自动控制原理-第3章1课件

第3章控制系统的时域分析2023/7/23

§3.5线性系统的稳定性分析第3章线性系统的时域分析§3.1概述§3.2一阶系统的时间响应及动态性能§3.3二阶系统的时间响应及动态性能§3.4高阶系统的阶跃响应及动态性能§3.6线性系统的稳态误差2023/7/23§3.1时域分析法概述(1)直观，准确；

(2)可以提供系统时间响应的全部信息；

(3)基于求解系统输出的解析解，比较烦琐。控制系统设计两个主要任务控制系统的分析控制系统的综合计算各项性能指标，

判断其是否满足设计要求。寻求改进系统性能并使它满足设计要求的方法。时域法的作用和特点：2023/7/23

时域分析法在时间域内研究系统在典型输入信号的作用下，其输出响应随时间变化规律的方法。对于任何一个稳定的控制系统，输出响应含有瞬态分量和稳态分量。

瞬态分量

由于输入和初始条件引起的，随时间的推移而趋向消失的响应部分，它提供了系统在过度过程中的各项动态性能的信息。

稳态分量

是过渡过程结束后,系统达到平衡状态，其输入输出间的关系不再变化的响应部分，它反映了系统的稳态性能或误差。本章主要讨论控制系统在阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等输入信号作用下的输出响应。2023/7/23阶跃响应的性能指标1.上升时间tr:输出响应第一次达到稳态值h(∞)所需的时间。或指由稳态值的10%上升到稳态值的90%所需的时间。2.峰值时间tp:输出响应超过稳态值达到第一个峰值hmax所需要的时间。3.超调量:4.调节时间ts:单位阶跃响应2023/7/23§3.1.2时域法常用的典型输入信号控制系统在实际工作时，其输入信号不是预知的。典型输入信号用来对控制系统性能评价提供一个参考标准。典型输入信号应具有以下特点：能够反映控制系统在某一方面的性质，如快速性、平稳性、稳态精度；具有简单的函数形式，并且易于产生，以便于控制系统的实验和测试.2023/7/23§3.1.2时域法常用的典型输入信号2023/7/23分析：Ⅰ.这些典型信号既可作为输入信号，也可作为扰动信号，对某个确定的系统也可能是某(些)信号的叠加。Ⅱ.

脉冲、阶跃、斜坡信号的运算关系：§3.1.2时域法常用的典型输入信号微分积分2023/7/23§3.1.3

线性系统时域性能指标

准:

(稳态要求）稳态输出与理想输出间的误差(稳态误差)要小

稳：(基本要求)系统受扰动影响后能回到原来的平衡位置

快:

(动态要求)阶跃响应的过渡过程要平稳，迅速2023/7/2310§3.2一阶系统的时间响应及动态性能

§3.2.1一阶系统Ф(s)标准形式及h(t)开环传递函数：闭环传递函数：闭环极点：单位阶跃响应：2023/7/23§3.2.2一阶系统动态性能指标计算§3.2一阶系统的时间响应及动态性能

2023/7/23

例1系统如图所示，现采用负反馈方式，欲将系统调节时间减小到原来的0.1倍，且保证原放大倍数不变，试确定参数Ko和KH的取值。§3.2一阶系统的时间响应及动态性能

2023/7/23§3.2一阶系统的时间响应及动态性能

xi(t)xi(s)xo(s)=xi(s)xo(t)一阶系统典型响应11(t)t2023/7/23§3.2一阶系统的时间响应及动态性能

例2已知单位反馈系统的单位阶跃响应

试求

F(s),k(t),G(s)。

解．2023/7/23§3.３二阶系统的时间响应及动态性能§3.３.1传递函数标准形式及分类2023/7/23二阶系统单位阶跃响应j0j0j0j0T11T21ξ＞1ξ＝10＜ξ＜1ξ＝0s2+2ξωns+ωn2Φ(s)=ωn2过阻尼临界阻尼欠阻尼零阻尼2023/7/23§3.3二阶系统的时间响应及动态性能

§3.3.30

§1(欠阻尼,零阻尼)时系统动态性能指标的计算（2）单位阶跃响应h(t)表达示（1）0x1时系统极点的两种表示方法（3）动态指标计算公式2023/7/23１上升时间

欠阻尼二阶系统的动态性能指标则∴§3.3二阶系统的时间响应及动态性能分析：（1）一定（即一定），（2）一定（距实轴距离一定），2023/7/23峰值时间２解得：tan的最小周期为∏∴分析：（1）一定（即一定），（2）一定（距实轴距离一定），2023/7/233最大超调量超调量C(t)上升时间峰值时间误差带稳态误差o1.0t10090807060504030201000.20.40.60.81.0调节时间分析：其中：2023/7/23

调节时间ts4当t=ts时,则考虑用代表§3.3二阶系统的时间响应及动态性能分析:ts与极点实部成反比.2023/7/232468101200.20.40.60.811.21.41.61.82StepResponseAmplitude00.20.40.60.81.02.0§3.3二阶系统的时间响应及动态性能2023/7/23各指标间有矛盾：

一定，10090807060504030201000.20.40.60.81.0要求2023/7/23[例】设二阶控制系统的单位阶跃响应曲线如图所示。试确定系统的传递函数.n=[3*1102.24];%闭环传递函数d=[1,21.912,1102.24];sys=tf(n,d);figure(24);step(sys)2023/7/23例设控制系统

如图所示。其中（a）为无速度反馈系统，（b）为带速度反馈系统，试确定是系统阻尼比为0.5时的值，并比较系统（a）和(b)阶跃响应的瞬态性能指标。R(s)E(s)-C(s)(a)(b)R(s)E(s)C(s)--

将此式与标准二阶系统式相比较得解系统（a）的闭环传递函数为解得：计算上升时间：（秒）§3.3二阶系统的时间响应及动态性能2023/7/23峰值时间

（秒）（秒）（秒）将上式与与标准二阶系统式相比较得：由和可求得：超调量秒调节时间系统（b）的闭环传递函数为：（秒）将代入，解得：可见，采用速度反馈后，可以明显地改善系统的动态性能。§3.3二阶系统的时间响应及动态性能(b)R(s)E(s)C(s)--2023/7/23【例】设单位反馈系统的开环传递函数如下，若要求系统的阶跃响应的瞬态性能指标如下，试确定参数K和a的值。解:系统的闭环传递函数为:由此得:由题意:即：解得：（秒）而:即：解得:

a=3所以：§3.3二阶系统的时间响应及动态性能2023/7/23（1）改善二阶系统动态性能的措施a.速度反馈控制--与典型二阶系统的标准形式比较⒈不改变无阻尼振荡频率⒉等效阻尼系数为由于，即等效阻尼系数加大，将使超调量δ%和调节时间ts变小。§3.3二阶系统的时间响应及动态性能2023/7/23比例+微分控制b.比例+微分控制与典型二阶系统的标准形式比较⒈不改变无阻尼振荡频率⒉等效阻尼系数为由于，即等效阻尼系数加大，将使超调量δ%和调节时间ts变小。⒊闭环传递函数有零点，将会给系统带来影响。其中：2023/7/23零极点分布图具有零点的二阶系统比典型的二阶系统多一个零点，(和不变)。其闭环传递函数为：，零点为：具有零点的二阶系统的单位阶跃响应为：（2）附加闭环零点的影响2023/7/23由上图可看出：使得比响应迅速且有较大超调量。具有零点的二阶系统分析2023/7/23设为零点和极点实部之比分析：闭环零点俞靠近坐标原点，2023/7/23§3.4高阶系统的阶跃响应及动态性能

§3.4.1高阶系统单位阶跃响应单位阶跃响应的拉氏变换为：式中：n=q+2r将上式展开成部分分式，得零初始条件下的单位阶跃响应为：2023/7/23单位阶跃响应为：分析：1.高阶系统的时域响应是由3部分：稳态值；惯性环节及振荡环节的瞬态响应分量所组成。2.各瞬态分量在过渡过程中所起作用的大小，将取决于它们的指数、的值和相应项的系数、、的大小。3.如果系统所有极点都分布在S平面的左半部分，即所有极点均具有负实部，那么，当t→∞，系统的响应达到稳态值。§3.4.1高阶系统单位阶跃响应2023/7/234.在瞬态过程中，某衰减项的指数或的值越大，则该项衰减越快，反之亦然。而它们就是系统的极点到虚轴的距离。显然，对系统过渡过程影响最大的，是那些离虚轴最近的极点。5.如果某一对闭环极点、零点非常靠近，则称为一对偶极子。该闭环极点对暂态过程几乎没有影响。如果某一闭环零点附近没有极点，并且离虚轴较近，则相应项的系数较大，对暂态过程的影响也较大。§3.4.1高阶系统单位阶跃响应2023/7/236.高阶系统的瞬态特性主要由系统传递函数中那些靠近虚轴而又远离零点的极点来决定。离虚轴较近的闭环极点对应项的系数较大；衰减较慢；对动态过程影响较大。§3.4.1高阶系统单位阶跃响应2023/7/236.如果高阶系统有一个极点（或一对共轭复数极点）离虚轴最近，且其附近又无零点存在，而其他所有极点与虚轴的距离都在此极点与虚轴的距离的五倍以上，这个（或这对）极点就称为高阶系统的主导极点。§3.4.1高阶系统单位阶跃响应2023/7/23§3.4.2闭环主导极点已知单位反馈系统的开环传递函数如下，试求：（1）闭环极点的分布并判断系统是否存在主导极点；（2）估算系统的暂态性能，并分析说明主导极点法的工程实用意义。解（1）闭环极点的分布系统的闭环传递函数为:于是可得闭环极点的分布p1,2=-0.743±j1.12，p3=-5.515。这些极点的实部之比为可见在三个极点中P3远离虚轴，故P1,2可视为系统的一对闭环主导极点。2023/7/23（2）系统暂态性能的估算忽略非主导极点P3的影响，于是系统的闭环传递函数可简化为根据二阶规范系统的暂态性能指标表达式，则可估算系统的暂态性能如下：（取)式中，2023/7/23（3）主导极点法的工程实用意义对高阶系统进行初步分析或设计时，应用主导极点法将系统简化为与主导极点相对应的低阶系统来处理，这在工程上是很有实用的价值。一般说来，主导极点的主导性越强，近似所造成的误差就越小。以本题为例，将系统的闭环传递函数改写成下列一般的形式：2023/7/232023/7/23三阶系统的单位阶跃响应1.