《物联网控制基础》课件第3章

第3章控制理论与方法3.1控制系统的数学模型3.2线性系统的时域及频域分析法3.3

PID控制方法3.4智能控制方法3.1控制系统的数学模型

3.1.1反馈原理

一般情况下，控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。所谓开环控制系统，是指控制器形成控制信号时不依赖于系统的输出信号，这是一种“不计后果”的主观控制方式，但对一些具有明确先验知识的系统仍然具有很好的控制效果，其结构如图3-1所示。但是，大多数控制系统的控制器在形成控制信号时要依赖于系统的输出信号，这是一种“顾及后果”的客观控制方式，称为闭环控制系统，其结构如图3-2所示。图3-1开环控制系统图3-2闭环控制系统所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。所以，闭环控制系统又称为反馈控制系统。在反馈控制系统中，既存在由输入端到输出端的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。反馈控制是自动控制的主要形式。自动控制系统多数是反馈控制系统。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或实现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。实际上，反馈对于一切自然系统、生物系统和社会系统具有普适性。因此，也决定了它在物联网系统中的重要地位。

物联网控制系统通过信息的测量（提取）、处理（加工与变换）、传输、存储及利用，最终形成控制作用（也是通过信息得以实现）。

在物联网系统中，反馈的过程也就是信息传递和误差消除的过程，这是一种最为基本的控制方式。如果反馈信息（系统实际输出）使得系统输出的误差逐渐减少，则称这种反馈为负反馈；反之，称为正反馈。负反馈是反馈的基本形式。闭合负反馈环路的几个重要的特征为：①可以使系统稳定（最重要的特征）；②可以使系统具有鲁棒性（Robustness），即减少系统输出对系统参数变化（系统元件老化或系统内部干扰）的敏感度，减少系统对量测误差（量测噪声）的敏感性；③可以使系统具有抗干扰能力，即减少外部干扰对系统输出的影响；④可以改善系统输出的响应性能。3.1.2自动控制系统的分类

1.线性连续控制系统

线性连续控制系统可以用线性微分方程描述，其一般形式为式中，c(t)是被控量；r(t)是系统输入量。系数a0,a1，…,an，b0，b1，…，bm是常数时，称该系统为定常系统；系数a0，a1，…，an，b0，b1，…，bm随时间变化时，称该系统为时变系统。

1）恒值控制系统

恒值控制系统的参据量是一个常值，要求被控量亦等于一个常值，故又称为调节器。但由于扰动的影响，被控量可能会偏离参据量而出现偏差，控制系统便根据偏差产生控制作用，以克服扰动的影响，使被控量恢复到给定的常值。因此，恒值控制系统分析、设计的重点是研究各

种扰动对被控对象的影响以及抗扰动的措施。在恒值控制系统中，参据量可以随产生条件的变化而改变，但是一经调整后，被控量就应与调整好的参据量保持一致。在工业中，如果被控量是温度、流量、压力、液位等生产过程参量时，这种控制系统则成为过程控制系统，它们大多数都属于恒值控制系统。

2）随动系统

随动系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化，故又称为跟踪系统。在随动系统中，扰动的影响是次要的，系统分析、

设计的重点是研究被控量跟随参据量的快速性和准确性。在随动系统中，如果被控量是机械位置或其导数时，这类系统称为伺服系统。

3）程序控制系统

程序控制系统的参据量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现，机械加工使用的数字程序控制机床便是一例。程序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数，不同之处在于前者是已知的时间函数，后者则是未知的任意时间函数，而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。

2.线性定常离散控制系统

一般在离散系统中既有连续的模拟信号，也有离散的数字信号，因此离散系统要用差分方程描述，线性定常差分方程的一般形式为式中，m≤n，n为差分方程的次数；a0，

a1，…，an，b0，b1，…，bm为常系数；r(k)，c(k)分别为输入和输出采样序列。

3.非线性控制系统

系统中只要有一个元部件的输入输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统，这时，要用非线性微分（或差分）方程描述其特性。非线性方程的特点是系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项，例如严格地说，实际物理系统中都含有程度不同的非线性元部件，例如放大器和电磁元件的饱和特性，运动部件的死区、间隙和摩擦特性等。3.1.3拉普拉斯变换

系统的行为（即系统的运动状态）可以用微分方程或差分方程来描述，因而，求解微分方程可得到系统的响应。拉普拉斯变换可以将微分运算化为代数运算，对一类特定的用线性定常微分方程描述的系统，可用拉普拉斯变换的方法分析、求解。

1.拉普拉斯变换及其反变换的定义

一个定义在区间［0，∞)，即0≤t<∞的函数f(t)，它的拉普拉斯变换式F(s)的定义为式中,s=δ+jω为复数。F(s)称为f(t)的象函数，f(t)称F(s)的原函数。拉普拉斯变换简称拉氏变换，F(s)又称为f(t)的拉氏变换式。拉氏变换是线性变换，满足叠加性和齐次性。如果F(s)已知，要求出它所对应的原函数f(t)，则称F(s)到f(t)的这种变换为拉普拉斯反变换。它的定义为为书写简便起见，通常可用记号“L［］”表示对方括号里的函数作拉氏变换，即L［f(t)］=F(s)；用记号“L－1［］”表示对方括号里的函数作拉氏反变换，即f(t)=L－1［F(s)］。常见的拉式变换见表3-1。

2.拉氏变换的基本性质

性质1唯一性:由定义式所定义的象函数F(s)与定义在［0，∞）区间上的时域函数f(t)存在着一一对应的关系。性质2线性性质（线性定理）:令f1(t)和f2(t)是两个任意的时间函数，且它们的象函数分别为F1(s)和F2(s)，a和b是两个任意的常数，有性质3（时域）导数性质（微分定理）：原函数f(t)的象函数与其导数f′(t)=df／(t)dt的象函数之间有如下关系：式中，f(0)为原函数f(t)在t=0时的值。性质4（时域）积分性质（积分定理）：原函数f(t)的象函数与其积分的象函数之间有如下关系:性质5卷积定理:设f1(t)和f2(t)的象函数分别为F1(s)和F2(s)，则卷积3.1.4系统的传递函数及结构图

1.传递函数的定义

线性定常系统在零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比，称为该系统的传递函数G(s)。设线性定常系统由下述n阶线性常微分方程描述：式中，c(t)为系统输出量；r(t)系统输入量；ai(i=0，1，2，…，n)和bj(j=0，1，2，…，m)是与系统结构和参数有关的常系数。设r(t)和c(t)及其各阶导数在t=0时的值均为零，即零初始条件，则对上式中各项分别求拉氏变换，可得于是，由定义得系统的传递函数为式中,由传递函数公式可知C(s)=R(s)G(s)，因此，可以用传递函数表示控制系统，如图3-3所示。图3-3传递函数的图示

2.传递函数的性质

（1）传递函数是复变量s的有理分式，式中分子M(s)和分母N(s)的各项系数均为实数，由系统的参数确定。当一个系统的传递函数为n阶时，称该系统为n阶系统。传递函数是物理系统的一种数学描述形式，它只取决于系统或元件的结构和参数，而与输入量无关。（2）传递函数G(s)的拉氏反变换是单位脉冲响应g(t)。单位脉冲响应（也称脉冲过渡函数）g(t)是系统在单位脉冲δ(t)输入时的输出响应，因此R(s)=L［δ(t)］=1，故有g(t)=

L－1［C(s)］=L－1［G(s)R(s)］=L－1［G(s)］。（3）服从不同物理规律的系统可以有同样的传递函数，正如一些不同的物理现象可以用形式相同的微分方程描述一样，故它不能反映系统的物理结构和性质。传递函数只描述系统的输入/输出特性，而不能表征系统内部所有状况的特性。

（4）传递函数是将线性定常系统的微分方程作拉氏变换后得到的，因此，传递函数的概念只能用于线性定常系统。（5）确定的传递函数与确定的零极点分布相对应。传

递函数分子多项式的根称为传递函数的零点；传递函数分母多项式方程，即传递函数的特征方程的根称为传递函数的极点。一般零点、极点可为实数，也可为复数，若为复数，必共轭成对出现。求出传递函数的零点和极点，因为G(s)=C(s)/R(s),并将其分子和分母分解因式后，传递函数表达式又可表示为式中，K为放大系数；zi为G(s)的零点；pj为G(s)的极点。传递函数的求取方法很多，也很灵活，我们可将其归纳为以下五种方法：

（1）由系统的原理图求传递函数；

（2）由系统的微分方程求传递函数；

（3）由系统的结构图求传递函数；

（4）由系统的频率特性曲线求传递函数；

（5）由系统的响应曲线或响应解析式求传递函数。

3.典型环节及其传递函数

控制系统是由若干个元件或环节组成的，一个系统的传递函数总可以分解为数个典型环节的传递函数的乘积。逐个研究和掌握这些典型环节的传递函数的特性，就不难进一步综合研究整个系统的特性。

1)比例环节

比例环节，又称为无惯性环节，其输出量与输入量成固定的比例关系，因此，比例环节的输出可以无失真、无滞后地按一定比例复现输入量。比例环节的微分方程可表示为

y(t)=kx(t)

式中，k为比例系数。

两边同时进行拉氏变换得

Y(s)=kX(s)

由此，得比例环节的传递函数为

2)惯性环节

在惯性环节中，当输入量突变时，输出量不会产生突变，只是按照指数规律逐渐变化。这种环节具有一个储能元件，其微分方程为两边取拉氏变换得

(τs+1)Y(s)=X(s)一阶惯性环节的传递函数为

3)积分环节

积分环节的输出量等于输入量对时间的积分，其动态微分方程为其传递函数为

4)微分环节

理想的微分环节是指输出量与输入量的一阶导数成正比的环节，其微分方程为式中,τ为时间常数。其传递函数为

5)振荡环节

振荡环节的微分方程为其传递函数为式中，参数ζ为振荡环节的阻尼比；ωn为振荡环节的自然振荡角频率。在振荡环节中，振荡的强度与阻尼比ζ有关，ζ值越小，振荡越强；当ζ=0时，输出量曲线为等幅振荡曲线，振荡的频率为自然振荡频率；当ζ≥1时，输出量曲线则

为单调上升曲线；当0<ζ<1时，振荡环节的动态响应曲线具有衰减振荡特性。

6)时滞环节

时滞环节，也称为延迟环节，其输出量经过一段延迟时间后，完全复现输入量。时滞环节的数学表达式为

y(t)=r(t－τ)

式中，τ是纯滞后时间。

对上式求拉氏变换，可得式中，ζ=t－τ。将时滞环节展开成泰勒级数，并略去高次项得到系统的传递函数为

从简化后的传递函数来看，时滞环节在一定条件下可近似为惯性环节。时滞环节的动态响应的输出与输入波形相同，但延迟了一段时间。系统中有延迟环节时，可能使系统变得不稳定，且τ越大对系统的稳定越不利。3.1.5系统的方框图

1.方框图的基本概念

建立自动控制系统的传递函数的图示方法有方框图（结构图、方块图）和信号流图。控制系统是由一些典型环节组成的，将各环节的传递函数框图根据系统的物理原理，按信号传递的关系，依次正确地连接起来，即为系统的方框图。方框图是控制系统的又一种动态数学模型。采用方框图更便于求传递函数，同时能形象直观地表明各信号在系统或元件中

的传递过程。

1）方框图的组成

信号线（物理量）：带箭头的线段。表示系统中信号的流通方向，一般在线上标注信号所对应的变量。

引出点：信号引出或测量的位置，表示信号从该点取出。注意，从同一信号线上取出的信号大小和性质完全相同。

比较点：表示两个或两个以上信号在该点相加（+）或相减（－）。注意，比较点处信号的运算符号（正、负）必须标明，一般不标明则取正号。

方框：（环节）表示输入、输出信号之间的动态传递关系。

2）方框图的特点

（1）依据微分方程或经拉氏变换得到的变换方程，可以方便地画出方框图。再经过方框图的等效变换，便可求出图中任意两信号（变量）间的传递函数。

（2）方框图对研究整个控制系统的动态性能及分析各环节对系统总体性能的影响非常有帮助，该方法比较形象和

直观。

（3）同一系统，可以画出不同形式的方框图，即结构图对所描述的系统来说不是唯一的。但是，经结构变换所得的结果应该是相同的，即同一系统的传递函数是唯一的。（4）方框图只包括与系统动态特性有关的信息，并不显现系统的物理结构，不同的物理系统有可能具有相同的方框图。

3）方框图的绘制步骤

（1）按照系统的结构和工作原理，分解出各环节，并写出它们的传递函数。

（2）绘出各环节的动态框图，框图中标明它们的传递函数，并标明其输入量和输出量。

（3）将系统的输入量放在最左边，输出量放在最右边，按照信号的传递顺序把各框图依次连接起来，就构成了系统的动态方框图。例3-1画出图3-4所示电路的方框图。图3-4电路图

【解】根据电路列出如下方程：

在零初始条件下得

其相应的方框图为

将两个单元的方框图结合在一起，就可以得到系统的完整方框图，如图3-5所示。图3-5系统的完整方框图

2.方框图的联接方式

（1）串联：环节首尾相联的方式，如图3-6所示。

图3-6所示系统的传递函数可以表示为

Y(s)=G2(s)U(s)=G2(s)G1(s)X(s)

因此，可得到等效的方框图，如图3-7所示。图3-6串联方式图3-7串联方式的等效图（2）并联：几个环节的输入信号相同，输出信号相加（减）的联接方式，如图3-8所示。

图3-8并联方式图3-8的等效方框图如图3-9所示。图3-9并联方式的等效图（3）反馈联接，如图3-10所示。图3-10反馈联接在图3-10中，由输入信号开始经G(s)到输出信号的通道称为主通道，也称前向通道；由输出信号经反馈装置到主反馈信号B(s)的通道称为反馈通道，也称反馈通路；E(s)=R(s)－B(s)为偏差信号。在反馈联接中，还涉及如下几个定义：

①前向通路传递函数：输出信号C(s)与偏差信号E(s)之比，即②反馈回路传递函数：主反馈信号B(s)与输出信号C(s)之比，即=G(s)H(s)④闭环传递函数：输出信号C(s)与输入信号R(s)之比，即

3.方框图的变换与化简为了由系统的方框图方便地写出它的闭环传递函数，通常需要对方框图进行等效变换。方框图的等效变换必须遵守一个原则，即变换前后各变量之间的传递函数保持不变。在控制系统中，任何复杂系统都是由响应环节的方框经串联、并联和反馈三种基本形式联接而成的。例3-2化简方框图3-11。

分析方框图中，出现三个环且其中两环出现交叉现象。如果解除交叉，则可方便简化，可见移动G6分支所在引出点，则可使问题简化。图3-11方框图

【解】该方框图的简化过程如图3-12~3-16所示。图3-12化简过程一图3-13化简过程二图3-14化简过程三图3-15化简过程四图3-16化简结果所以：例3-3求解如图3-17所示的一般反馈控制系统的传递函数和误差传递函数。图3-17一般反馈控制系统的方框图

【解】（1）求解系统的传递函数:

①当N(s)=0时（无扰动），图3-17所示的系统可化简为图3-18的形式，其输出C1(s)为

②当R(s)=0时（无参数输入），图3-17所示的系统可化简为图3-19的形式，其输出C2(s)为图3-18无干扰时的系统方框图图3-19无参数输入时的系统方框图根据线性系统的叠加原理可得：（2）求解系统的误差传递函数（误差响应，输入（扰动））：①当N(s)=0时（无扰动），由图3-18可得②当R(s)=0时（无参数输入），由图3-19可得所以利用叠加原理，当R(s)、N(s)同时作用时，有3.1.6系统模型与信号流图

现代科学最重要的标志之一就是用数学工具来描述和分析所研究的问题。在工程控制论中，一般用以描述系统的数学工具是一阶微分方程或一阶差分方程。其中用一个变量表示时间，分别用不同的变量表示系统的状态变量、控制输入变量、系统输出变量、系统演化的随机干扰等，同时用不同的映射表示状态演化映射和输出映射。此处，所谓状态变量，是一组用来刻画系统行为的变量，一般情况下具有马尔可夫（Markov）性，即具有总结系统以往运动特性的性质，其未来的状态变化只依赖于当前的状态值和未来施加于系统的控制输入，而与系统以往运动的过程如何达到当前的状态无关，可以说，状态变量沟通了系统的控制输入和系统输出。如果状态演化映射和输出映射都是线性的，即满足可加性和齐次性，则称这个系统是线性系统，否则称为非线性系统。如果状态演化映射和输出映射都不直接依赖于时间变量，则称其为时不变系统，否则称为时变系统。如果状态演化映射和输出映射都不受外界干扰，映射关系是精确关系，则称其为确定性系统，否则称为非确定性系统，后者在明确具有统计特性的外部干扰作用时称为随机系统。当然，系统也可以采用高阶微分方程或差分方程来描述，但经过维数扩展仍然可以转换为一阶微分方程或一阶差分方程。

对于线性时不变系统，除了用微分方程或差分方程来描述之外，还可以用传递函数来描述。信号流图是用来描述线性时不变系统的另外一种方法。信号流图是由梅森（S.J.Mason）提出来的，所以也称为梅森信号流图。它利用图示法来描述一个或一组线性代数方程式，表现为由节点和支路组成的一种信号传递网络。信号流图的一个示例如图3-20所示。图3-20信号流图示例

1.信号流图及其术语

（1）节点：表示方程式中的变量或信号，其值等于所有进入该节点的信号之和。

（2）源节点（输入节点）：只有输出，没有输入的节点，也称源点，一般代表系统的输入变量。

（3）输出节点：只有输入的节点，也称汇点，一般代表系统的输出变量。

（4）混和节点：既有输入，又有输出的节点。（5）支路：图中的定向线段，其上的箭头表明信号的流向，各支路上还标明了增益，即支路的传递函数。

（6）通路：沿支路箭头方向穿过各相连支路的路径。（7）前向通道：信号从输入节点到输出节点的通路上通过任何节点不多于一次的通路。

（8）回路：始端与终端重合且与任何节点相交不多于一次的通道。

（9）不接触回路：没有任何公共节点的回路。

2.梅森增益

从复杂的系统信号流图，经过简化即可以求出系统的传递函数，而且方框图的等效变换规则亦适用于信号流图的简化，但这个过程毕竟还是很麻烦的。控制工程中常应用梅森增益公式直接求取从输入节点到输出节点的传递函数，而不需要简化信号流图，这就为信号流图的广泛应用提供了方便。当然，由于系统的方框图与信号流图之间有对应关系，因此，梅森增益公式也可以直接用于系统的方框图。梅森增益公式是按克莱姆（Gramer）规则求解线性联立方程组时，将解的分子多项式及分母多项式与信号流图（即拓扑图）巧妙联系的结果，此处不进行详细的推导。在具

有任意条前向通路及任意个单独回路和不接触回路的复杂信号流图中，从任意输入节点到输出节点之间传递函数的梅森增益公式为

式中，P为从输入节点到输出节点的传递函数（或总增益）；n为从输入节点到输出节点的前向通路总数；pk为从输入节点到输出节点的第k条前向通路的总增益；Δ称为信号流图的特征式，记为：其中：∑L(1)表示所有不同回路的增益的乘积之和；∑L(2)表示所有任意两个互不接触回路的增益的乘积之和；以此类推，∑L(m)表示所有任意m个不接触回路的增益的乘积之和。信号流图的特征式是信号流图所表示的方程组的系数矩

阵的行列式。值得注意的是，在同一个信号流图中求图中任何一对节点之间的增益，其分母总是Δ，变化的只是其分子；Δk为不与第k条前向通路相接触的那一部分信号流图的Δ值，称为第k条前向通路特征式的余因子。例3-4求图3-21所示信号流图的总增益。图3-21信号流图

【解】该信号流图中存在2条前向通路：

第1条前向通路x1→x2→x3→x4→x5，总增益P1=a12a23a34a45，特征式Δ1=1；

第2条前向通路x1→x2→x3→x5，总增益P1=a12a23a35，特征式Δ1=1－a44。

该信号流图中存在4条单独回路：

第1条单独回路x2→x3→x2，该回路增益乘积L1=a23a32；

第2条单独回路x2→x3→x4→x2，该回路增益乘积L2=a23a34a42；第3条单独回路x4→x4，该回路增益乘积L3=a44；

第4条单独回路x2→x3→x4→x5→x2，该回路增益乘积L4=a23a34a45a52；

第5条单独回路x2→x3→x5→x2，该回路增益乘积L5=a23a35a52。

其中，第1条与第3条、第3条与第5条互不接触，因此，不接触回路增益乘积

L12=L1L3=a23a32a44，L22=L3L5=a23a35a52a44从而可以得到3.1.7反馈扰动补偿方法

图3-22为扰动补偿的复合控制系统，图中W1(s)和W2(s)

为反馈控制系统的正向通道传递函数，Xd(s)为系统扰动，WC(s)是为扰动补偿Xd(s)的影响而引入的前馈装置传递函数。按扰动补偿的控制系统所希望达到的理想要求是通过WC(s)

的补偿使扰动Xd(s)不影响系统的输出C(s)。从传递函数上考虑，就是使扰动输出的传递函数为零。故有即从而得到上式称为扰动补偿作用的完全补偿条件。图3-22扰动补偿控制系统的方框图3.2线性系统的时域及频域分析法

3.2.1系统的时域分析法

控制系统的性能指标分为动态性能指标和稳态性能指标两类。为了求解系统的时间响应，必须了解输入信号（即外作用）的解析表达式。

1.典型输入信号

一般来说，控制系统是针对某一类输入信号来设计的。某些系统，例如室温调节系统或水位调节系统，其输入信号为要求的室温或水位，这是设计者所熟知的。但是在大多数

情况下，控制系统的输入信号以无法预测的方式变化。例如，在防空火炮系统中，敌机的位置和速度无法预料，火炮控制系统的输入信号具有随机性，从而给规定系统的性能要求以及分析和设计工作带来了困难。为了便于进行分析和设计，同时也为了便于对各种控制系统的性能进行比较，我们需要假定一些基本的输入函数形式，称之为典型输入信号。所谓典型输入信号，是指根据系统常遇到的输入信号形式，在数学描述上加以理想化的一些基本输入函数。控制系统中常用的典型输入信号有单位阶跃函数、单位斜坡（速度）函数、单位加速度（抛物线）函数、单位脉冲函数和正弦函数，如表3-2所示。这些函数都是简单的时间函数，便于数学分析和实验研究。实际应用时究竟采用哪一种典型输入信号，取决于系统常见的工作状态；同时，在所有可能的输入信号中，往往选取最不利的信号作为系统的典型输入信号，这种处理方法在许多场合是可行的。例如，室温调节系统、水位调节系统以及工作状态突然改变或突然受到恒定输入作用的控制系统，都可以采用阶跃函数作为典型输入信号；跟踪通信卫星的天线控制系统以及输入信号随时间逐渐变化的控制系统，斜坡函数是比较合适的典型输入信号。加速度函数可作为宇宙飞船控制系统的典型输入信号；当控制系统的输入信号是冲击输入量时，采用脉冲函数作为典型输入信号最为合适；当系统的输入信号具有周期性的变化时，可选择正弦函数作为典型输入信号。同一系统中，不同形式的输入信号所对应的输出响应是不同的，但对于线性控制来说，它们所表征的系统性能是一致的。通常以单位阶跃函数作为典型输入信号，则可在一个统一的基础上对各种控制系统的特性进行比较和研究。应当指出，有些控制系统的实际输入信号是变化无常的随机信号，例如定位雷达天线控制系统，其输入信号中既有运动目标的不规则信号，又有许多随机噪声分量，此时就不能用上述确定性的典型输入信号去代替实际输入信号，而必须采用随机过程理论进行处理。

为了评价线性系统的时域性能指标，需要研究控制系统的典型输入信号作用下的时间响应过程。

2.动态过程与稳态过程

1）动态过程

动态过程又称为过渡过程或瞬态过程，指系统在典型输入信号的作用下，系统输出量从初始状态到最终状态的响应过程。由于实际控制系统具有惯性、摩擦以及一些其他原因，系统输出量不可能完全复现输入量的变化。根据系统的结构和参数选择情况，动态过程表现为衰减、发散或等幅振荡形式。显然，一个可以实际运行的控制系统，其动态过程必须是衰减的，换句话说，系统必须是稳定的。动态过程除提供系统稳定性的信息外，还可以提供响应速度及阻尼情况等信息。这些信息用动态性能描述。

2）稳态过程

稳态过程指系统在典型输入信号的作用下，当时间t趋于无穷时，系统输出量的表现方式。稳态过程又称为稳态响应，表征系统输出量最终复现输入量的程度，提供系统有关稳态误差的信息，用稳态性能描述。

由此可见，控制系统在典型输入信号的作用下的性能指标，通常由动态性能和稳态性能两部分组成。

3.动态性能与稳态性能

稳定是控制系统能够运行的首要条件，因此只有当动态过程收敛时，研究系统的动态性能才有意义。

1）动态性能

通常在阶跃函数作用下，测定或计算系统的动态性能。一般认为，阶跃输入对系统来说是严峻的工作状态。如果系统在阶跃函数作用下的动态性能满足要求，那么系统在其他形式的函数作用下，其动态性能也是令人满意的。描述稳定的系统在单位阶跃函数的作用下，动态过程随时间t的变化状况的指标称为动态性能指标。为了便于分析，假定系统在单位阶跃输入信号作用前处于静止状态，而且输出量及其各阶导数均等于零。对于大多数控制系统来说，这种假设是符合实际情况的。对于图3-23所示的单位阶跃响应h(t)，其动态性能指标通常如下所述。

延迟时间td：指响应曲线第一次达到终值的一半所需的

时间。上升时间tr：指响应从终值的10%上升到终值的90%所

需的时间；对于有振荡的系统，也可以定义为响应从零第

一次达到稳态值所需的时间。上升时间是系统响应速度的一

种度量。上升时间越短，说明系统的响应速度越快。

峰值时间tp：指响应超过其终值到达第一个峰值所需的

时间。

调节时间ts：指响应到达并停留在终值±5%（有时为±2%）误差范围内所需的最短时间。超调量σ%：指响应的最大偏离量h(tp)与终值h(∞)的差与终值h(∞)比的百分数，即若σ%=0，则响应无超调。超调量也称为最大超调量，或百分比超调量。图3-23单位阶跃响应示例上述五个动态性能指标，基本上可以体现系统动态过程的特征。在实际应用中，常用的动态性能指标多为上升时

间、调节时间和超调量。通常用tr或tp评价系统的响应速度；用σ%评价系统的阻尼程度；而ts是同时反映响应速度和阻

尼程度的综合性指标。应当指出，除简单的一、二阶系统外,要精确地确定这些动态性能指标的解析表达式是很困难的。

2）稳态性能（静态性能）

稳态误差是稳态性能的一种性能指标，通常在阶跃函数、斜坡函数、加速度函数的作用下进行测定或计算。若时间趋于无穷时，系统的输出量不等于输入量或输入量的确定函数，则系统存在稳态误差。稳态误差是系统控制精度或抗扰动能力的一种度量。例3-5设某二阶控制系统的单位阶跃响应曲线如图3-24所示，试确定系统中的ξ和ωn。由响应的σ%、tp及相应公式，即可换算出ξ、ωn。3.2.2频率特性的基本概念

首先我们用一个简单的电路说明频率特性的基本概念。

图3-25为一个RC滤波网络电路，其微分方程为

式中，T=RC为时间常数。(3-1)网络的传递函数为(3-1)若电路的输入为正弦电压，即

u1=Asinωt

由式（3-2）可得对上式进行拉普拉斯反变换，可得电容两端的输出电

压为上式中第一项是输出电压的瞬态分量，第二项是稳态分量。当时间t→∞时，第一项趋于零，所以上述网络的稳态响应可以表示为(3-3)由式（3-3）可知，网络对正弦输入信号的稳态响应仍是一个同频率的正弦信号，但幅值和相角发生了变化，其变化取决于频率ω。

若将输出的稳态响应与输入正弦信号用复数表示，并求它们的复数比，可以得到式中，(3-4)

G(jω)完整地描述了网络在正弦输入电压作用下，稳态输出时电压幅值和相角随正弦输入电压频率ω变化的规律，称为网络的频率特性。

将频率特性表达式（3-4）和传递函数表达式（3-2）比

较可知，这个网络的频率特性和传递函数的表达式形式是相同的。只要用jω代替传递函数中的s，便可得到其频率特性，即下面讨论这个结论的一般性。对于输入为r(t)，输出为c(t)的线性定常系统，其传递函数的一般形式为式中，p1，p2，…，pn为传递函数的极点。设输入正弦信号r(t)=Arsinωt，其拉氏变换为系统输出的拉氏变换为(3-5)式中，ai（i=1，2，…，n）和b1、b2均为待定系数。对式（3-5）进行拉氏反变换，得到系统的输出量为(3-6)对于稳定系统，极点pi（i=1，2，…，n）都具有负实部。因此，当t→∞时，c(t)的第一部分瞬态分量将衰减至零，系统输出的稳态响应为(3-7)式中,(3-8)(3-9)式中,G(jω)是一个复数，将其用模|G(jω)|=A(ω)和相角∠G(jω)=φ(ω)来表示，即(3-10)其中，（3-11）同样G(－jω)可表示为（3-12）将式（3-8）、（3-9）、（3-10）、（3-12）代入式(3-7），可得（3-13）式中,Ac=ArA(ω)为输出信号稳态分量的振幅。根据式（3-13），频率特性可定义为：对于稳定的线性定常系统，在正弦信号的作用下，系统输出的稳态分量为输入同频率的正弦信号，其振幅与输入正弦信号的振幅之比A(ω)称为幅频特性；其相位与输入正弦信号的相位之差

φ(ω)称为相频特性。系统的频率响应与输入正弦信号的复

数比称为系统的频率特性，以下式表示（3-14）幅频特性A(ω)描述系统对于不同频率的输入信号在稳态情况下的衰减（或放大）特性；相频特性φ(ω)描述系统的稳态输出对于不同频率的正弦输入信号的相位滞后（或超前）

特性。

从上述定义可以看出，频率特性与传递函数之间的关

系为(3-15)根据式（3-15），理论上可将频率特性的概念推广到不稳定系统，但是不稳定系统的瞬态分量不会消失，瞬态分量和稳态分量始终同时存在，所以不稳定系统的频率特性是观察不到的。频率特性和微分方程、传递函数一样也是描述系统的动态数学模型，它可以表征系统的动态和稳态特性，这就是频率响应分析法能够从频率特性出发研究系统的理论根据。

线性系统的三种数学模型之间的关系如图3-26所示。图3-26线性系统三种数学模型之间的关系3.2.3频率特性的几何表示

1.幅相频率特性曲线

幅相频率特性曲线，简称幅相曲线，以频率ω为参变量，将频率特性的幅频特性和相频特性同时表示在复数平面上。当ω从0→∞变化时，向量G(jω)的端点在复数平面上

的运动轨迹即为G(jω)的幅相频率特性曲线。绘有幅相频率特性曲线的图称为极坐标图。频率特性除了式（3-14）所示的指数形式外，还可写成复数形式，即(3-16)这里，U(ω)=Re［G(jω)］和V(ω)=lm［G(jω)］分别称为系统的实频特性和虚频特性。幅频特性、相频特性和实频特性、虚频特性之间具有下列关系:(3-17)(3-18)(3-19)(3-20)绘制幅相频率特性曲线有两种方法：第一种是对每一个ω值计算幅值A(ω)和相角φ(ω)，然后将这些点连成光滑的曲线；第二种是对每一个ω值计算U(ω)和V(ω)，然后逐点连接描绘成光滑的曲线。

图3-27为惯性环节的极坐标图，不难证明，惯性环节的极坐标图是一个半圆。图中实轴的正方向为相角零度线，逆时针方向的角度为正角度，顺时针方向的角度为负角度。在幅相频率特性曲线上应标注出ω增大的方向。图3-27惯性环节的幅相频率特性

2．对数频率特性曲线

对数频率特性曲线包括对数幅频特性和对数相频特性两条曲线，这两条曲线连同它们的坐标共同组成了对数坐标图，或称伯德图。

设系统的频率特性为G(jω)=|G(jω)|∠G(jω)，则可定义L(ω)=20lg|G(jω)|为对数幅频特性；φ(ω)=∠G(jω)为对数相频特性。对数频率特性曲线的横坐标是频率ω，采用对数分度，单位是rad/s。对数幅频特性曲线的纵坐标表示对数幅频特性的函数值，采用均匀分度，单位是dB。对数相频特性曲线的纵坐标表示相频特性的函数值，也采用均匀分度，单位是°。因此，绘制伯德图时需要用半对数坐标纸。图3-28给出了伯德图的横坐标ω和lgω的对应关系。频率ω每变化十倍，称为一个十倍频程；频率ω每变化一倍，称为一个倍频程。由图3-28可知，十倍频程在ω轴的间隔距离为一个单位长度，一个倍频程的间隔距离是0.301个单位长度。图3-28ω轴的对数分度采用伯德图的主要优点在于，利用对数运算可以将幅值的乘除运算化为加减运算，并且可以用简便的方法绘制近似的对数幅频特性曲线，从而使频率特性的绘制过程大为简化。因此，工程上常常使用伯德图来分析系统的性能。

3.对数幅相特性曲线

对数幅相特性曲线又称为尼柯尔斯曲线或尼柯尔斯图，它是将对数幅频特性和对数相频特性合起来绘制成的一条曲线，其横坐标为∠G(jω)，纵坐标为20lg|G(jω)|，频率ω

为参变量。在尼克尔斯曲线对应的坐标系中，可以根据系统开环和闭环的关系，绘制关于闭环幅频特性的等M簇线和闭环相频特性的等α簇线，因而可以根据频域指标要求确定校正网络，简化系统的设计过程。3.2.4奈奎斯特稳定判据及其应用

奈奎斯特（Nyquist）稳定判据（简称奈氏判据）是判断系统稳定性的又一重要方法，它是将系统的开环频率特性G(jω)H(jω)与复变函数F(s)=1+G(s)H(s)位于s平面右半部的零、极点数目联系起来的一种判据。奈氏判据是一种图解法，它依据的是系统的开环频率特性。

1.奈氏判据的基本原理

图3-29所示为一个闭环系统，它的开环传递函数为WK=W(s)H(s)，闭环传递函数为

闭环系统的特征方程为1+WK(s)=0。图3-29某闭环系统的结构图由于系统稳定的充分必要条件是闭环传递函数的极点均在s左半平面。为了找出开环频率特性与闭环极点之间的关系，引入辅助函数F(s)，并令F(s)=1+WK(s)。设WK(s)=N(s)／D(s),则有通常情况下，一个实际系统总有D(s)的阶数高于N(s)的

阶数，所以从上式可得：F(s)的极点等于开环传递函数的极点，这些极点数用P表示；F(s)的零点就是闭环函数的极点，其个数通常用Z表示。

通过上述的推导，可以得出结论：系统的稳定条件已转化为F(s)的在s右半平面零点个数Z为零。

2.映射定理

在s平面上如果闭合路径包围F(s)的P个极点、Z个零点，则在F(s)平面上对应有一条闭合路径绕原点逆时针旋转的圈数为N，且有

N=P－Z

式中，P为在s平面上顺时针闭合路径包围F(s)的极点数；Z为在s平面上顺时针包围F(s)的零点数。

通过映射定理可以找出s平面和F(s)平面之间的关系。

3.奈氏路径及其映射

为了判定系统的稳定性，即检验F(s)是否有零点在s平面的右半平面上，在s平面上所取的闭合曲线应包含s平面的整个右半平面。这样，如果F(s)有零、极点在s平面的右半平面上，则它们必被此曲线所包围，这一闭合曲线称为奈氏路径，如图3-30所示。图3-30奈氏路径应该指出的是，当ω从0到∞变化时，WK(jω)就会在F(jω)平面上画出相应的轨迹，因为WK(jω)中分母的阶数高于分子的阶数，因此有，所以当jω沿半径为∞的半圆运动时，F(jω)保持常量。这样1+WK(jω)的轨迹包围F(jω)平面上原点的情况取决于奈氏路径的±jω轴这一部分，且只要画出ω从0到∞的奈氏路径即

可，而ω=－∞~0与ω=0~∞的奈氏路径是对称的。～～这里的映射是指F(jω)平面与WK(jω)平面之间的关系。因为F(jω)=1+WK(jω)，所以F(jω)=0，WK(jω)=－1；F(jω)=1，WK(jω)=0。这样，绕F(jω)平面原点的奈氏路径正好绕WK(jω)平面的(－1，j0)点，即N在F(jω)平面上是绕原点旋转的，而在WK(jω)平面上则是绕(－1，j0)点旋转的。F(jω)平面和WK(jω)平面的关系如图3-31所示，图中所绘的曲线不包围(－1，j0)点。图3-31WK(jω)曲线

4.奈氏稳定判据

奈氏稳定判据：当ω从－∞到∞变化时，在WK(jω)平面上奈氏路径绕(－1，j0)点逆时针旋转的周数为N，则有

Z=P－N

如果开环系统是稳定的，即P=0，则其闭环系统稳定的充分必要条件是WK(jω)曲线不包围(－1，j0)点；如果开环系统不稳定，且已知有P个开环极点在s右半平面，则其闭环系统稳定的充要条件是WK(jω)曲线按逆时针方向围绕(－1，j0)

点旋转P周。例3-6设单位负反馈系统的开环传递函数为试用奈氏稳定判据判定其对应的闭环系统的稳定性。

【解】开环传递函数的特征方程为（s+p）=（Ts－1）=0，－p=1/T。这是一个开环不稳定系统，开环特征方程式在s右半平面有个一根，即P=1。闭环函数为由于K>1，闭环特征方程的根在s左半平面，所以闭环系统是稳定的。现在研究开环频率特性的轨迹。由图3-32可以看出，当ω从－∞到∞变化时，WK(jω)曲线逆时针围绕(－1，j0)点转一圈，即N=1。由奈氏稳定判据，Z=P－N=0，所以闭环系统是稳定的。图3-32系统的WK(jω)曲线

5.应用奈氏稳定判据判断闭环系统稳定性举例

下面举例说明应用奈氏稳定判据判断闭环系统稳定性的

方法。为使用奈氏稳定判据，先要绘出系统的开环幅频特性。这个特性可以用计算几个关键频率下的值近似绘出，或用计算机绘出。例3-7系统的开环传递函数为试判断其闭环系统的稳定性。

【解】系统的开环传递函数的极点全部位于s左半平面，P=0。

根据几个关键的ω值，可近似绘出其开环幅相频率特性，如图3-33所示。由于WK(jω)不包围(－1，j0)这一点，

即N=0，Z=P－N=0，所以不论K值多大，闭环系统均是稳

定的。图3-33系统的开环幅相特性例3-8系统的开环传递函数为

试判断其闭环系统的稳定性。

【解】系统开环传递函数没有极点位于s右半平面，

P=0。开环系统的频率特性为

WK（jω）=P（ω）+jQ（ω）

式中，在K值较大时，开环幅相频率特性绘于图3-34。由图看出，当ω从－∞到∞时，WK(jω)顺时针包围(－1，j0)两圈，N=－2。故得Z=P－N=2，这时闭环系统在s平面的右侧有两个极点，系统是不稳定的。图3-34例3-8的稳定性判定如果减小K值，则当P(ω)=－1时，达到稳定边界，这时闭环系统是稳定的。例3-9系统的开环传递函数为没有极点位于s右半平面，P=0。试分析T1>T2、T1<T2和T1=T2三种情况下系统的稳定性。

【解】开环系统的频率特性为

WK（jω）=P（ω）+jQ（ω）

其中，而相频特性为

φ（ω）=－180°－arctanT1ω+arctanT2ω（1）T1>T2的情况。这时，由于arctanT1ω>arctanT2ω,

故当ω由0+增加时，φ（ω）总小于－180°，处于第二象限;当ω→+∞时，相角位移为－180°，幅相特性以－180°趋于坐标原点，得到幅相频率特性如图3-35（a）所示。由图可以看出，ω由－∞变到+∞时，特性顺时针包围(－1，j0)两圈，N=－2。故得Z=P－N=2，这时闭环系统在s平面右侧有两个极点，是不稳定的。（2）

T1<T2的情况。这时,由于arctanT1ω<arctanT2ω,

故当ω由0+增加时，φ（ω）总大于－180°，处于第三象限，如图3-35（b）所示。由图可以看出，特性不包围(－1,j0)，N=0。故得Z=P－N=0，闭环系统是稳定的。

（3）T1=T2的情况。这时，φ（ω）=180°，故当ω由0+增加到+∞时，WK(jω)沿负实轴变化，如图3-35（c）所示。特性正好通过(－1，j0)这一点，闭环系统处于临界稳定状态。图3-35例3-9的幅相特性（a）T1>T2;(b)T1<T2;(c)T1=T2例3-10系统的开环传递函数为试用奈氏判据判断其闭环系统的稳定性。

【解】系统的开环传递函数在s右半平面有一个极点，P=1。

其开环系统的频率特性为

WK（jω）=P（ω）+jQ（ω）

式中，而相频特性为对于某一特定的K，其幅相特性绘于图3-36。由图3-36可看出，当KT2>1时，轨迹逆时针包围(－1，j0)一圈,N=1，这时Z=P－N=0，闭环系统是稳定的；当KT2<1时，轨迹顺时针包围(－1，j0)一圈，N=－1，这时Z=P－N=2，闭环系统是不稳定的。图3-36例3-10的幅相特性3.3PID控制方法

3.3.1PID控制的基本概念

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年的历史，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，而控制理论的其他技术难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。除PID控制外，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量来控制系统的设备。

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单

元（D）组成，其输入e(t)与输出u(t)的关系为u(t)=f［e(t)］。例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时，系统的输出存在稳态误差（SteadyStateError）。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteadyStateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项使误差取决于时间的积分，随着时间的增加积分项会不断增大。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳现象，其原因是由于系统中存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（Delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决上述问题的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就为零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分

（PD）的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例+微分控制器能够改善系统在调节过程中的动态特性。3.3.2比例控制

1.比例控制原理

当控制器的输出变化量Δu与输入偏差e成比例时，就构成了比例控制规律（P），其数学表达式为

Δu=KPe（3-21）

式中，Δu为控制器的输出变化量；e为控制器的输入，即偏差；KP为控制器的比例增益或比例系数。由式（3-21）可以看出，比例控制器的输出变化量与输入偏差成正比，在时间上是没有延滞的。或者说，比例控制器的输出是与输入一一对应的，如图3-37所示。当输入为阶跃信号时，比例控制器的输入/输出特性如图3-38所示。比例放大系数KP是可调的，所以比例控制器实际上是一个放大系数可调的放大器。KP愈大，在同样的偏差输入时，控制器的输出愈大，因此比例控制作用愈强；反之，KP值愈小，表示比例控制作用愈弱。图3-37比例控制规律图3-38比例控制器的阶跃响应

2.比例度

比例系数KP值的大小可以反映比例作用的强弱。但对于使用在不同情况下的比例控制器，由于控制器的输入与输出是不同的物理量，因而KP的量纲是不同的。这样，就不能直接根据KP数值的大小来判断控制器比例作用的强弱。工业生产上所用的控制器，一般都用比例度（或称比例范围）δ来表示比例作用的强弱。比例度是控制器输入的相对变化量与相应的输出相对变化量之比的百分数，用数学式可表示为（3-22）式中，zmax~zmin为控制器输入的变化范围，即测量仪表的量程；umax~umin为控制器输出的变化范围。由式（3-22）看出，控制器的比例度可理解为：要使

输出信号发生全范围的变化，输入信号必须改变全量程的百分数。控制器的比例度δ的大小与输入、输出关系示于图

3-39，从图中可以看出，比例度愈小，使输出变化全范围时所需的输入变化区间也就愈小，反之亦然。图3-39比例度与输入输出的关系比例度δ与比例放大系数KP的关系为(3-24)由于K为常数，因此控制器的比例度δ与比例放大系

数KP成反比关系。比例度δ越小，则放大系数KP越大，比例控制作用越强；反之，当比例度δ越大时，表示比例控制作用越弱。

在单元组合仪表中，控制器的输入信号是由变送器产生的，而控制器和变送器的输出信号都是统一的标准信号，因此常数K=1。所以在单元组合仪表中，

δ与KP互为倒数关系，即(3-24)3.3.3积分控制

当控制器的输出变化量Δu与输入偏差e的积分成比例时，就是积分控制规律（I），其数学表达式为（3-25）式中，KI为积分比例系数。积分控制作用的特性可以用阶跃输入下的输出来说明。当控制器的输入偏差是一幅值为A的阶跃信号时，式（3-25）就可写为

（3-26）由式（3-26）可以画出在阶跃输入作用下控制器的输出变化曲线（见图3-40）。图3-40积分控制器的特性从图3-40可以看出积分控制器输出的变化速度与偏差成正比。这就说明了积分控制规律的特点是：只要偏差存在，控制器的输出就会变化，执行器就要动作，系统就不可能稳定。只有当偏差消除（即e=0）时，输出信号才不会再变化，执行器才会停止动作，系统才可能稳定下来。积分控制作用达到稳定时，偏差等于零，这是它的一个显著特点，也是它的一个主要优点。因此积分控制器构成的积分控制系统是一个无差系统。式(3-25)也可以改写为（3-27）式中，TI为积分时间常数。对上式求拉氏变换，可得积分控制器的传递函数GC(s)为（3-28）3.3.4比例积分控制

比例积分控制规律（PI）是比例与积分两种控制规律的结合，其数学表达式为（3-29）当偏差是幅值为A的阶跃函数时，比例积分控制器的输出是比例和积分输出两部分之和，其特性如图3-41所示。由图3-41可以看出，Δu开始是一个阶跃信号，其值为KPA（比例作用），然后随时间的增加逐渐上升（积分作用）。比例作用是及时的、快速的，而积分作用是缓慢的、渐变的。

图3-41比例积分控制器的特性由于比例积分控制规律是在比例控制的基础上加上积分控制，所以既具有比例控制作用及时、快速的特点，又具有积分控制能消除稳态误差的性能，因此是生产上常用的控制规律。对式（3-29）取拉氏变换，可得比例积分控制器的传递函数为（3-30）3.3.5微分控制

具有微分控制规律（D）的控制器，其输出变化量Δu与偏差e的关系可用下式表示（3-31）式中，TD为微分时间常数。由式（3-31）可以看出，微分控制作用的输出大小与偏差变化的速度成正比。对于一个固定不变的偏差，不管这个偏差有多大，微分作用的输出总是零，这是微分作用的特点。如果控制器的输入是阶跃信号，按式（3-31），微分控制器的输出如图3-42(b）所示，在输入变化的瞬间，输出趋于∞，在此以后，由于输入不再变化，输出立即降到零，这种控制作用称为理想微分控制作用。

由于调节器的输出与调节器的输入信号的变化速度有关系，变化速度越快，调节器的输出就越大；如果输入信号恒定不变，则微分调节器就没有输出，因此微分调节器不能用来消除稳态误差。而且当偏差的变化速度很慢时，输入信号即使经过时间的积累达到很大的值，微分调节器的作用也不明显。所以这种理想微分控制作用一般不能单独使用，也很难实现。

图3-42(c)是实际的近似微分控制作用，在阶跃输入发生的时刻，输出Δu突然上升到一个较大的有限数值（一般为输入幅值的五倍或更大），然后呈指数曲线衰减至某个数值（一般等于输入幅值）并保持不变。图3-42微分控制器的特性(a)阶跃信号；(b)理想微分控制作用；(c)近似微分控制作用对式（3-31）进行拉氏变换，可得理想微分控制器规律的传递函数为（3-32）3.3.6比例积分微分控制

比例积分微分控制规律（PID）的输入输出关系可用下列公式表示（3-33）由上式可见，PID控制作用的输出分别是比例、积分和微分三种控制作用输出的叠加。当输入偏差e为一幅值为A的阶跃信号时，实际PID控制器的输出特性如图3-43所示。实际PID控制器在阶跃信号输入的作用下，开始时，微分作用的输出变化最大，使总的输出大幅度的变化，产生强烈的“超前”控制作用，这种控制作用可看成为“预调”。然后微分作用逐渐消失，积分作用的输出逐渐占主导地位，只要偏差存在，积分输出就不断增加，这种控制作用可看成为“细调”，一直到偏差完全消失，积分作用才有可能停止。而在PID控制器的输出中，比例作用的输出是自始至终与偏差相对应的，它一直是一种最基本的控制作用。在实际PID控制器中，微分环节和积分环节都具有饱和特性。

PID控制器可以调整的参数是KP、TI、

TD。适当选取这三个参数的数值，可以获得较好的控制质量。

对式（3-33）进行拉氏变换，可得PID控制规律的传递函数为（3-34）图3-43PID控制器的输出特性3.4智能控制方法

3.4.1智能控制的基本概念

控制理论学科经历了从经典控制理论到现代控制理论，再到目前的智能控制理论的发展过程，其主要研究对象也从单输入单输出的常系数线性系统发展为多输入多输出的复杂控制系统。对现代复杂系统的研究，涉及非线性、鲁棒性、具有柔性结构的系统和离散事件动态系统等。人们在长期的生产实践中发现，对于许多复杂的生产过程，难以用自动控制系统实现，但在熟练的操作工、技术人员或专家的操作下却控制自如，可以获得满意的控制效果。这就使研究人员受到启发，若能把这些熟练的操作工、技术人员或专家的经验知识与控制理论相结合，把它作为控制理论解决复杂生产过程的一个补充手段，那将会使控制理论解决复杂生产过程的难题有一个突破性的进展。现代的计算机控制技术的发展也为这种设想提供了有效的工具。计算机在处理逻辑运算、模糊信息、模式识别、知识与经验的积累等方面，完全可以取代人的操作。当把这种计算机控制技术应用到上述复杂的生产过程中，使之达到或超过人的操作水平时，这种由计算机实现的控制系统就具有了某些人的智能，因此，把这样的自动控制系统称为智能控制系统。智能控制系统主要有两层含义：

(1)智能控制系统是智能机自动地完成其目标的控制系统;

(2)由智能机参与生产过程自动控制的系统称为智能控制系统。

智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性而提出来的，而计算机科学、人工智能、信息科学、思维科学