自動控制系統在穩態下的控制精度的度量。控制系統的輸出回應在過渡過程結束後的變化形態稱為穩態。穩態誤差為期望的穩態輸出量與實際的穩態輸出量之差。控制系統的穩態誤差越小說明控制精度越高。因此穩態誤差常作為衡量控制系統性能好壞的一項指標。控制系統設計的課題之一,就是要在兼顧其他性能指標的情況下,使穩態誤差盡可能小或者小於某個容許的限制值。

  穩態誤差的分類 穩態誤差按照產生的原原因分為原理性誤差和實際性誤差兩類。

  

① 原理性誤差 為瞭跟蹤輸出量的期望值和由於外擾動作用的存在,控制系統在原理上必然存在的一類穩態誤差。當原理性穩態誤差為零時,控制系統稱為無靜差系統,否則稱為有靜差系統。原理性穩態誤差能否消除,取決於系統的組成中是否包含積分環節(見 控制系統的典型環節)。通常, 伺服系統為無靜差系統,而 自動調節系統為有靜差系統。對於無靜差系統,無靜差性是相對於某種特定形式的輸入信號或擾動作用而言的。一個控制系統對於單位階躍函數(見 拉普拉斯變換)的輸入信號或擾動作用是無靜差的,並不表示它對單位斜坡函數的輸入或擾擾動也是無靜差的。對於同時有輸入 r( t)和擾動 n( t)作用的控制系統(見圖),在系統為漸近穩定(見 穩定性)的前提下,原理性誤差 e ss規定為 t→∞時控制誤差 e( t)的值。 e ss由兩部分組成,一部分是由輸入信號引起的穩態誤差 e sr,另一部分是由擾動作用引起的穩態誤差 e sn,即 e ss= e sr+ e sn。用 G 1( s)、 G 2( s)、 H( s)分別表示系統各部分的 傳遞函數,並令 G( s)= G 1( s) G2( s)為系統前饋通道的傳遞函數,則系統穩態誤差與系統傳遞函數間的關系為

其中R(s)和N(s)分別是輸入r(t)和擾動n(t)的拉普拉斯變換,s為復數自變量。

  ② 實際性誤差 系統的組成部件中的不完善因素(如摩擦、間隙、不靈敏區等)所造成的穩態誤差。這種誤差是不可能完全消除的,隻能通過選用高精度的部件,提高系統的增益值等途徑減小。

  系統的結構類型 在控制系統的研究中,常常按系統組成中所包含的積分環節的個數對系統進行分類,這對研究不同典型輸入作用下系統的穩態誤差是很方便的。系統前饋通道中不包含積分環節時稱為0型系統,包含一個積分環節時稱為Ⅰ型系統,包含兩個積分環節時稱為Ⅱ型系統。高於Ⅱ型的系統一般沒有實際意義,這種結構的控制系統很難具有滿意的過渡過程性能,在工程上幾乎不采用。表1為各型控制系統在三種典型輸入信號(單位階躍函數1(t)、單位斜坡函數t、單位加速度函數t2)作用下的穩態誤差ess,其中K 表示系統的開環增益。

表1 各型系統在三種典型輸入信號作用下的穩態誤差ess

  靜態誤差系數 在控制系統的分析中,通常采用靜態誤差系數作為衡量系統穩態性能的一種品質指標,靜態誤差系數能表征系統所具有的減小或消除穩態誤差的能力。靜態誤差系數越大,系統的穩態誤差就越小;當靜態誤差系數為∞時,系統沒有穩態誤差。靜態誤差系數包括位置誤差系數Kp、速度誤差系數Kv、加速度誤差系數Ka

  用G(s)H(s)表示控制系統的開環傳遞函數,則三種誤差系數與G(s)H(s)的關系為

    Kp=[G(s)H(s)]S=0

    Kv=[sG(s)H(s)]S=0

    Ka=[G2(s)H(s)]S=0

  表2為各型控制系統的靜態誤差系數值。表3為三種典型輸入信號作用下系統穩態誤差和靜態誤差系數間的關系,其中K 為系統的開環增益。

表2 各型控制系統的靜態誤差系數

表3 穩態誤差與靜態誤差系數之間的關系

  

參考書目

 本傑明、C.郭著,張一中譯:《自動控制系統》,水利電力出版社,北京,1983。(Benjamin C.Kuo, Automatic Control Systems,Prentice-Hall,Englewood Cliffs, New York,1975.)