《自動控制原理及其應(yīng)用》 課件 第1章概述

自動控制原理及其應(yīng)用學(xué)習(xí)強國搜索“自動控制原理”課程介紹控制類專業(yè)考研專業(yè)課考試課期末成績（考試成績*占比+平時成績*占比）平時成績包括：出勤、作業(yè)、課堂參與（曠課一次扣5分，請假需要有輔導(dǎo)員批準(zhǔn)的假條）課程時間：2-19周特別提醒：兩個作業(yè)本。每節(jié)課都需要帶紙和筆，備用。課程主要內(nèi)容第1章概述第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第3章時域分析法第4章根軌跡分析法第5章頻域分析法第6章線性系統(tǒng)頻域校正討論你如何理解自動控制？你能定義自動控制嗎？對于自動控制，你有想說的嗎？第1章概述z1.1自動控制理論的發(fā)展階段1.2自動控制的一般概念1.3自動控制系統(tǒng)的組成1.4自動控制系統(tǒng)的類型1.5對控制系統(tǒng)性能的要求1.6MATLAB軟件81.1自動控制理論的3個發(fā)展階段·1.經(jīng)典控制理論(19世紀(jì)初)

傳遞函數(shù)

時域法

復(fù)域法(根軌跡法)

頻域法·2.現(xiàn)代控制理論(20世紀(jì)60年代)

線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制

最優(yōu)控制魯棒控制

最佳估計容錯控制

系統(tǒng)辨識集散控制·3.智能控制理論(20世紀(jì)70年代)

專家系統(tǒng)模糊控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法經(jīng)典控制理論自動控制理論是在人類征服自然的生產(chǎn)實踐活動中孕育、產(chǎn)生并隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展、完善起來的。早在古代，勞動人民就憑借生產(chǎn)實踐中積累的豐富經(jīng)驗和對反饋概念的直觀認(rèn)識，發(fā)明了許多閃爍著控制理論智慧火花的杰作。例如，我國北宋時期天文學(xué)家蘇頌和韓公廉建造的水運儀象臺，就是一個按負(fù)反饋原理構(gòu)成的閉環(huán)非線性自動控制系統(tǒng)；1681年，法國物理學(xué)家、發(fā)明家巴（D．Papin）發(fā)明了用作安全調(diào)節(jié)裝置的鍋爐壓力調(diào)節(jié)器；1765年，俄國人普爾佐諾夫（I．Polzunov）發(fā)明了蒸汽鍋爐水位調(diào)節(jié)器等。對人類社會生產(chǎn)的發(fā)展產(chǎn)生巨大推動作用，從而被世界公認(rèn)為第一個自動控制系統(tǒng)的是1788年英國人瓦特（J．Watt）發(fā)明的飛球調(diào)節(jié)器，解決了蒸汽機的速度控制問題，如下圖所示。負(fù)反饋在蒸汽機速度控制中的應(yīng)用飛球調(diào)節(jié)器的發(fā)明進(jìn)一步推動了蒸汽機的應(yīng)用，促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。但是，有時為了提高調(diào)速精度，蒸汽機速度反而出現(xiàn)大幅度振蕩，其后相繼出現(xiàn)的其他自動控制系統(tǒng)也有類似的現(xiàn)象。由于當(dāng)時還沒有自動控制理論，所以不能從理論上解釋這一現(xiàn)象。為了解決這個問題，不少人為提高離心式調(diào)速機的控制精度進(jìn)行了改進(jìn)研究。有些人認(rèn)為系統(tǒng)振蕩是因為調(diào)節(jié)器的制造精度不夠，從而努力改進(jìn)調(diào)節(jié)器的制造工藝，這種盲目的探索持續(xù)了大約一個世紀(jì)之久。1868年，英國物理學(xué)家麥克斯韋（J．C．Maxwell）發(fā)表“論調(diào)速器”論文，第一次指出不應(yīng)該單獨討論一個離心錘，必須從整個控制系統(tǒng)出發(fā)推導(dǎo)出微分方程，然后討論微分方程解的穩(wěn)定性，從而分析實際控制系統(tǒng)是否會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。這樣，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析就變成了判別微分方程的特征根的實部的正、負(fù)號問題。麥克斯韋的這篇著名論文被公認(rèn)為自動控制理論的開端。此后，英國數(shù)學(xué)家勞斯（E．J．Routh）和德國數(shù)學(xué)家胡爾維茨（A．Hurwitz）分別在1877年和1895年獨立建立了直接根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則。這些方法奠定了經(jīng)典控制理論中時域分析法的基礎(chǔ)。1932年，美國物理學(xué)家奈奎斯特（H．Nyquist）研究了長距離電話線信號傳輸中出現(xiàn)的失真問題，運用復(fù)變函數(shù)理論建立了以頻率特性為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性判據(jù)，奠定了頻域響應(yīng)法的基礎(chǔ)。隨后，伯德（H．W．Bode）和尼柯爾斯（N．B．Nichols）在20世紀(jì)30年代末和40年代初進(jìn)一步發(fā)展了頻域響應(yīng)法，形成了經(jīng)典控制理論的頻域分析法，為工程技術(shù)人員提供了一個設(shè)計反饋控制系統(tǒng)的有效工具。第二次世界大戰(zhàn)期間，反饋控制方法被廣泛用于設(shè)計和研制飛機自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)天線控制系統(tǒng)以及其他軍用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的復(fù)雜性和對快速跟蹤、精確控制的高性能追求，迫切要求拓展已有的控制技術(shù)，促成了許多新的見解和方法的產(chǎn)生。同時，還促進(jìn)了對非線性系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)以及隨機控制系統(tǒng)的研究。1948年，美國科學(xué)家伊萬斯（W．R．Evans）創(chuàng)立了根軌跡分析方法，為分析系統(tǒng)性能隨系統(tǒng)參數(shù)變化的規(guī)律性提供了有力工具，被廣泛應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計中。以傳遞函數(shù)為描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以時域分析法、根軌跡法和頻域分析法為主要分析、設(shè)計工具，構(gòu)成了經(jīng)典控制理論的基本框架。到20世紀(jì)50年代，經(jīng)典控制理論發(fā)展到相當(dāng)成熟的地步，形成了相對完整的理論體系，為指導(dǎo)當(dāng)時的控制工程實踐發(fā)揮了極大的作用。在經(jīng)典控制理論的研究中，所使用的數(shù)學(xué)工具主要是線性微分方程和基于拉普拉斯變換的傳遞函數(shù)。研究對象基本上是單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)，所以研究的對象和范圍有限，還不能解決許多控制中的復(fù)雜問題，如時變參數(shù)問題、多變量問題、強耦合問題等。盡管如此，經(jīng)典控制理論的形成，對于第二次世界大戰(zhàn)以來控制學(xué)科的發(fā)展起到了推動作用。經(jīng)典控制理論在工業(yè)控制和軍事技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，推動了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展，取得了不可磨滅的成就。現(xiàn)代控制理論20世紀(jì)50年代中期，科學(xué)技術(shù)及生產(chǎn)力的發(fā)展，特別是空間技術(shù)的發(fā)展，迫切要求解決更復(fù)雜的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題（例如火箭和宇航器的導(dǎo)航、跟蹤和著陸過程中的高精度、低消耗控制等）。實踐的需求推動了控制理論的進(jìn)步，同時，計算機技術(shù)的發(fā)展也從計算手段上為控制理論的發(fā)展提供了條件，適合于描述航天器的運動規(guī)律，又便于計算機求解的狀態(tài)空間模型成為主要的模型形式。俄國數(shù)學(xué)家李雅普諾夫在1892年創(chuàng)立的穩(wěn)定性理論被應(yīng)用到現(xiàn)代控制理論研究中。1956年，前蘇聯(lián)科學(xué)家龐特里亞金提出極大值原理；同年，美國數(shù)學(xué)家貝爾曼（R．Bellman）創(chuàng)立了動態(tài)規(guī)劃理論。極大值原理和動態(tài)規(guī)劃理論為解決最優(yōu)控制問題提供了理論工具。美國數(shù)學(xué)家卡爾曼（R．Kalman）在1959年提出了著名的卡爾曼濾波器，又于1960年提出系統(tǒng)的能控性和能觀性概念。到20世紀(jì)60年代初，一套以狀態(tài)方程為系統(tǒng)模型，以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的控制系統(tǒng)分析、設(shè)計理論與方法基本形成，現(xiàn)代控制理論應(yīng)運而生?，F(xiàn)代控制理論研究所使用的數(shù)學(xué)工具主要是狀態(tài)空間法，研究對象更為廣泛，如線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、定常系統(tǒng)與時變系統(tǒng)、多輸入多輸出系統(tǒng)、強變量耦合系統(tǒng)等?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展和計算機硬件科學(xué)與軟件科學(xué)的飛速發(fā)展是同時代的，一是使得計算機科學(xué)的發(fā)展擴(kuò)大了其用武之地。二是借助于計算機技術(shù)，使得空間技術(shù)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、自動駕駛等高精技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展到了極為輝煌的時代。我國在現(xiàn)代控制理論方面的主要成就除了航天方面的火箭發(fā)射控制技術(shù)之外，較為突出的還有人口模型與中國人口控制問題。這是人文社會科學(xué)與工程技術(shù)科學(xué)相結(jié)合的研究成果，它協(xié)助我國政府實現(xiàn)了中國的短期、中期、長期人口控制發(fā)展決策，是現(xiàn)代控制理論研究方面的一項優(yōu)秀成果?，F(xiàn)代控制理論和經(jīng)典控制理論并不是截然對立的，而是相輔相成、互為補充的，兩者都有各自的長處和不足。在進(jìn)行控制系統(tǒng)分析與設(shè)計時，要根據(jù)具體的要求、目標(biāo)和環(huán)境條件，選擇適宜的控制理論和方法，也可以將經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論結(jié)合起來綜合考慮。智能控制理論智能控制理論的研究是建立在現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展基礎(chǔ)之上的。所謂智能，全稱人工智能，是基于人腦的思維、推理決策功能而言的，早已超出了傳統(tǒng)的工程技術(shù)的范疇，是當(dāng)前控制理論學(xué)科研究的前沿領(lǐng)域。早在幾十年前，控制理論專家就提出了大系統(tǒng)理論和專家系統(tǒng)的概念。大系統(tǒng)理論提出了系統(tǒng)的復(fù)雜性與可控性之間的關(guān)系問題，即隨著系統(tǒng)越來越復(fù)雜，系統(tǒng)就越來越難以控制。而專家系統(tǒng)則建立了基于知識來獲得決策的模式。這些問題都促使專家學(xué)者們進(jìn)一步去探討更深層次的控制問題。智能控制理論以人工智能為研究方向，引導(dǎo)人們?nèi)ヌ接懽匀唤绺鼮樯羁痰倪\動機理。當(dāng)前主要的研究方向有自適應(yīng)控制理論研究、模糊控制理論研究、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)研究以及混沌理論研究等，并且產(chǎn)生了許多研究成果和應(yīng)用范例。如完全不依賴于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的自適應(yīng)控制器、模糊控制器等工業(yè)控制產(chǎn)品研制；超大規(guī)模集成電路芯片（VLSI）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機的運行；美國宇航專家應(yīng)用混沌控制理論，僅利用一顆將要報廢的人造衛(wèi)星殘存的燃料，成功地實現(xiàn)了小彗星軌道的改變等。智能控制理論的研究與發(fā)展，在控制科學(xué)與工程學(xué)科研究中注入了蓬勃的生命力，啟發(fā)與促進(jìn)了人的思維方式，標(biāo)志著該學(xué)科的發(fā)展遠(yuǎn)沒有止境。17

自動控制，指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動地按照預(yù)定規(guī)律運行。（P1）

為了實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機總體，稱為自動控制系統(tǒng)。（P2）1.2自動控制的一般概念1.3.1自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與反饋控制理論圖中為放水閥，為進(jìn)水閥，水箱希望的液位高度為。當(dāng)放水使得水箱液位降低而被人眼看到，人就會打開進(jìn)水閥，隨著液位的上升，人用大腦比較并判斷水箱液位達(dá)到時，就會關(guān)掉。若判斷進(jìn)水使得實際液位略高于，則需要打開放水而保證液位高度。1.3自動控制系統(tǒng)的組成191.3自動控制系統(tǒng)的組成實例：水位控制系統(tǒng)——人工控制在這個過程中，人參與了以下三個方面的工作：用眼睛觀察到實際液面的下降（實際液面高度）用大腦將實際液面與要求液面高度進(jìn)行比較（與產(chǎn)生偏差）；根據(jù)比較的結(jié)果（與偏差的正負(fù)），用手操作閥的開啟或閉合。顯然，在這個控制系統(tǒng)中，用人工控制不能保證系統(tǒng)所需的控制精度，并且需要人全程的參與。為減輕人的勞動強度，因此可將上述系統(tǒng)改換為下圖所示的液位自動控制系統(tǒng)。21實例：水位控制系統(tǒng)——自動控制被控對象：水池，其中水池液位是被控對象中的被控量；檢測：浮子，它的位置代表水箱實際液位高度；比較環(huán)節(jié)：浮子的位置與連桿；控制裝置：浮子和連桿連接到進(jìn)水閥上；執(zhí)行機構(gòu)：進(jìn)水閥根據(jù)連桿動作，改變水箱液位高度，從而自動控制水箱液位，使其滿足給定值的要求。1.3.2開環(huán)控制與閉環(huán)控制一、開環(huán)控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的被控量只受控于控制量，而對控制量不能反過來施加影響的系統(tǒng)，即輸出量與輸入量間不存在反饋的通道。這種系統(tǒng)既不需要對輸出量進(jìn)行測量，也不需要將輸出量反饋到系統(tǒng)輸入端與輸入量進(jìn)行比較?？刂蒲b置與被控對象之間只有順向作用，沒有反向聯(lián)系。二、閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)是指在控制器與被控對象之間不僅有正向控制作用，而且輸出端與輸入端之間還存在反饋控制作用的系統(tǒng)。反饋有正反饋和負(fù)反饋之分。當(dāng)反饋量極性與輸入量同相時為正反饋。正反饋應(yīng)用較少，只是在補償控制中偶爾使用。當(dāng)反饋量極性與輸入量反相時，則稱為負(fù)反饋。閉環(huán)控制的實質(zhì)就是利用負(fù)反饋，使系統(tǒng)具有自動修正被控量（輸出量）偏離參考給定量（輸入量）的控制功能。因此，閉環(huán)控制又稱反饋控制，閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱為反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是抑制干擾的能力強，對元件特性變化不敏感，能改善系統(tǒng)的響應(yīng)，適用范圍廣。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，無論是由于外部擾動還是系統(tǒng)內(nèi)部擾動，只要使被控制量偏離給定值，閉環(huán)控制就會利用反饋產(chǎn)生的控制作用去消除偏差。但也正由于反饋的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。另外由于閉環(huán)系統(tǒng)是檢測偏差用以消除偏差來進(jìn)行控制的，在工作過程中，系統(tǒng)總會存在偏差，由于元件慣性等因素，很容易引起系統(tǒng)的振蕩，從而使系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。因此控制精度和穩(wěn)定性之間的矛盾始終是閉環(huán)控制系統(tǒng)存在的主要矛盾。1.3.3自動控制系統(tǒng)舉例調(diào)速控制系統(tǒng)

恒溫箱控制系統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射架方位角控制系統(tǒng)1.4自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)多種多樣，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)可以分成不同的類型。前面已經(jīng)介紹過開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，這是按照控制原理來分的。下面再介紹幾種常見的分類方法。1．恒值控制系統(tǒng)與隨動控制系統(tǒng)根據(jù)給定的參考輸入信號的不同，可將自動控制系統(tǒng)分為恒值控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng)。若系統(tǒng)的參考輸入信號為恒值或者波動范圍很小，系統(tǒng)的輸出量也要求保持恒定，這類控制系統(tǒng)稱為恒值控制系統(tǒng)。例如恒溫控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等。隨動控制系統(tǒng)又稱伺服控制系統(tǒng)，其參考輸入量不斷地變化，而且變化規(guī)律未知?？刂频哪康氖鞘沟孟到y(tǒng)的輸出量能夠準(zhǔn)確地跟隨輸入量而變化。隨動控制系統(tǒng)常用于軍事上對于機動目標(biāo)的跟蹤，例如雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、坦克炮塔自穩(wěn)系統(tǒng)等。2．線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)性質(zhì)的不同，可將自動控制系統(tǒng)分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的主要特征是滿足疊加原理。即當(dāng)輸入信號分別為

、

時，系統(tǒng)的輸出分別為

、

，如果輸入信號滿足

，則系統(tǒng)的輸出為

。其中系數(shù)

、

可以是常數(shù)，也可以是時變參數(shù)

、

。這樣的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)，否則稱為非線性系統(tǒng)。由于線性系統(tǒng)的理論比較成熟，其中特別是線性定常系統(tǒng)，可以方便地用于系統(tǒng)的分析與設(shè)計，因此本書主要研究和討論的是線性定常系統(tǒng)。3．連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)根據(jù)信號的傳遞方式的不同，可將自動控制系統(tǒng)分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)。若系統(tǒng)的輸入信號與輸出信號均是由連續(xù)時間函數(shù)

與

來表示，則稱為連續(xù)系統(tǒng)。若系統(tǒng)的輸入信號與輸出信號均是由離散時間量

與

來表示，則稱為離散系統(tǒng)。兩類時間信號如下圖所示。（a）連續(xù)時間信號

（b）離散時間信號在數(shù)字化與計算機控制的當(dāng)今時代，是將連續(xù)系統(tǒng)等價為離散系統(tǒng)來分析與研究的，這樣可以方便地利用計算機作為控制器來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖4．單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)根據(jù)端口關(guān)系的不同，可將自動控制系統(tǒng)分為單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO，Single-InputSingle-Output）和多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO，Multiple-InputMultiple-Output）。單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)如下圖所示。（a）單輸入單輸出系統(tǒng)

（b）多輸入多輸出系統(tǒng)單輸入單輸出系統(tǒng)只有一個輸入量和一個輸出量。由于這種分類方法是從端口關(guān)系上來分類的，故不考慮端口內(nèi)部的通路與結(jié)構(gòu)。單輸入單輸出系統(tǒng)是經(jīng)典控制理論的主要研究對象。多輸入多輸出系統(tǒng)有多個輸入量和多個輸出量，其主要特點是輸出與輸入之間呈現(xiàn)多路耦合。與單輸入單輸出系統(tǒng)相比，多輸入多輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，本書不做過多介紹。除了以上提到的分類方法外，自動控制系統(tǒng)還有其他的分類方法，如集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)、確定性系統(tǒng)與隨機控制系統(tǒng)等。1.5對控制系統(tǒng)的性能要求對于任何控制系統(tǒng)而言，首要的條件便是系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運行。否則，可能毀壞設(shè)備，造成重大損失。諸如直流電動機的失磁、導(dǎo)彈發(fā)射的失控、運動機械的增幅振蕩等都屬于系統(tǒng)不穩(wěn)定。在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提之下，要求系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能要好。對系統(tǒng)性能的基本要求主要有穩(wěn)定性、動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能三個方面。1．穩(wěn)定性所謂穩(wěn)定性，是指控制系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)后，自動恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。它是控制系統(tǒng)最基本的性質(zhì)。當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，其狀態(tài)偏離了平衡狀態(tài)，在隨后所有時間內(nèi)，如果系統(tǒng)的輸出響應(yīng)能夠最終回到原先的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；反之，如果系統(tǒng)的輸出響應(yīng)逐漸增加趨于無窮，或者進(jìn)入振蕩狀態(tài)，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。判別系統(tǒng)是否穩(wěn)定的問題，稱為絕對穩(wěn)定性分析。事實上，對于穩(wěn)定或者不穩(wěn)定的系統(tǒng)，還需要進(jìn)一步分析系統(tǒng)穩(wěn)定或者不穩(wěn)定的程度，稱為相對穩(wěn)定性分析。2．動態(tài)性能對于穩(wěn)定的系統(tǒng)，雖然理論上能夠到達(dá)平衡狀態(tài)，但還要求能夠快速到達(dá)，而且在調(diào)節(jié)過程中，要求系統(tǒng)輸出超過給定的穩(wěn)態(tài)值的最大偏差，即所謂的超調(diào)量不要太大，要求調(diào)節(jié)的時間比較短。這些性能稱為動態(tài)（或暫態(tài)）性能。系統(tǒng)的超調(diào)量刻畫了系統(tǒng)的振蕩程度，所以反映了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量大的系統(tǒng)容易不穩(wěn)定，所以相對穩(wěn)定性差，而超調(diào)量小的系統(tǒng)則相對穩(wěn)定性較好。3．穩(wěn)態(tài)性能當(dāng)動態(tài)過程結(jié)束，系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，這時希望系統(tǒng)的輸出就是系統(tǒng)的給定值，但實際上可能存在誤差。在控制理論中，系統(tǒng)給定值與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出的誤差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差衡量了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。由于系統(tǒng)一般工作在穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)精度直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，例如造紙過程中的紙張厚度控制、啤酒發(fā)酵過程中的溫度控制等，所以穩(wěn)態(tài)性能是控制系統(tǒng)最重要的性能指標(biāo)之一。系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能常常是矛盾的。由于控制系統(tǒng)的功能要求不同，所以對系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的要求往往有所側(cè)重。例如，對于恒溫控制、調(diào)速控制等恒值控制系統(tǒng)，主要側(cè)重于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，而對于火炮自動跟蹤、輪舵位置控制等隨動控制系統(tǒng)，則側(cè)重于動態(tài)性能，要求能夠快速調(diào)節(jié)，跟上輸入量的變化。在此，對系統(tǒng)的性能要求可以定性地簡要概括為：響應(yīng)動作要快，動態(tài)過程平穩(wěn)，跟蹤值要準(zhǔn)確。響應(yīng)快速性、動態(tài)平穩(wěn)性、跟蹤準(zhǔn)確性只是基本要求的定性描述，如下圖所示。（a）響應(yīng)快速性(快)（b）動態(tài)平穩(wěn)性（穩(wěn)）

（c）跟蹤準(zhǔn)確性（準(zhǔn)）控制系統(tǒng)的基本要求圖a顯示了給定恒值信號時，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的快速性。

圖b說明了給定恒值信號時，系統(tǒng)的響應(yīng)能夠很快穩(wěn)定在穩(wěn)態(tài)值附近與在穩(wěn)態(tài)值附近上下波動的兩種比較情況。圖c說明了跟蹤等速率變化信號的系統(tǒng)，系統(tǒng)的響應(yīng)能否準(zhǔn)確地跟蹤輸入信號。能夠準(zhǔn)確地跟蹤的系統(tǒng)，就沒有跟蹤誤差或者跟蹤誤差很小，否則，跟蹤誤差就大。對于實際的控制系統(tǒng)，除了上述要求以外，當(dāng)然會有其他要求，以后再涉及?？刂葡到y(tǒng)計算機輔助設(shè)計的主要內(nèi)容計算機輔助建立系統(tǒng)模型數(shù)學(xué)模型表示方式之間的相互轉(zhuǎn)換計算機輔助分析和設(shè)計控制系統(tǒng)1.6MATLAB軟件MATLAB是MatrixLaboratory（矩陣實驗室）的英文縮寫。它是由美國MathWorks公司于1982年推出的一個軟件包。它從數(shù)值與矩陣運算開始，經(jīng)過不斷更新與擴(kuò)充，已成為一個功能強、效率高、有著完善的數(shù)值分析、強大的矩陣運算、復(fù)雜的信息處理和完美的圖形顯示等多種功能的軟件包；它有著一個方便實用、界面友好的、開放的用戶環(huán)境，可以很方便地進(jìn)行科學(xué)分析和工程計算。1.6MATLAB軟件1.6.1MATLAB界面簡介1.6MATLAB軟件命令窗口常用控制命令

命令涵義命令涵義cd設(shè)置當(dāng)前工作目錄edit打開M文件編輯器clf清除圖形窗exit關(guān)閉/退出MATLABclc清除命令窗口的顯示內(nèi)容mkdir創(chuàng)建目錄clear清除MATLAB工作空間保存的變量quit關(guān)閉/退出MATLABdir列出指定目錄下的文件和子目錄清單type顯示指定M文件的內(nèi)容1.6MATLAB軟件1.6.2MATLAB軟件的基本概念及操作1．?dāng)?shù)值的表示MATLAB的數(shù)值采用十進(jìn)制，可以帶小數(shù)點或負(fù)號。2．變量命名規(guī)定1）變量名、函數(shù)名：字母大小寫表示不同的變量名。2）變量名的第一個字母必須是英文字母，最多可包含31個字符。3）變量名不得包含空格、標(biāo)點，但可以有下連字符。0-1000.00812.7521.8e-68.2e52舉例舉例A和a表示不同的變量名A21是合法的變量名，而3A21是不合法的變量名?！癆_b21”是合法變量名，而“A，21”是不合法的。1.6MATLAB軟件1.6.2MATLAB軟件的基本概念及操作3．基本運算符數(shù)學(xué)表達(dá)式MATLAB