控制系统稳态性能指标专题精讲ppt课件

1、第第7 7讲讲 控制系统稳态控制系统稳态性能目的性能目的控制工程基础控制工程基础建模建模分析分析设计设计微分方程模型传送函数模型系统框图模型系统建模： 电路系统 机械系统 机电系统线性化时域性能目的时间呼应 一阶系统 二阶系统稳态误差劳斯稳定性判据根轨迹分析频域分析 伯德图 奈氏稳定判据 频域性能目的校正设计思想基于频域的设计 超前校正 滞后校正 超前滞后校正PID控制器设计实际、案例、实际、案例、MatlabMatlab仿真仿真课程道路图第第7 7讲讲 控制系统的稳态性能目的控制系统的稳态性能目的学习目的：学习目的：1 1掌握给定信号输入下的系统稳态误差计算；掌握给定信号输入下的系统稳态误差

2、计算；2 2掌握扰动信号输入下的系统稳态误差计算。掌握扰动信号输入下的系统稳态误差计算。关键词：稳态性能目的关键词：稳态性能目的 稳态误差稳态误差 给定信号给定信号 扰动信扰动信 号号 控制系统的典型构造控制系统的典型构造B(s)H(s)G1(s)G2(s)R(s)E(s)Y(s)+D(s)_设设D(s)=0D(s)=0给定信号作用下的稳态误差给定信号作用下的稳态误差R(s)作用时作用时lim( )ssrrtee t0lim( )rss E s0( )lim1( )sR ssGH s 系统给定信号作用下的稳态误差不仅与系统系统给定信号作用下的稳态误差不仅与系统的输入有关，还与系统的构造有关。的

3、输入有关，还与系统的构造有关。 u 系统输入的普通表达式为系统输入的普通表达式为: :u 系统开环传送函数的普通表达式系统开环传送函数的普通表达式: :m nA 输入信号的幅值输入信号的幅值 系统型别系统型别K 开环增益开环增益( )NAR ss111( )1miinjjKsGH ssT s0lim( )sKs GH s00( )lim( )lim( )lim1( )ssrrrtssR see ts E ssGH s1 1 时系统的稳态误差时系统的稳态误差那么那么( )1( )r tAt( )/R sA s01lim1( )ssrsAesGH ss01lim( )sAGH s111( )1mi

4、injjKsGH ssT sssre0101AK，不同型别系统的阶跃呼应曲线不同型别系统的阶跃呼应曲线 (a)(b)r(t)t0c(t)=0r(t)c(t)r(t)t0c(t) r(t)c(t)1有差跟踪有差跟踪无差跟踪无差跟踪那么那么( )r tAt2( )/R sA s201lim1( )ssrsAesGH ss0lim( )sAsGH s111( )1miinjjKsGH ssT sssre,0102AK，2 2 时系统的稳态误差时系统的稳态误差不同型别时系统的斜坡呼应曲线不同型别时系统的斜坡呼应曲线: :(a)r(t)t0c(t)r(t)c(t)=0r(t)t0c(t)(b)r(t)c

5、(t)=1r(t)t0c(t)(c)r(t)c(t)2有差跟踪有差跟踪无差跟踪无差跟踪不能跟踪不能跟踪2( )/ 2r tAt3( )/R sA s301lim1( )ssrsAesGH ss20lim( )sAs GH s111( )1miinjjKsGH ssT sssre,1203AK，那么那么3 3 时系统的稳态误差时系统的稳态误差(a)r(t)t0c(t)r(t)c(t)1(b)r(t)t0c(t)r(t)c(t)=2不同型别系统的加速度呼应曲线不同型别系统的加速度呼应曲线 有差跟踪有差跟踪不能跟踪不能跟踪00( )lim( )lim( )lim1( )ssrrrtssR see t

6、s E ssGH s1在同一种输入信号情况下，增大积分因子在同一种输入信号情况下，增大积分因子 数目，即添加数目，即添加 v，系统的稳态性能可以改善。，系统的稳态性能可以改善。3 3对于同一类型系统，要比较它们稳态性对于同一类型系统，要比较它们稳态性能的优劣，应采用在某种输入信号时的非零有能的优劣，应采用在某种输入信号时的非零有限值目的。限值目的。2开环增益开环增益 K 越大，非零有限值的稳态误越大，非零有限值的稳态误差值就越小。增大开环差值就越小。增大开环 K 增益可以改善系统的增益可以改善系统的稳态性能稳态性能1211,(1)(2)(1)GGs sss s2 2201( )?2ssA tr

7、 tAAte【例【例1】知系统的构造如下图。求系统的稳态误差。】知系统的构造如下图。求系统的稳态误差。0.5_解：系统的开环传送函数为解：系统的开环传送函数为 211( )R sss( )R s( )C s100(10)s s 50( )(10)GH ss s5(0.11)ss120.2ssrsssseee 控制系统的典型构造控制系统的典型构造B(s)H(s)G1(s)G2(s)R(s)E(s)C(s)+D(s)_设设R(s)=0R(s)=0扰动信号作用下的稳态误差扰动信号作用下的稳态误差D(s)作用时作用时+D(s)G1(s)G2(s)-H(s)E(s)扰动信号作用下的稳态误差扰动信号作用下

8、的稳态误差D(s)作用时作用时212( )( )( )1( )dG H sEsD sGG H s2012( )( )lim1( )ssdsG H s D sesGG H s+D(s)G1(s)G2(s)-H(s)E(s)【例【例2】知】知 , , 求系统的稳态误求系统的稳态误差。差。B(s)2R(s)E(s)C(s)+D(s)_( )2r tt( )0.5 1( )d tt105s5(31)ss 解：解：1R(s)为输入时的稳态误差为输入时的稳态误差1220( )(0.21)(31)GG H ssss系统的开环传送函数：系统的开环传送函数：那么：那么：20.120ssrAeK2012( )(

9、)lim1( )ssdsG H s D sesGG H s0.25 0.15ssssrssdeee 【例【例3】知】知 , , 求系统的稳态误求系统的稳态误差。差。B(s)2R(s)E(s)C(s)+D(s)_( )2r tt( )0.5 1( )d tt105s5(31)ss 2D(s)为输入时的稳态误差为输入时的稳态误差放大器放大器- -线圈线圈( )R s( )Y sKa50001000s( )E s载荷载荷1(20)s s ( )D s干扰干扰- -循序渐进设计实例：磁盘驱动读取系统循序渐进设计实例：磁盘驱动读取系统本讲义务：本讲义务： 1. 1. 时，求时，求R(s)=1/sR(s)

10、=1/s时系统的稳态误差；时系统的稳态误差； 2. 2. 时，求时，求D(s)=1/sD(s)=1/s时系统的稳态误差；时系统的稳态误差； 3. 3.忽略线圈影响，根据给定性能选定忽略线圈影响，根据给定性能选定KaKa。80Ka 80Ka 1. 1. 时，系统开环传送函数为：时，系统开环传送函数为：( )0D s 5000 80( )(20)(1000)GH ss ss故单位阶跃输入时，系统稳态误差为故单位阶跃输入时，系统稳态误差为0 0。I I型系统型系统2. 2. 时，系统误差为：时，系统误差为：( )0,( )1/R sD ss212( )1000( )( )1( )(20)(1000)

11、80 5000dG ssEsD sGG ss ss 系统稳态误差为：系统稳态误差为：0lim( )0.025ssddses Es 3.3.忽略线圈感应影响，根据给行性能要求选择适宜的忽略线圈感应影响，根据给行性能要求选择适宜的KaKa值值放大器放大器- -电机常数电机常数( )R s( )Y saK5负载负载1(20)s s ( )D s干扰- -性能指标性能指标预期值预期值超调量小于5%调节时间小于250ms对单位阶跃干扰的最大响应量小于510-3表表1 1 性能目的要求性能目的要求 时，系统输出为：时，系统输出为：( )0D s 25( )( )205aRaKYsR sssK于是：于是：2

12、5220nanK由：由： 和和%5%?40.25?nn 时，系统扰动输出为：时，系统扰动输出为：( )0R s 21( )( )205RaYsD sssKaK解析法解析法故不能满足一切性能目的！故不能满足一切性能目的！Ka2030405060超调量01.2%4.3%10.8%16.3%调节时间0.580.320.40.40.4阻尼比10.820.7070.580.50对单位阶跃干扰响应的最大值-1010-3-6.610-3-5.210-3-3.710-3-2.910-3表表2 22 2阶系统的单位阶跃呼应阶系统的单位阶跃呼应折衷处置折衷处置1.1.一型系统当输入为单位斜坡函数时，其呼应的稳态一

13、型系统当输入为单位斜坡函数时，其呼应的稳态误差恒为误差恒为_。2.2.输入一样时，系统型别越高，稳态误差越输入一样时，系统型别越高，稳态误差越_。3.3.在单位斜坡输入信号的作用下，在单位斜坡输入信号的作用下，0 0型系统的稳态误差型系统的稳态误差ess =_ess =_。4.4.稳态误差稳态误差essess与误差信号与误差信号E(s)E(s)的函数关系是的函数关系是 B. B.C C D D5.5.系统输出呼应的稳态值与系统输出呼应的稳态值与_之间的偏向称之间的偏向称为稳态误差为稳态误差essess。0lim( )ssseE slim( )ssseE s0lim( )sssesE slim(

14、 )sssesE s自测题自测题6.6.设控制系统的开环传送函数为设控制系统的开环传送函数为 ，该，该系统为系统为( )( )A A0 0型系统型系统 B B1 1型系统型系统 C C2 2型系统型系统 D D3 3型系统型系统7.7.控制系统的稳态误差控制系统的稳态误差essess反映了系统的反映了系统的A.A.稳态控制精度稳态控制精度 B. B.相对稳定性相对稳定性 C. C.快速性快速性D.D.平稳性平稳性8.8.一阶系统一阶系统G(s)=K/(TS+1)G(s)=K/(TS+1)的放大系数的放大系数K K愈小，那么系愈小，那么系统的输出呼应的稳态值统的输出呼应的稳态值 A.A.不变不变

15、B.B.不定不定 C. C.愈小愈小 D. D.愈大愈大9 9控制系统的上升时间控制系统的上升时间trtr、调整时间、调整时间tsts等反映出系统等反映出系统的的( )( )A.A.相对稳定性相对稳定性 B. B.绝对稳定绝对稳定 C. C.快速性快速性 D. D.平稳性平稳性10( )(1)(2)G ss ss10.10.设一单位反响控制系统的开环传送函数为设一单位反响控制系统的开环传送函数为 ，要求要求KV=20KV=20，那么，那么K=( )K=( )A A1010 B B20 C20 C3030 D D404011.11.普通讲，假设开环系统添加积分环节，那么其闭普通讲，假设开环系统添加积分环节，那么其闭环系统的相对稳定性将环系统的相对稳定性将( )( )A.A.变好变好 B. B.变坏变坏 C. C.不变不变 D. D.不定不定12.12.知系统的构造图如下，预保证阻尼比知系统的构造图如下，预保证阻尼比z z和单位斜坡和单位斜坡信号输入时的稳态误差信号输入时的稳态