控制系统的稳态误差.ppt

自动控制原理 河南理工大学电气工程与自动化学院 杨金显 第9讲 控制系统的 稳态误差 稳定性 过渡过程性能(动态性能) 准确性 h(t) t 时间tr 上 升 峰值时间tp A B 超调量% = A B 100% 调节时间ts 主要内容 u误差的基本概念-偏差与误差 u稳态误差系数 u动态误差系数 u提高稳态精度的措施 一阶系统单位阶跃响应误差 一阶系统单位阶跃响应 误差 一阶系统加速度响应误差 R(s) - B(s) E(s) N(s) + C(s) 图1 典型反馈系统结构图 1/H(s) - e(t ) C(t ) r(t ) b(t ) e(t) 系统的误差 e(t)的基本定义为输出量的希望值与实际值之差 一、稳态误差的概念 典型系统结构如图所示 其误差定义有两种形式： （1）输入端定义法： 其中：r(t)为给定输入，b(t)为系统反馈信号。通 常将e (t)称为系统的偏差信号。 其中：Cr(t) 为系统输出量的希望值， C(t) 为实际输出值。 （2）输出端定义法： 希望值情况下偏差信号： 对于扰动信号N(s)而言,希望的情况就是扰动信号引起 的输出为0（R=0，E=0）,即系统的希望输出Cn(t)一点 都不受扰动的影响。 “希望值”的基本概念： 希望的状态 一 则系统在输入信号作用下的希望输出为： 从系统输出端定义的稳态误差，概念清晰，物 理意义明确，也符合基本定义，但在实际系统中 无法测量，因而，一般只有数学意义。而从系统 输入端定义的稳态误差，它在系统中是可以测量 的，因而具有实用性。对于单位反馈系统，要求 输出量C(t)的变化规律与给定输入r(t)的变化规 律一致，所以给定输入r(t)也就是输出量的希望 值 ，即 。此时，上述两种定义统 一为： 对于非单位反馈系统，若设定义2的误差为 E(s),定义1 的误差为E(s)，则E(s)与E(s)的关系： 可见，两种定义对非单位反馈系统是存在差异的，但两种定义下 的误差之间具有确定的关系，即误差E(s)可以直接或间接地由 E(s)来确定。从本质上看，它们都能反映控制系统的控制精度。 通常采用第1种误差定义， e(t)通常也称为系统的误差响应，它 反映了系统在输入信号和扰动信号作用下整个工作过程中的精度 。误差响应中也包含有瞬态分量和稳态分量两个部分，如果所研 究的系统是稳定的，那么当时间t趋于无穷大时，瞬态分量趋近 于零，剩下的只是稳态分量。 稳态误差的定义：对于稳定的系统，误差信号 的稳态分量称为系统的稳态误差，以 表示。 基本公式 二、 稳态误差的计算 对于线性系统，响应具有叠加性，不同输 入信号作用于系统产生的误差等于每一个 输入信号单独作用时 产生的误差的叠加。 对于图所示系统， 控制信号r(t)和扰动 信号n(t)同时作用于系统。 系统在控制信号作用下的稳态误差 稳态误差：瞬态过程结束后误差e(t)的稳态分量 系统在扰动作用下的稳态误差 稳态误差：瞬态过程结束后误差e(t)的稳态分量 从上式得出两点结论： 1. 稳态误差与系统输入信号r(t)或扰动信号 n(t)的形式有关； 2. 稳态误差与系统的结构及参数有关。 如果不计扰动输入的影响，只求系统的给定稳态误差。此 时，系统的结构图简化为。 E(s)R(s) B(s) G(s) H(s) C(s) - - 三、给定输入作用下的稳态误差 在给定输入作用下，系统的稳态误差与系统的 结构、参数和输入信号的形式有关，对于一个给 定的系统，当给定输入的形式确定后，系统的稳 态误差将取决于开环传递函数描述的系统结构。 分析稳态误差与系统结构的关系，关键是根据 开环传递函数G(s)H(s)中串联的积分环节个数所 规定的控制系统类型。 设系统的开环传递函数一般形式为： 开环传递函数的分类：以分母中串联的积分环节 个数 来定义开环传递函数的型。当 时，分 别称系统为0型、1型、2型系统。而G(s)H(s)中其 它零、极点对分类没有影响。下面分析系统在不同典 型输入信号作用下的稳态误差。 开环传递函数： 因此，在单位阶跃输入下，给定稳态误差决定于系 统的位置误差系数。 1、单位阶跃输入时的稳态误差 对于单位阶跃输入，R(s)=1/s,系统的稳态误差为 令称 Kp为稳态位置误差系数。 稳态误差可表示为 （1）对于0型系统， （2）对于1型系统（或高于1型的系统） 可见，由于0型系统中没有积分环节，它对阶跃输 入的稳态误差为一定值，误差的大小与系统的开环放 大系数K成反比，K越大， 越小，只要K不是无穷大 ，系统总有误差存在。 对实际系统来说，通常是允许存在稳态误差的， 但不允许超过规定的指标(如5)。为了降低稳态误差 ，可在稳定条件允许的前提下，增大系统的开环放大 系数，若要求系统对阶跃输入的稳态误差为零，则必 须选用1型或高于1型的系统。 R(t) - B(s) E(s) N(s) + C(s) step(feedback(tf(10*1,conv(1,0,1.67,1),1),0:.01:35) step(feedback(tf(1*1, 1.67,1),1),0:.01:35) 2、单位斜坡输入时的稳态误 差 因此，在单位斜坡输入下，给定稳态误差决定于速度误差 系数。 对于单位斜坡输入 ，此时系统的稳态误差为 令 Kv 称为稳态速度误差系数。 稳态误差可表示为： (1)对于0型系统 (2)对于1型系统 上面的计算表明，在单位斜坡输入作用下，0型系统的稳态误 差为 ，而1型系统的稳态误差为一定值，且误差与开环放 大系数成反比。为了使稳态误差不超过规定值，可以增大 系统的K值。2型或高于2型系统的稳态误差总为零。因此， 对于单位斜坡输入，要使系统的稳态误差为一定值或为零 ，必需 ，也即系统必须有足够积分环节。 (3)对于2型系统（或高于2型的系统） 输入 K=5 K=1 K=0.3阶跃响应 阶跃响应：零稳态误差斜坡响应：稳态误差为常数 指令：t=0:.01:20; u=t; lsim(feedback(tf(5*1,conv(1,0,1.67,1),1),u,t) (1)对于0型系统， 于是稳态误差可表 示为 3、单位抛物线输入时的稳态误差 对于单位抛物线输入 ，此时系统的稳态误差为 令 称 为稳态加速度误差系数。 稳态误差可表示为： (2)对于1型系统， (3)对于2型系统， (4)对于3型系统（或高于3型的系统） 以上计算表明，在单位抛物线输入作用下，0型和1型系统的稳 态误差为 ，2型系统的稳态误差为一定值，且误差与开环放 大系数成反比。对3型或高于3型的系统，其稳态误差为零。但 是，此时要使系统稳定则比较困难。 误差 稳态误差系数和稳态误差 减小和消除稳态误差方法 提高系统的开环增益 增加开环传递函数中积分环节 系统的稳定性 4、给定输如下的稳态误差计算 （1）线性叠加原理 给定输入信号增加多少倍，则稳态误差也增加相同的倍 数；若给定输入信号是上述典型信号的线性组合，则系 统相应的稳态误差就由叠加原理求出。例如，若输入信 号为 则系统的总稳态误差为 R(s) - C(s) 1.先判稳 例1 设图示系统的输入信号r(t)=10+5t，试分析系统的稳 定性并求出其稳态误差。 解 （2）稳态误差系数 、 、和 描述了系统对减小和消除稳 态误差的能力，因此，它们是系统稳态特性的一种表示方法， 可以理解为稳态性能指标。提高开环放大系数 K或增加开环传 递函数中的积分环节数，都可以达到减小或消除系统稳态误差 的目的。但是，这两种方法都受到系统稳定性的限制。因此， 对于系统的准确性和稳定性必须统筹兼顾、全面衡量。 由图求得系统的特征方程为： 由特征方程列劳斯表 2 1+0.5K 3 K 要使系统稳定，必须 K 0, 1+0.5K 0, 3(1+0.5K)2K 0 解得 K 0，K-2，K6时，系统将不稳定。 求稳态误差 求稳态误差系数 系统的稳态误差系数分别为： 例2 系统结统结 构如图图所示，求当输输入信号 r(t)=2t+t2时时，系统统的稳态误稳态误 差ess。 首先判别系统的稳定 性。由开环传递函数 知，闭环特征方程为 根据劳斯判据知闭环系统稳定。 第二步，求稳态误差ess，因为系统为型系统， 根据线性系统的齐次性和叠加性，有 故系统的稳态误差ess=ess1+ess2=0.1。 例3 解： 五、干扰信号作用下的稳态误差 扰动信号n(t)作用下 的系统结构图如图 所示 扰动信号n(t)作用下的误差函数为 稳态误差 若 ，则则上式可近似为为 干扰扰信号作用下产产生的稳态误稳态误 差essn除了与干扰扰信号 的形式有关外，还还与干扰扰作用点之前(干扰扰点与误误差 点之间间)的传递传递 函数的结结构及参数有关，但与干扰扰作 用点之后的传递传递 函数无关。 例4 设控制系统如图2所示，其中 给定输入 ，扰动输入 （ 和 均为常数），试求系统的稳态误差。 R(s) - + N(s) C(s) 图2 解 当系统同时受到给定输入和扰动输入的作用时，其 稳定误差为给定稳态误差和扰动稳态误差的叠加。 所以给定稳态误差为 令n(t)=0时，求得给定输入作用下的误差传递函数为 令r(t)=0时，求得扰动输入作用下的误差传递 函数为 由上式计算可以看出，r(t)和n(t)同是阶跃信号， 由于在系统中的作用点不同，故它们产生的稳态 误差也不相同。此外，由扰动稳态误差的表达式 可见，提高系统前向通道中扰动信号作用点之前 的环节G1(s)的放大系数（即 ），可以减小系统 的扰动稳态误差。 所以扰动稳态误差为 该系统总的稳态误差为 为了分析系统中串联的积分环节对稳态误 差的影响，我们假设图2中 给定输入和扰动输入保持不变。这时，系统的稳态误差可按上 述相同的方法求出，即 ： 系统总的稳态误差为 比较以上两次计算的结果可以看出，若要 消除系统的给定稳态误差，则系统前向 通道中串联的积分环节都起作用。若要 消除系统的扰动稳态误差，则在系统前 向通道中只有扰动输入作用点之前G1(s) 的积分环节才起作用。因此，若要消除 由给定输入和扰动输入同时作用于系统 所产生的稳态误差，则串联的积分环节 应集中在前向通道中扰动输入作用点之 前(即G1(s)中） 。 解：给定信号下的稳态误差 扰动信号下的稳态误差 系统总的稳态误差： 例5 例6:控制系统的结构图为 试分别求出H(s)=1和H(s)=0.5时系统的稳态 误差。 - 解:当H(s)=1时,系统的开环传递函数为 当H(s)=0.5时, 则系统稳态误差 若上列在H(s)=1时,系统的允许误差为0.2,问开环 增益k应等于多少? 当 时,上例的稳态误 差又是多少? 因为0型系统在速度输入和加速度输入下的稳态误差 为无穷大,根据叠加原理,ess= 稳态误差小结： 1.公式小结 （1） （2） （3） （4） （5） （1）基本公式 给 定 输 入 单 独 作 用 时 扰动单独作用时 给定输入和扰动共同作用时 （6） （7） （8） （9） （10） （11） R(s) - B(s) E(s) N(s) + C(s) r(t) b(t) e(t) 1. 稳态误差与系统输入信号r(t)或扰动信号n(t)的形式有关； 2. 稳态误差与系统的结构及参数有关。 稳态误差系数和稳态误差 减小和消除稳态误差方法 提高系统的开环增益 增加开环传递函数中积分环节 系统的稳定性 sE(s)的极点不全部分布在S平面的左半部 终值定理 例7 六、动态误差系数方法 前面研究的稳态误差主要讨论的是典型输入信号下的稳态 误差，对于部分非典型信号（如正弦信号）下，求稳态误差 的极限计算方法可能不能用。另外，我们可能还需要了解输 出响应在进入稳态（tts)后变化的规律如何。这些问题用前 面介绍的方法都不方便。因此，下面再介绍一种适应范围更 广泛的方法：动态误差系数法（又称广义误差系数法）。 根据定义误差信号的拉氏变换式为： 将误差传递函数e（s）在s=0的邻域内展开成泰勒级数，得 得误差信号拉氏变换的一般表达式为： 在零初始条件下，对上述级数求拉氏反变换，得稳态误差随时 间变化得函数关系如下： 定义 为动态误差系数。 特别称C0为动态位置误差系数； C1为动态速度误差系数； C2为动态加速度误差系数。 说明： “动态”二字的含意是指这种方法可以完整描述系统稳态 误差ess(t)随时间变化的规律。 定义 为动态误差系数。 动态误差系数的计算方法： 多项式除法： 1）将分子多项式和分母多项式分别按升幂排列； 2）用多项式除法逐项求出C0，C1，C2， 开环传递函数 分母除分子，得： 误差传递函数 误差： 比较一下： 也就是动态误差系数 例8：已知单位反馈系统的开环传递函数为： 系统一： 系统二： 求动态误差系数。 解：根据公式得： 用长除法系统一： 动态误差系数： C0=0，C1=0.1，C2=0.09，C3=-0.019， 用长除法系统二： 系统二动态误 差系数： C0=0 C1=0.1 C2=0. 19 C3=-0.039 例9：系统的开环传递函数