机械控制基础系统时间响应分析

1、1第1页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四 3.1 时间响应及其组成 本节教学内容3.1.1 定常线性微分方程 求解 3.1.2 时间响应的组成 3.1.3 叠加原理用于求解 时间响应 本节教学要求1.了解求解定常线性微分方程的基本方法 3.加深线性系统叠加原理的理解 2*.熟悉时间响应的组成和各种类型 2第2页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.1 时间响应及其组成定常线性微分方程：该微分方程是未知函数及其各阶导数的一次方程；微分方程中各项系数均为常数；这类方程可用代数方法（如拉氏变换）求解。线性非齐次微分方程的通解通解中的yi(t)由齐次方程的

2、特征根决定;通解中的Ci和特解y*则与系统结构参数、系统初态以及系统的输入x(t)有关。线 性微分方程一般形式（x=0: 齐次微分方程；x0: 非齐次微分方程）3.1.1 定常线性微分方程求解3第3页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.1 时间响应及其组成3.1.2 时间响应的组成系统时间响应的组成形式零输入响应零状态响应自由响应强迫响应si 微分方程的特征根（i=1, 2, , n）时间响应 系统在输入信号作用下其输出随时间变化的规律，称为系统的时间响应，它也是系统动力学微分方程的解。4第4页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.1 时间响应及其

3、组成3.1.2 时间响应的组成 时间响应的类型零输入响应零状态响应自由响应强迫响应 按振动的 性 质 分自由响应：响应的类型由系统结构、参数所决定。强迫响应：响应的类型取决于输入信号的类型。按稳定系统响应形态分瞬态响应：系统输出从初始状态到稳定状态的响 应过程（对应自由响应）。稳态响应：在时间趋于无穷大时系统的输出（对 应强迫响应）。 按输入的 来 源 分零输入响应：无输入时系统初态引起的输出。零状态响应：系统初态为零仅由输入引起的输出。5第5页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.1 时间响应及其组成利用叠加原理求解结 论对于线性定常系统，如果输入函数为某一函数的导数，

4、则该输入函数的响应函数也等于这一函数的响应函数的导数。3.1.3 叠加原理用于求解时间响应线性常微分方程的一般形式6第6页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3. 2 典型输入信号阶 跃信 号此类信号工程上易实现。可用来测试系统瞬态特性，获取系统阶跃响应曲线。脉 冲信 号此类信号常用于测取系统模态。可用来测试系统瞬态特性和抗扰动性能，获取系统脉冲响应曲线。正 弦信 号此类信号多用于疲劳试验系统。可用来测试系统的频率特性。斜 坡信 号此类信号工程上多用于恒速控制。可用来测试I型系统的稳态特性，获取系统斜坡响应曲线。7第7页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期

5、四3.3 一阶系统本节教学内容3.3.1 一阶系统模型 3.3.2 一阶系统单位脉冲 响应 3.3.3 一阶系统单位阶跃 响应 本节教学要求1.熟悉一阶系统建模及模型的特点 3.理解脉冲、阶跃响应的相互关系及瞬态特性特点2.掌握一阶系统脉冲、阶 跃响应函数的求取方法8第8页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.1 一阶系统3.3.1 一阶系统模型一阶系统：用一阶微分方程就可描述完全的系统。其对应的物理系统有一个储能元件和一个耗能元件。系统的数学模型只有一个特征参数，即系统的时间常数T。Xi(s)Xo(s)系 统传 递函 数Xi(s)Xo(s)系统闭环极点(特征根)：-1/

6、T系 统的 零极 点一 阶系 统例 子m=0ckxo(t)xi(t)xo(t)m=0ckxi(t)9第9页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.1 一阶系统单 位脉 冲响 应的求取单位脉冲函数的拉氏变换：单位脉冲响应的拉氏变换：3.3.2 一阶系统单位脉冲响应单位脉冲响应：当系统的输入信号是理想的单位脉冲函数时，系统的输出称为单位脉冲响应函数，简称为单位脉冲响应，用w(t)表示。系统的单位脉冲响应：单 位脉 冲响 应的特点单位脉冲响应对应时间响应类型中的自由响应、零状态响应和瞬态响应；定义响应曲线衰减到初值的2%之前的过程为过渡过程。一阶系统过渡过程时间为4T，T 越小系

7、统响应越快。10第10页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.1 一阶系统3.3.3 一阶系统单位阶跃响应单位阶跃响应：当系统的输入信号是理想的单位阶跃函数时，系统的输出称为单位阶跃响应函数，简称为单位阶跃响应。单 位阶 跃响 应的求取单位阶跃函数的拉氏变换：单位阶跃响应的拉氏变换：单位阶跃响应：单 位阶 跃响 应的特点单位阶跃响应包括瞬态部分和稳态部分；响应曲线为一单调上升过程，其稳态误差趋于零。11第11页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.1 一阶系统3.3.3 一阶系统单位阶跃响应阶跃响应曲线零点的切线斜率反映了信号加入瞬间系统对输入的反应

8、速度：特征参数对阶跃响应的影响响应曲线达到稳态值的98%之前的过程为阶跃响应的过渡过程，系统过渡过程时间或调整时间为4T。（注意：调整时间与输入信号的幅值无关。）t=T，xo(T)=63.2% 实验法求T；也可用实验方法判断所试系统是否为一阶系统。12第12页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.1 一阶系统总结阶跃响应与脉冲响应的关系脉冲函数是阶跃函数的微分脉冲响应是阶跃响应的微分阶跃响应是脉冲响应的积分斜坡响应是阶跃响应的积分一阶系统时间响应的特 点一阶系统的特征参数 系统时间常数T；系统时间响应曲线为单调上升（阶跃响应）或下降（脉冲响应）曲线（没有振荡现象）。时间响

9、应的过渡过程时间或调整时间与T成正比。T越小，系统的调整时间越短，响应越快。13第13页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.1 一阶系统举例 水银温度计可近似为一阶惯性环节，用其测量加热器内的水温，当插入水中一分钟时才指示出该水温的98%的数值（设插入前温度计指示0度）。如果给加热器加热，使水温以10度/分的速度均匀上升，问温度计的稳态指示误差是多少？一阶惯性环节模型(T：环节的时间常数)确定系统响应类型温度计的输入为加热器的水温，应为阶跃输入；温度计的初始值为0度，因此是阶跃响应；阶跃响应的过渡过程时间为一分钟，可用于求系统时间常数。斜坡响应稳态误差第二问的温度计输入

10、为斜坡输入xi(t)=10t，因此应求出温度计的斜坡响应；斜坡响应的调整时间仍然为4T，对本题即为1分钟，用稳态时水温的实际值减去温度计的指示值（温度计斜坡响应值）即为温度计的稳态指示误差。14第14页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.1 一阶系统课后作业第五版教材113页： 3.5，3.7第六版教材120页： 3.4，3.5注：同一题目在第五、六版教材中的题号可能不同。15第15页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统 本节教学内容3.4.1 二阶系统模型 3.4.2 二阶系统单位脉冲响应 3.4.3 二阶系统单位阶跃 响应* 本节

11、教学要求1.熟悉二阶系统传递函数的特点 3.掌握脉冲、阶跃响应特 性与系统阻尼比的关系2.熟悉二阶系统脉冲、阶 跃响应函数的求取方法3.4.4 二阶系统响应的性 能指标* 4.掌握阶跃响应超调量、 调整时间的概念和计算16第16页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统3.4.1 二阶系统模型系 统特 征方 程和 特征 根二阶系统的特征根随阻尼比的取值不同而有多种形式，进而决定了二阶系统不同的响应特性。系 统传 递函 数Xi(s)Xo(s)-二阶系统 可用二阶微分方程完全描述的系统；其对应的物理系统有两个不同形式的储能元件；系统的数学模型有两个特征参数，即无阻尼

12、固有频率n和阻尼比。17第17页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统3.4.1 二阶系统模型 阻尼比与特征根的关系阻尼比特征根系统类型01过阻尼1无阻尼 = 0临界阻尼 =1单 位 脉 冲 响 应 特 点欠阻尼0 1( :有阻尼固有频率 )19第19页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统欠阻尼系统的单位阶跃响应单位阶跃响应的求取单位阶跃函数的拉氏变换：单位阶跃响应的拉氏变换：3.4.3 单位阶跃响应单位阶跃响应：(有阻尼固有频率)20第20页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统3.4.3

13、 单位阶跃响应 欠阻尼系统单位阶跃响应特点无稳态误差；含有衰减的复指数振荡项，其振幅衰减的快慢由 和n决定，振荡的最大峰值随 减小而加大； d和 可由传递函数的极点来确定：s1s221第21页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统3.4.3 单位阶跃响应负阻尼系统 -1 0 -1振荡发散单调发散无阻尼系统(无阻尼的等幅振荡)xo(t)临界阻尼系统xo(t)(单调上升,无振荡,无超调,无稳态误差。)过阻尼系统(单调上升,无振荡,过渡过程时间长,无稳态误差.)22第22页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统3.4.3 单位阶跃响

14、应阻尼比 决 定了二阶系统的振荡特 性(1) 总结23第23页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统3.4.3 单位阶跃响应 总结(2) 一定时，n越大，瞬态响应分量衰减越迅速，响应的快速性越好。nt(3) 工程中除了一些不允许产生振荡的应用外，如指示和记录仪表系统等，通常采用欠阻尼系统，且阻尼比通常选择在0.40.8之间，以保证系统的快速性同时又不至于产生过大的振荡。24第24页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统xo(t)3.4.4 二阶系统响应的性能指标对系统的时间响应性能的定量描述是系统性能评价和设计的依据。25第2

15、5页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统对欠阻尼系统,响应曲线从零时刻出发首次到达稳态值所需时间:对无超调系统,响应曲线从稳态值10%上升到90%所需的时间.上升时间 评价系统快速性的性能指标(主要针对欠阻尼系统)推导26第26页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统 评价系统快速性的性能指标(主要针对欠阻尼系统)峰 值时 间响应曲线从零上升到第一个峰值所需时间:峰 值 时 间推 导(峰值处导数为0) 一定时,n越大,tp越小；n一定时, 越大,tp越大。27第27页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3

16、.4 二阶系统 评价系统快速性的性能指标(主要针对欠阻尼系统)调 整 时 间推 导2调 整时 间响应曲线到达并保持在允许误差范围（稳态值的2%或5%）内所需的时间 ts，即28第28页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统 评价系统快速性的性能指标(主要针对欠阻尼系统)最 大超调量响应曲线的最大 峰值与稳态值之差与稳态值的比值.通常用百分数表示:最 大 超 调 量推 导Mp仅与阻尼比 有关; 越大, Mp 越小,系统的平稳性越好; = 0.40.8 Mp = 25.4%1.5%29第29页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统

17、 评价系统快速性的性能指标(主要针对欠阻尼系统)振 荡次 数在调整时间ts内系统响应曲线的振荡次数N。实测时，可按响应曲线穿越稳态值次数的一半计数。振 荡 次 数推 导振荡周期调整时间 N 仅与 有关:越大，N 越小，系统平稳性越好。30第30页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统增加无阻尼固有频率n 可提高系统响应的快速性 , 减少上升时间、峰值时间和调整时间。在00.7范围内，增加阻尼比 会增加上升时间、峰值时间，但可减少调整时间以及超调量和振荡次数，有利于提高系统响应的平稳性。通常可用 确定超调量 Mp，用n确定调整时间 ts 。快速性与平稳性有着相互

18、制约的关系，如对于 m-c-k 系统，由于 增加k 虽可使n 增加提高响应速度，但却使 减小，可能影响平稳性。因此在系统设计时需要综合考虑。对于非单位阶跃响应，以上性能指标同样适用，只是响应的稳态值不再是1。 总 结31第31页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统系统模型举例1 根据响应曲线确定系统的m-c-k。已知条件求 m-c-k32第32页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统 举例2 试分析：1）该系统能否正常工作？ 2）若要求=0.7，系统应作如何改进？ =0 无阻尼等幅不衰减振荡，不能正常工作。改进前改进后系统增

19、加一微分反馈环节后，可以增加系统的阻尼，提高响应的平稳性。33第33页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.4 二阶系统课后作业第五版教材113页：3.10，3.11，3.15 (选做)第六版教材121页：3.10，3.11，3.16 (选做)注：同一题目在第五、六版教材中的题号可能不同。34第34页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.5 高阶系统系统简化的基本思想：用较低阶的近似系统替代阶数较高的实际系统；简化后的模型应能体现原系统的主要特征及主要变化规律，且模型误差在容许范围内。三阶以上的微分方程描述的系统就称为高阶系统。许多实际系统的微分方程

20、阶次往往都比较高, 而高阶微分方程的研究和分析通常比较复杂, 有时十分困难。因此在工程中常常需要对高阶系统的数学模型进行简化。本节学习的目的是使同学们对高阶系统的形式、高阶系统时间响应的基本特点以及高阶系统降阶分析的基本方法有一个基本的了解，为将来从事工程系统的分析打下基础。35第35页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.5 高阶系统3.5.1 三阶系统的时间响应系 统模 型三阶系统模型可分解为三个一阶惯性环节串联或一个惯性环节与一个振荡环节的串联，以后者为研究重点。特征根单 位阶 跃响 应有振荡的三阶系统的时间响应的瞬态部分由二阶振荡环节的衰减振荡和一阶惯性环节的单调

21、衰减这两部分组成。36第36页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.5 高阶系统3.5.2 高阶系统的单位阶跃响应系 统模 型单 位阶 跃响 应37第37页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.5 高阶系统高阶系统的单位阶跃响应由一阶和二阶系统的响应函数叠加而成。如果所有闭环极点都在 s 平面的左半平面，则随着时间t，有xo()= A0，系统是稳定的。极点的性质决定瞬态分量的类型：实数极点非周期瞬态分量；共轭复数极点阻尼振荡瞬态分量。系统零点影响各极点处的留数的大小（即各个瞬态分量的相对强度），如果在某一极点附近存在零点，则其对应的瞬态分量的强度将变

22、小。一对靠得很近的零点和极点其瞬态响应分量可以忽略。结 论38第38页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.5 高阶系统主导极点 距虚轴最近，实部的绝对值为其它极点实部绝对值的1/5或更小，且其附近没有零点的闭环极点，其对高阶系统的瞬态响应起着主导作用。s4s5s1s2S (a)0s3z13.5.3 闭环主导极点tXo(t)tp0s1(s2)s4(s5)s3( b)39第39页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.5 高阶系统对于高阶系统，如果能够找到主导极点，就可以忽略其它远离虚轴的极点和偶极子（一对靠得很近的零、极点）的影响，可近似为一阶或二阶系

23、统进行处理。图示系统传递函数其 3 个极点分别为且（三阶系统二阶系统）精确解近似解40第40页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.6 系统误差分析与计算本节教学内容3.6.1 误差的基本概念 3.6.2 稳态偏(误)差系数3.6.3 扰动作用下的稳态偏差 本节教学要求1.明确误差与偏差的概念3.了解干扰作用下求稳态偏差的方法 2.掌握求取系统稳态偏差的方法 指令信号作用下系统稳态偏差的求取是本节的重点。41第41页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.6 系统误差分析与计算3.6.1 误差的基本概念 误差与偏差偏 差 指令信号减去反馈信号误 差 希

24、望输出减去实际输出误差与偏差的关 系对单位反馈E1(s)=E(s)42第42页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.6 系统误差分析与计算 稳态误（偏）差 瞬态过程结束后误（偏）差的稳态分量。指令信号作用下的稳态偏差( N=0 )稳态偏差求稳态偏差基本方法先求偏差信号的拉氏变换；再利用终值定理求稳态误（偏）差。（以下仅讨论稳态偏差）干扰信号作用下的稳态偏差( Xi=0 )稳态偏差43第43页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.6 系统误差分析与计算3.6.2 稳态偏差(误差)系数稳态偏差系数 与输入信号和系统结构有关的物理量，可用于简化对系统误(偏

25、)差的分析和指导系统设计。Kp：稳态位置无偏系数单 位阶 跃输 入Kv：稳态速度无偏系数单 位斜 坡输 入Ka：稳态加速度无偏系数单 位抛物线输 入44第44页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.6 系统误差分析与计算3.6.2 稳态偏差(误差)系数 系统结构对稳态偏差的影响v=00型系统v=1I 型系统v=2II型系统系统的结构类型系统开环传递函数 由开环传递函数含积分环节的个数可将系统划分为 K系统开环增益：45第45页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.6 系统误差分析与计算3.6.2 稳态偏差(误差)系数 0型系统的稳态偏差单 位斜 坡输

26、 入单 位抛物线输 入单 位阶 跃输 入（v=0）46第46页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.6 系统误差分析与计算3.6.2 稳态偏差(误差)系数 I 型系统的稳态偏差单 位阶 跃输 入（v=1）单 位抛物线输 入单 位斜 坡输 入47第47页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.6 系统误差分析与计算3.6.2 稳态偏差(误差)系数 II 型系统的稳态偏差单 位阶 跃输 入（v=2）单 位斜 坡输 入单 位抛物线输 入48第48页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.6 系统误差分析与计算3.6.2 稳态偏差(误差)系

27、数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（但受到系统稳定性的制约）。 说 明位置、速度、加速度无偏系数分别反映了系统对单位阶跃、速度、加速度输入作用下的稳态偏差，同时也可用于反映系统的稳态精度。此处应当注意：速度、加速度输入信号实际上仍然是位置信号，只不过该位置信号是随时间变化的。如果输入量非单位量时，其稳态偏差（误差）按比例增加。系统在多个信号共同作用下总的稳态偏差（误差）等于各个信号单独作用下的稳态偏差（误差）之和。49第49页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.6 系统误差分析与计算3.6.2 稳态偏差(误差)系数解： I 型系统单位

28、速度输入下的稳态误差而当输入为24t时，系统的稳态误差为举例1 I 型单位反馈系统的开环增益 K = 600，系统最大跟踪速度max =24/s，求系统在最大跟踪速度下的稳态误差。50第50页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.6 系统误差分析与计算3.6.2 稳态偏差(误差)系数解：由输入为10t 时的稳态误差为0.05cm，即则系统的开环增益举例2阀控油缸伺服工作台要求定位精度为0.05cm，该工作台最大移动速度vmax =10cm/s。若系统为I 型，试求系统开环增益。51第51页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.6 系统误差分析与计算3

29、.6.3 扰动作用下的稳态偏差 扰动作用下稳态偏差的一般形式(单位反馈系统)扰动作用下的偏差信号令扰动作用下的稳态偏差52第52页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.6 系统误差分析与计算扰动为单位阶跃信号时的稳态偏差（N(s)=1/s）0 型系统（v1=v2=0）I 型系统（v1=1, v2=0）（v1=0, v2=1）II 型系统（v1=2, v2=0）（v1=1, v2=1）（v1=0, v2=2）53第53页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.6 系统误差分析与计算 总结增加扰动作用点前回路的传递函数的增益或积分环节的个数，有利于提高系统

30、的控制精度和抗干扰能力；增加扰动作用点后到输出前回路的增益或积分环节个数不利于减少由干扰造成的稳态误差。54第54页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四3.6 系统误差分析与计算课后作业第五版教材115页： 3.17，3.18第六版教材123页： 3.19，3.2155第55页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四实验一 典型环节及其时间响应熟悉TKKL1型（或3型）控制理论电子模拟实验箱及相关仪器的使用。观察一、二阶系统在阶跃输入信号作用下的瞬态响应。学习用电路构造典型环节的方法。根据阶跃响应曲线，确定系统的过渡过程时间，并与理论计算结果进行比较。一、实验目的56第56页，共62页，2022年，5月20日，21点28分，星期四二、实验内容熟悉实验仪器模拟实验箱 实验一 典型环节及其时间响应实验中所用的电子模拟箱用来构造模拟电路。有两种类型即TKKL-1型(