参数组合。

基于数学模型的方法是通过建立系统的数学模型，并利用数学优化算法找到最优参数。

2. 控制策略优化控制策略优化是改进自动控制系统性能的另一种重要方法。

不同的控制策略适用于不同的系统和工况，通过选择合适的控制策略可以提高系统的响应速度和鲁棒性。

常见的控制策略包括比例-积分-微分（PID）控制、模糊控制和自适应控制等。

选择适合系统的控制策略需要考虑系统的特性和要求，并进行实验验证和调整。

自动控制原理》教学大纲一、课程的性质、地位与任务本课程是电力系统自动化技术专业的基础课程。

通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基础理论，并具有对简单连续系统进行定性分析、定量估算和初步设计的能力，学生将掌握自动控制系统分析与设计等方面的基本方法，如控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、状态空间分析法、采样控制系统的分析等基本方本课程系统地阐述了自动控制科学和技术领域的基本概念和基本规律，介绍了自动控制技术从建模分析到应用设计的各种思想和方法，内容十分丰富。

通过自动控制理论的教学，应使学生全面系统地掌握自动控制技术领域的基本概念、基本规律和基本分析与设计方法，以便将来胜任实际工作，具有从事相关工程和技术工作的基本素质，同时具有一定的分析和解决有关自动控制实际问题的能力。

二、教学基本要求了解自动控制的概念、基本控制方式及特点、对控制系统性能的基本要求。

理解典型环节的传递函数、结构图化简或梅森公式以及控制系统传递函数的建立和表示方法，初步掌握小偏差线性化方法和通过机理分析建立数学模型的方法，以串联校正为主的根轨迹综合法，掌握常用校正装置及其作用。

熟悉暂态性能指标、劳思判据、稳态误差、终值定理和稳定性的概念以及利用这些概念对二阶系统性能的分析，初步了解高阶系统分析方法、主导极点的概念，能利用根轨迹对系统性能进行分析，熟悉偶极子的概念以及添加零极点对系统性能的影响。

频率特性的概念、开环系统频率特性Nyquist图和Bode图的画法和奈氏判据，了解绝对稳定系统、条件稳定系统、最小相位系统、非最小相位系统、稳定裕量、频指标的概念，以及频率特性与系统性能的关系。

基本校正方式和反馈校正的作用，掌握复合校正的概念和以串联校正为主的频率响应综合法。

三、教学学时分配表四、教学内容与学时安排第一章自动控制系统的基本知识……4学时本章教学目的和要求：掌握自动控制系统组成结构和基本要素，理解自动控制的基本控制方式和对系统的性能要求，了解一些实际自动控制系统的控制原理。

上篇自动控制原理第一章自动控制系统概述本章要点本章简要介绍有关自动控制的基本概念、开环控制和闭环控制的特点、自动控制系统的基本组成和分类以及对自动控制系统的基本要求。

第一节自动控制的基本概念自动控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。

自动控制系统则是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。

在自动控制系统中，被控制的设备或过程称为被控对象或对象；被控制的物理量称为被控量或输出量；决定被控量的物理量称为控制量或给定量；妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。

扰动量按其来源可分为内部扰动和外部扰动。

给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。

通常情况下，系统有两种外作用信号：一是有效输入信号（以下简称输入信号），二是有害干扰信号（以下简称干扰信号）。

输入信号决定系统被控量的变化规律或代表期望值，并作用于系统的输入端。

干扰信号是系统所不希望而又不可避免的外作用信号，它不但可以作用于系统的任何部位，而且可能不止一个。

由于它会影响输入信号对系统被控量的有效控制，严重时必须加以抑制或补偿。

第二节开环控制和闭环控制自动控制有两种基本的控制方式：开环控制和闭环控制。

与这两种控制方式对应的系统分别称之为开环控制系统和闭环控制系统。

一、开环控制系统开环控制系统是指系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制作用不发生影响的系统。

这种系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。

电加热系统的控制目标是，通过改变自耦变压器滑动端的位置，来改变电阻炉的温度，并使其恒定不变。

因为被控制的设备是电阻炉，被控量是电阻炉的温度，所以该系统可称为温度控制系统，如图1-1所示。

开环控制系统的优点是系统结构和控制过程简单，稳定性好，调试方便，成本低。

自动控制系统的性能评估指标自动控制系统是现代工业中的重要组成部分，它通过采集传感器信息并对其进行处理，从而实现对工业过程的控制。

然而，为了确保系统的有效运行，必须对自动控制系统的性能进行评估。

本文将探讨自动控制系统性能评估的指标，并对其进行详细说明。

一、稳定性稳定性是自动控制系统的基本要求之一。

它指的是系统在给定输入和负载变化的情况下，输出是否能够保持在期望值附近的能力。

稳定性评估指标包括：1. 稳态误差：系统输出与期望值之间的差异，常用于评估系统的准确性。

较小的稳态误差意味着系统的响应更为精确。

2. 收敛速度：系统从输入发生变化到输出稳定在期望值附近所需要的时间。

较快的收敛速度表示系统的响应更迅速。

二、动态性能除了稳定性外，自动控制系统的动态性能也是评估的关键指标之一。

它指的是系统对输入变化的响应速度和质量。

常见的动态性能评估指标包括：1. 响应时间：系统从输入变化到输出稳定在期望值附近所需的时间。

响应时间越短，系统响应越迅速。

2. 超调量：系统在响应过程中超过期望值的最大偏差。

较小的超调量表示系统的稳定性和准确性更高。

3. 阻尼比：描述系统振荡过程中阻尼能力的比例。

较高的阻尼比意味着系统的振荡减幅更快，响应更稳定。

三、鲁棒性鲁棒性是指自动控制系统对外界扰动或不确定性的抵抗能力。

评估鲁棒性的指标包括：1. 灵敏度：描述系统输出响应对参数变化的敏感程度。

较低的灵敏度表示系统对参数变化的抵抗能力更强。

2. 频率响应：描述系统对输入信号频率的响应特性。

较宽的频率响应范围意味着系统对不同频率的输入信号能够做出较好的响应。

四、可扩展性自动控制系统通常需要面对不同规模和复杂度的应用场景，因此可扩展性也是评估的重要指标之一。

可扩展性评估主要考虑以下因素：1. 系统规模：系统能够同时控制的设备数量或处理的数据量。

较大的系统规模意味着系统可以适应更大范围的应用场景。

2. 网络拓扑：系统中各个部分之间的连接方式。

自动控制系统优化调节与性能评估自动控制系统在各个领域的应用越来越广泛，但是如何优化调节和进行性能评估是一个重要的课题。

在自动控制系统中，优化调节能够提高系统的响应速度、稳定性、鲁棒性和鲁棒性等方面的性能。

因此，在设计自动控制系统时，优化调节至关重要。

对于自动控制系统的优化调节，我们需要先了解其结构。

一个自动控制系统主要由控制器、被控对象和反馈装置构成。

控制器是自动控制系统的核心，可以通过调整控制器参数进行优化调节。

被控对象则是需要被控制的系统。

反馈装置则用于采集系统响应信号，以便进行调节。

在控制器中，比较常用的有PID控制器和先进控制器。

PID控制器是一种最简单、最常见的控制器，它通过比例、积分和微分控制来调整被控对象，以达到期望目标。

先进控制器则是一种基于先进算法的控制器，它能更好地适应复杂的被控对象。

在进行自动控制系统的优化调节时，需要先明确控制系统所要调整的关键参数。

这些关键参数可以分为两类：被控对象参数和控制器参数。

被控对象参数包括惯性时间常数、阻尼比、增益等。

控制器参数则主要包括比例增益、积分时间和微分时间等。

具体来说，我们需要通过试验等方式，调整控制器中的比例增益、积分时间和微分时间，以及被控对象的惯性时间常数、阻尼比、增益等参数，进而优化自动控制系统的性能。

除了优化调节，自动控制系统的性能评估也是非常重要的。

常用的性能评估指标包括稳态误差、动态响应速度、系统稳定性、鲁棒性和能耗等。

其中，对于稳态误差的评估，常见的指标包括静态误差、超调量等。

在动态响应速度方面，可以考虑调整响应时间或者采用更高级别的先进控制算法来提高响应速度。

稳定性则是自动控制系统中最为重要的一个指标，我们可以通过控制器的设计和参数调整来提高系统的稳定性。

鲁棒性则是控制系统对于外界扰动的抗干扰能力。

了解控制对象特性可以是提高鲁棒性的有效方法之一。

在能耗与经济性方面，我们可以设计能够达到期望效果的控制器，从而避免能耗的浪费。

《自动控制原理》教学大纲一、课程的性质、地位与任务本课程是电力系统自动化技术专业的基础课程。

通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基础理论，并具有对简单连续系统进行定性分析、定量估算和初步设计的能力，学生将掌握自动控制系统分析与设计等方面的基本方法，如控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、状态空间分析法、采样控制系统的分析等基本方法等。

本课程系统地阐述了自动控制科学和技术领域的基本概念和基本规律，介绍了自动控制技术从建模分析到应用设计的各种思想和方法，内容十分丰富。

通过自动控制理论的教学，应使学生全面系统地掌握自动控制技术领域的基本概念、基本规律和基本分析与设计方法，以便将来胜任实际工作，具有从事相关工程和技术工作的基本素质，同时具有一定的分析和解决有关自动控制实际问题的能力。

二、教学基本要求了解自动控制的概念、基本控制方式及特点、对控制系统性能的基本要求。

理解典型环节的传递函数、结构图化简或梅森公式以及控制系统传递函数的建立和表示方法，初步掌握小偏差线性化方法和通过机理分析建立数学模型的方法，以串联校正为主的根轨迹综合法，掌握常用校正装置及其作用。

熟悉暂态性能指标、劳思判据、稳态误差、终值定理和稳定性的概念以及利用这些概念对二阶系统性能的分析，初步了解高阶系统分析方法、主导极点的概念，能利用根轨迹对系统性能进行分析，熟悉偶极子的概念以及添加零极点对系统性能的影响。

频率特性的概念、开环系统频率特性Nyquist图和Bode图的画法和奈氏判据，了解绝对稳定系统、条件稳定系统、最小相位系统、非最小相位系统、稳定裕量、频指标的概念，以及频率特性与系统性能的关系。

基本校正方式和反馈校正的作用，掌握复合校正的概念和以串联校正为主的频率响应综合法。

四、教学内容与学时安排第一章自动控制系统的基本知识……4学时本章教学目的和要求：掌握自动控制系统组成结构和基本要素，理解自动控制的基本控制方式和对系统的性能要求，了解一些实际自动控制系统的控制原理。

自动控制原理第一章一、自动控制系统的概念自动控制系统是指通过测量被控对象的状态或输出，并根据一定规律进行比较、判断及输出控制量的系统。

该系统可以根据实际需要分为闭环控制和开环控制两种方式。

闭环控制系统通过比较实际输出量和期望输出量之间的差异，自动调整控制量以使实际输出量达到期望值。

开环控制系统不考虑实际输出量与期望值之间的差异，只根据一定规律输出控制量。

二、自动控制系统的组成自动控制系统主要由被控对象、传感器、执行器、控制器和控制对象组成。

被控对象是需要被控制系统改变状态或输出的物理元件或过程。

传感器用于将被控对象的状态或输出转换为电信号。

执行器接收控制器输出的信号，并将其转换为被控对象状态或输出的改变。

控制器接收传感器输出的信号，并根据一定的算法对其进行处理和判断，然后输出控制信号。

控制对象是指需要控制的系统或过程。

三、自动控制系统的特点自动控制系统具有以下几个基本特点：1.反馈调节：通过传感器和执行器之间的反馈回路来实现系统的调节和稳定。

2.误差纠正：系统的输出与期望输出之间的差异会被控制器捕捉到，从而对控制信号进行修正。

3.自适应性：系统能够根据外部环境变化自动调整控制参数以适应不同工况要求。

4.稳定性：系统能够稳定工作，在一定误差范围内输出可控的状态或输出。

5.灵敏性：系统对输入信号的变化有较强的响应能力，能够及时调整控制量以保持系统稳定。

6.自动化程度高：系统能够自动地完成输入参量的检测、判决和输出控制信号的过程。

总结起来，自动控制原理第一章详细介绍了自动控制系统的概念、组成和基本特点。

了解自动控制系统的概念和特点对于深入理解后续章节的内容非常重要，为后续学习打下了良好的基础。

了解了自动控制系统的组成，可以更好地理解控制系统中各个组成部分的功能和相互关系。

同时，该章节还介绍了自动控制系统的特点，使我们对自动控制系统的工作原理和优势有了更深入的认识。

自动化控制系统的性能评估与优化研究自动化控制系统是现代工业中十分重要的组成部分，其稳定性、可靠性和性能对于生产过程的有效管理至关重要。

为了确保自动化控制系统的高效运行，需要对其性能进行评估与优化研究。

本文将探讨自动化控制系统的性能评估方法和优化策略，并提出一些相关的研究方向。

一、自动化控制系统性能评估方法1. 性能指标的选择性能指标是评估自动化控制系统优劣的重要依据。

常见的性能指标包括响应时间、稳定性、鲁棒性、抗干扰能力等。

针对具体的应用场景，选择适合的性能指标进行评估是必要的。

通过对实际运行数据的分析和模型化，可以确定合适的性能指标。

2. 实验设计与测试通过实验设计和测试，可以对自动化控制系统的性能进行定量的评估。

实验中需要考虑系统的工作环境、输入信号的特性以及要测试的性能指标等因素。

合理的实验设计可以提高评估结果的准确性和可靠性。

3. 性能评估指标的计算与分析在获得实验数据后，需要进行数据处理和分析，计算性能评估指标的数值。

此过程中，可采用统计学方法、计算机模拟仿真等技术手段，分析系统在不同条件下的性能变化，并对结果进行统计和归纳。

二、自动化控制系统性能优化策略1. 参数调整与校准自动化控制系统中的各种参数对性能有着重要影响。

通过对参数的精确调整与校准，可以提高系统的稳定性和鲁棒性。

参数的调整可以采用试错法、优化算法等方法，在实际运行中逐步优化。

2. 控制策略优化控制策略的选择和优化对于自动化控制系统的性能至关重要。

常见的优化策略包括PID控制、模糊控制、最优控制等。

根据实际需求和系统特性，选择合适的控制策略，并进行参数调优和性能分析。

3. 系统扩展与改进自动化控制系统的性能优化还可以通过系统的扩展和改进来实现。

例如，引入更先进的传感器和执行器、优化数据采集和处理系统等。

这些改进可以提高系统的灵敏度和响应速度，进一步优化系统的性能。

三、自动化控制系统性能评估与优化研究方向1. 多目标优化研究目前的自动化控制系统性能评估与优化研究主要关注单一性能指标，而实际系统需要同时考虑多个性能指标。

自动化控制系统的性能评估与优化自动化控制系统是现代工业生产中不可或缺的一部分，它能够实现对生产过程的自动化监控和控制。

然而，随着技术的不断发展和应用的深入，以及生产环境的复杂性增加，如何评估和优化自动化控制系统的性能变得愈发重要。

本文将探讨自动化控制系统的性能评估方法和优化策略。

一、性能评估方法1.1 系统稳定性评估在自动化控制系统中，稳定性是一个至关重要的指标。

稳定性评估的方法主要包括时间域评估和频域评估。

时间域评估通过监测系统的输出响应和输入信号之间的时间关系来评估系统的稳定性。

频域评估则通过对系统的频率响应进行分析，判断系统在不同频率下的稳定性。

1.2 控制精度评估控制精度是衡量自动化控制系统性能的重要指标之一。

在评估控制精度时，可以通过测量系统的跟踪能力、控制误差和控制指标等指标来进行评估。

此外，还可以利用系统的动态特性进行评估，如系统的超调量、上升时间、调节时间等。

1.3 鲁棒性评估自动化控制系统往往面临着各种不确定因素的影响，如工作环境的变化、系统参数的变动等。

鲁棒性评估主要是评估系统对这些不确定因素的响应能力。

常用的方法包括灵敏度函数分析、鲁棒稳定边界分析等。

二、性能优化策略2.1 控制器设计优化控制器是自动化控制系统中至关重要的组成部分，其设计的好坏决定了系统的性能。

通过优化控制器的设计，可以提高系统的稳定性和控制精度。

常用的优化方法包括经典的PID控制器调参方法、现代控制理论和方法、智能控制方法等。

2.2 系统参数优化系统参数是自动化控制系统中的关键因素之一，对系统的性能有着重要影响。

通过对系统参数的优化，可以改善系统的稳定性和响应速度。

系统参数优化的方法包括利用数学建模、参数识别、优化算法等。

2.3 系统结构优化自动化控制系统的结构设计也是影响系统性能的重要因素。

通过对控制系统的结构进行优化，可以提高系统的可靠性和稳定性。

常见的结构优化方法包括模型预测控制、自适应控制、多变量控制等。