数字控制系统设计的主要任务是按照给定的性能指标,设计出数字调节器,使系统满足性能指标的要求。
计算机控制系统的性能和连续系统类似,可以用稳定性、能控性、能观性、稳态特性、动态特性来表征,相应地用稳定裕量、稳态指标、动态指标和综合指标来衡量一个系统的性能。
关于离散系统的稳定性、能控性、能观性将在1.5节中叙述,这里只介绍动态指标、稳态指标和综合指标。
1.动态指标 在古典控制理论中,用动态时域指标来衡量系统性能的好坏。
动态指标能够比较直观地反映控制系统的过渡过程特性,动态指标包括超调量σp、调节时间ts、上升时间tr、峰值时间tp、衰减比η和振荡次数N。图1-1是典型系统输出的阶跃响应,动态指标的规定如下:
(1)超调量σpσp表示了系统的过冲过程,设输出量y(t)的最大值为y(tp),y(t)的稳态值为y(∞),则超调量定义为
超调量通常用百分数表示。
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图1-1 典型阶跃响应曲线 和跟随性能指标
(2)调节时间tsts是输出响应到达并停留在误差带内所需的最小时间。调节时间ts反映了过渡过程的快慢。输出的误差带范围一般规定为稳态值的±5%。
(3)上升时间trtr是输出响应从零上升,第一次达到稳态值所需要的时间。它反映了系统的快速响应性。
(4)峰值时间tptp是输出响应从零上升至峰值的时间。
(5)衰减比η η表示了衰减快慢的程度。它定义为过渡过程的第一个峰值与第二个峰值的比值。通常希望衰减比为4∶1。
(6)振荡次数NN反映了控制系统的阻尼特性。它定义为输出量进入稳态前,穿越稳态值的次数的一半。
2.稳态指标 稳态指标是衡量控制系统精度的指标,用稳态误差来表征。稳态误差是表示输出量的稳态值与要求值的差值。稳态误差与控制系统本身的特性有关,也与系统的输入信号的型式有关。
3.综合指标 在现代控制理论中,经常使用综合指标来衡量一个控制系统。综合指标通常有三种类型:积分型指标、末值型指标、复合型指标。
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