《时域响应课稿》PPT课件.ppt

第三章第三章 线性系统的时域分析法线性系统的时域分析法3.1 典型输入信号和时域典型输入信号和时域指标指标3.2 一阶系统的时域响应一阶系统的时域响应3.3 二阶系统的时域响应二阶系统的时域响应3.4 高阶系统分析高阶系统分析3.5 稳定性分析稳定性分析3.6 稳态误差分析稳态误差分析1 分析和设计控制系统的首要工作是确定系统的数分析和设计控制系统的首要工作是确定系统的数模，一旦获得系统的数学模型，就可以采用几种不同模，一旦获得系统的数学模型，就可以采用几种不同的方法去分析系统的性能。的方法去分析系统的性能。线性系统：线性系统：3.1典型输入信号和时域指标典型输入信号和时域指标时域分析法，时域分析法，根轨迹法，根轨迹法，频率法频率法 非线性系统：非线性系统：多输入多输出系统：多输入多输出系统：描述函数法描述函数法，相平面法相平面法 采样系统：采样系统：z z变换法变换法状态空间法状态空间法2对线性系统，时域分析法的要点是：对线性系统，时域分析法的要点是：（1）建立数模（微分方程式，传递函数）建立数模（微分方程式，传递函数）（2）选择合适的输入函数（）选择合适的输入函数（典型信号典型信号）。取决）。取决于系统常见工作状态，同时，在所有的可能的输入于系统常见工作状态，同时，在所有的可能的输入信号中，选取最不利的信号作为系统的典型输入信信号中，选取最不利的信号作为系统的典型输入信号。号。（3）求出系统输出随时间变化的关系）求出系统输出随时间变化的关系 C(s)=G(s)R(s)c(t)=L1C(s)（4）根据时间响应确定系统的性能，包括稳定）根据时间响应确定系统的性能，包括稳定性快速性和准确性等方面指标，看这些指标是否符性快速性和准确性等方面指标，看这些指标是否符合生产工艺的要求。合生产工艺的要求。3目前，常用的典型外作用有以下几种：目前，常用的典型外作用有以下几种：（2）单单位斜坡函数位斜坡函数 其数学表达式其数学表达式为为（3）单单位脉冲函数位脉冲函数 其数学表达式其数学表达式为为（1）单单位位阶跃阶跃函数函数 其数学表达式其数学表达式为为t 1(t)01t f(t)0t (t)04（4）单单位匀加速函数位匀加速函数其数学表达式其数学表达式为为（5）正弦函数）正弦函数其数学表达式其数学表达式为为 f(t)=Asint t f(t)0t f(t)05任何一个实际控制系统的时间响应，都由过渡过程任何一个实际控制系统的时间响应，都由过渡过程和稳态过程两部分组成和稳态过程两部分组成:（2）稳态过程：时间）稳态过程：时间 t 趋于无穷大时的响应过程，稳态趋于无穷大时的响应过程，稳态过程表征输出量最复现输入量的程度，用稳态性能描述。过程表征输出量最复现输入量的程度，用稳态性能描述。（1）过渡过程：系统从刚加入输入信号后，到系统输过渡过程：系统从刚加入输入信号后，到系统输出量达到稳态值前的响应过程，称为过渡过程或动态出量达到稳态值前的响应过程，称为过渡过程或动态过程。过程。在这一期间，由于系统具有惯性、摩擦以及其它在这一期间，由于系统具有惯性、摩擦以及其它一些原因，输出量不可能完全复现输入量的变化。根一些原因，输出量不可能完全复现输入量的变化。根据结构和参数选择情况，过渡过程表现为衰减、发散据结构和参数选择情况，过渡过程表现为衰减、发散或等幅振荡形式，或等幅振荡形式，如图所示如图所示。显然，一个可以运行的。显然，一个可以运行的控制系统，其过渡过程必须是衰减的（稳定的）。控制系统，其过渡过程必须是衰减的（稳定的）。6c(t)t 0c(t)t 0c(t)t 07 用用tr,tp,p,ts 四个性能指标来衡量瞬态响应的好坏。四个性能指标来衡量瞬态响应的好坏。pc(t)t 010.50.05或或0.02tr tp tstd8凡是可用一阶微分方程描述的系统，称为一阶系统。凡是可用一阶微分方程描述的系统，称为一阶系统。TRC，时间常数。，时间常数。其典型结构图及传递函数为：其典型结构图及传递函数为：3.2 一阶系统的时域分析一阶系统的时域分析 R C r(t)c(t)1Ts+R(s)C(s)9tc(t)T 2T 3T 4T 当输入信号当输入信号r(t)=1(t)时，系统的响应时，系统的响应c(t)称作其单位阶称作其单位阶跃响应。跃响应。3.2.1 3.2.1 单位阶跃响应单位阶跃响应单位阶跃响应单位阶跃响应 响应曲线在响应曲线在0，）的时间区间中始终不会的时间区间中始终不会超过其稳态值，把这样超过其稳态值，把这样的响应称为非周期响应。的响应称为非周期响应。0.6320.950.9820.8651.010一阶系统的瞬态响应指标调整时间一阶系统的瞬态响应指标调整时间ts 定义：定义：c(ts)1=(取取5%或或2%)一阶系统响应具备一阶系统响应具备两个重要的特点：两个重要的特点：可以用时间常数可以用时间常数T去度量系统输出量的去度量系统输出量的数值。数值。响应曲线的初始响应曲线的初始斜率等于斜率等于1/T。T 2T 3T 4T tc(t)0.6320.950.9820.8651.0113.2.2 3.2.2 单位斜坡响应单位斜坡响应单位斜坡响应单位斜坡响应 r(t)=t tc(t)0r(t)=tc(t)=t T+Tet/T 稳态响应是一个与输入斜坡函数斜率相同但在时间上稳态响应是一个与输入斜坡函数斜率相同但在时间上迟后了一个时间常数迟后了一个时间常数T的斜坡函数。的斜坡函数。TT12 表明过渡过程结束后，其稳态输出与单位斜坡输表明过渡过程结束后，其稳态输出与单位斜坡输入之间，在位置上仍有误差，一般叫做跟踪误差。入之间，在位置上仍有误差，一般叫做跟踪误差。比较阶跃响应曲线和斜坡响应曲线：比较阶跃响应曲线和斜坡响应曲线：在阶跃响应中，输出量与输入量之间的位置误差随时间而在阶跃响应中，输出量与输入量之间的位置误差随时间而减小，最终趋于减小，最终趋于0 0，而在初始状态下，位置误差最大，响应曲线，而在初始状态下，位置误差最大，响应曲线的斜率也最大；的斜率也最大；在斜坡响应中，输出量与输入量之间的位置误差随时间而在斜坡响应中，输出量与输入量之间的位置误差随时间而增大，最终趋于常值增大，最终趋于常值T T，在初始状态下，位置误差和响应曲线的，在初始状态下，位置误差和响应曲线的斜率均等于斜率均等于0 0。其原因在稳态误差的计算中说明。其原因在稳态误差的计算中说明。0 tc(t)1.0tc(t)0r(t)=tTT13单位脉冲响应单位脉冲响应单位脉冲响应单位脉冲响应 R(s)=1 它恰是系统的闭环传函，这它恰是系统的闭环传函，这时输出称为脉冲响应函数，以时输出称为脉冲响应函数，以h(t)标志。标志。求系统闭环传函提供了实验方法，以单位脉冲输入信号作用求系统闭环传函提供了实验方法，以单位脉冲输入信号作用于系统，测定出系统的单位脉冲响应，可以得到闭环传函。于系统，测定出系统的单位脉冲响应，可以得到闭环传函。对应对应T 2T 3Tth(t)01/T0.368/T0.135/T0.05/T14线性定常系统的重要性质线性定常系统的重要性质 2.在零初始条件下，当系统输入信号为原来输入信在零初始条件下，当系统输入信号为原来输入信号时间的积分时，系统的输出则为原来输出对时间的号时间的积分时，系统的输出则为原来输出对时间的积分，积分常数由零初始条件决定。积分，积分常数由零初始条件决定。1.当系统输入信号为原来输入信号的导数时，这时当系统输入信号为原来输入信号的导数时，这时系统的输出则为原来输出的导数。系统的输出则为原来输出的导数。15二阶系统二阶系统单位阶跃响应单位阶跃响应单位阶跃响应单位阶跃响应1.1.二阶系统的数学模型二阶系统的数学模型二阶系统的数学模型二阶系统的数学模型标准化二阶系统的结构图为：标准化二阶系统的结构图为：闭环传递函数为闭环传递函数为 二阶系统有两个结构参数二阶系统有两个结构参数 (阻尼比阻尼比)和和 n(无阻尼振荡频率无阻尼振荡频率)。二阶系统的性能分析和描述，都是用这两个参数表示的。二阶系统的性能分析和描述，都是用这两个参数表示的。3.3 二阶系统的时域分析二阶系统的时域分析s(s+2 n)R(s)C(s)n2 +16微分方程式为：微分方程式为：对于不同的二阶系统，阻尼比和无阻尼振荡频率的对于不同的二阶系统，阻尼比和无阻尼振荡频率的含义是不同的。含义是不同的。例如例如RLC电路电路RCr(t)c(t)L17 j 02 2二阶系统的闭环极点二阶系统的闭环极点二阶系统的闭环极点二阶系统的闭环极点二阶系统的闭环特征方程，即二阶系统的闭环特征方程，即 s 2+2 n s+n2=0其两个特征根为：其两个特征根为：上述二阶系统的特征根表达式中，随着阻尼比上述二阶系统的特征根表达式中，随着阻尼比 的的不同取值，特征根有不同类型的值，或者说在不同取值，特征根有不同类型的值，或者说在s平面上平面上有不同的分布规律。分述如下：有不同的分布规律。分述如下：s1s2(1)1 时，特征根为一对时，特征根为一对不等值的负实根，位于不等值的负实根，位于s 平平面的负实轴上，使得系统面的负实轴上，使得系统的响应表现为过阻尼的。的响应表现为过阻尼的。18(3)0 1 时，特征根为一对具有负实部的共轭复根，时，特征根为一对具有负实部的共轭复根，位于位于s平面的左半平面上，使得系统的响应表现为欠阻平面的左半平面上，使得系统的响应表现为欠阻 尼的。尼的。(2)=1时，特征根为一对等值的负实根，位于时，特征根为一对等值的负实根，位于s 平面的平面的负实轴上，使得系统的响应表现为临界阻尼的。负实轴上，使得系统的响应表现为临界阻尼的。j 0s1=s2=n ns1s2 j d n j 019 j 0 (4)=0 时，特征根为一对幅值相等的虚根，位时，特征根为一对幅值相等的虚根，位于于s平面的虚轴上，使得系统的响应表现为无阻尼的平面的虚轴上，使得系统的响应表现为无阻尼的等幅振荡过程。等幅振荡过程。j n j 0 (5)0)c(t)t 01c(t)t 024（2 2）临界阻尼情况）临界阻尼情况 s1,2=n 此时响应是稳态值为此时响应是稳态值为1 的非周期上升过程，其变化率的非周期上升过程，其变化率t=0，变化率为，变化率为0；t 0变化率为正，变化率为正，c(t)单调上升；单调上升；t ，变化率趋于，变化率趋于0。整个过程不出现振荡。整个过程不出现振荡。tc(t)0125（3 3）过阻尼情况）过阻尼情况 响应特性包含两个单调衰减的指数项，且它们的代数响应特性包含两个单调衰减的指数项，且它们的代数和不会超过和不会超过1，因而响应是非振荡的。（，因而响应是非振荡的。（不同于一阶系统不同于一阶系统）26横坐标横坐标 nt，曲线只是，曲线只是 的函数。的函数。=0,0.1,0.2,0.4,0.6,0.8,1,227 p3.3.2 3.3.2 欠阻尼欠阻尼二阶系统的动态性能指标二阶系统的动态性能指标二阶系统的动态性能指标二阶系统的动态性能指标 用用tr,tp,p,ts 四个性能指标来衡量瞬态响应的好坏。四个性能指标来衡量瞬态响应的好坏。c(t)t 010.50.05或或0.02tr tp tstd28(1)上升时间上升时间tr：从零上升至第一次到达稳态值所需：从零上升至第一次到达稳态值所需的时间，是系统响应速度的一种度量。的时间，是系统响应速度的一种度量。tr 越小，响应越小，响应越快。越快。(2)峰值时间峰值时间tp：响应超过稳态值，到达第一个峰值所：响应超过稳态值，到达第一个峰值所需的时间。需的时间。29(3)超调量超调量 p：响应曲线偏离阶跃曲线最大值，用百分：响应曲线偏离阶跃曲线最大值，用百分比表示。比表示。30 p只是只是 的函数，其大小与自然频率的函数，其大小与自然频率 n无关无关。=0.2 p=52.7%=0.4 p=25.4%=0.6 p=9.5%=0.707 p=4.3%p (4)调节时间调节时间ts：响应曲线衰减到与稳态值之差不超过：响应曲线衰减到与稳态值之差不超过5%所需要的时间。所需要的时间。c(t)c()c()(t ts)31 工程上，当工程上，当0.1 0.9 时，通常用下列二式近似计时，通常用下列二式近似计算调节时间。算调节时间。=5%=2%32总结：总结：各性能指标之间是有矛盾的。各性能指标之间是有矛盾的。(1)n 一定，使一定，使tr tp 使使 ts (一定范围一定范围)必须必须必须必须必须(2)一定，使一定，使 tr tp ts n (3)p 只由只由 决定决定必须必须33例例3-1单位负反馈随动系统如图所示单位负反馈随动系统如图所示(1)确定系统特征参数与实际参数的关系确定系统特征参数与实际参数的关系。(2)若若K=16(rad/s)、T=0.25(s)，试计算系统的动态性试计算系统的动态性能指标。能指标。解解:(1)系统的闭环传递函数为系统的闭环传递函数为与典型二阶系统比较可得：与典型二阶系统比较可得：K/T=n2 1/T=2 ns(Ts+1)R(s)C(s)K+34(2)K=16，T=0.25时时(=0.05)35例例3-2 已知单位负反馈系统已知单位负反馈系统的单位阶跃响应曲线如图的单位阶跃响应曲线如图所示，试求系统的开环传所示，试求系统的开环传递函数。递函数。解：由系统的单位阶跃响应曲线，解：由系统的单位阶跃响应曲线，直接求出超调量和峰值时间。直接求出超调量和峰值时间。p=30%tp=0.1求解上述二式，得到求解上述二式，得到 =0.357，n=33.6(rad/s)。于是二阶系统的开环传递函数为于是二阶系统的开环传递函数为1c(t)t 01.30.136s(s+2n)R(s)C(s)n2+二阶系统性能的改善二阶系统性能的改善二阶系统性能的改善二阶系统性能的改善1.1.误差的比例微分控制误差的比例微分控制具有误差比例微分控制的二阶系统如图所示具有误差比例微分控制的二阶系统如图所示系统的开环传递函数为系统的开环传递函数为闭环传递函数为闭环传递函数为Td s+式中式中 d 为系统的有效阻尼比。为系统的有效阻尼比。37 比例微分控制的二阶系统有时称为有零点的二阶系比例微分控制的二阶系统有时称为有零点的二阶系统。与没有零点的二阶系统相比，超调量会增大一些。统。与没有零点的二阶系统相比，超调量会增大一些。t01c(t)c1(t)上式表明，比例微分控制的二阶系统不改变系统的自然频率，上式表明，比例微分控制的二阶系统不改变系统的自然频率，但是可以但是可以增大系统的有效阻尼比增大系统的有效阻尼比增大系统的有效阻尼比增大系统的有效阻尼比以抑制振荡。此时，相当于为系统以抑制振荡。此时，相当于为系统增加了一个闭环零点。若增加了一个闭环零点。若令令Z=1/Td，上式可以表示为，上式可以表示为 c1(t)有零有零点的二阶系统。点的二阶系统。c(t)没有零没有零点的二阶系统。点的二阶系统。38(2)(1)39s(s+2 n)R(s)C(s)n2+系统的闭环传递函数为：系统的闭环传递函数为：式中式中 为系统的有效阻尼比。为系统的有效阻尼比。2.2.输出量的速度反馈控制输出量的速度反馈控制 显然，输出量的速度反馈控制也可以在不改变系统的自然显然，输出量的速度反馈控制也可以在不改变系统的自然频率基础上，增大系统的有效阻尼比，减小超调量。频率基础上，增大系统的有效阻尼比，减小超调量。Kf s+40与比例微分控制不同的是，输出量的速度反馈控制没与比例微分控制不同的是，输出量的速度反馈控制没有附加零点的影响，两者对系统动态性能的改善程度有附加零点的影响，两者对系统动态性能的改善程度是不同的。是不同的。3.3.两种控制方案的比较两种控制方案的比较 都为系统提供了一个参数选择的自由度，兼顾了都为系统提供了一个参数选择的自由度，兼顾了系统响应的快速性和平稳性。但是，二者改善系统性系统响应的快速性和平稳性。但是，二者改善系统性能的机理及其应用场合是不同的。简述如下：能的机理及其应用场合是不同的。简述如下：（1）微分控制的附加阻尼作用产生于系统输入端）微分控制的附加阻尼作用产生于系统输入端误差信号的变化率，而速度反馈控制的附加阻尼作用误差信号的变化率，而速度反馈控制的附加阻尼作用来源于系统输出量的变化率。来源于系统输出量的变化率。微分控制为系统提供了一个实零点，可以缩短系微分控制为系统提供了一个实零点，可以缩短系统的初始响应时间，但在相同阻尼程度下，将比速度统的初始响应时间，但在相同阻尼程度下，将比速度反馈控制产生更大的阶跃响应超调量。反馈控制产生更大的阶跃响应超调量。41 (2)比例控制位于系统的输入端，微分作用对输比例控制位于系统的输入端，微分作用对输入噪声有明显的放大作用。当输入端噪声严重时，不入噪声有明显的放大作用。当输入端噪声严重时，不宜选用比例微分控制。同时，由于微分器的输入信宜选用比例微分控制。同时，由于微分器的输入信号是低能量的误差信号，要求比例微分控制具有足号是低能量的误差信号，要求比例微分控制具有足够的放大作用，为了不明显恶化信噪比，需选用高质够的放大作用，为了不明显恶化信噪比，需选用高质量的前置放大器。量的前置放大器。输出速度反馈控制，是从高能量的输出端向低能输出速度反馈控制，是从高能量的输出端向低能量的输入端传递信号，无需增设放大器，并对输入端量的输入端传递信号，无需增设放大器，并对输入端噪声有滤波作用，适合于任何输出可测的控制场合。噪声有滤波作用，适合于任何输出可测的控制场合。42G(s)，H(s)一般是复变量一般是复变量s 的多项式之比，故上式可记为的多项式之比，故上式可记为3.4高阶系统的时域分析高阶系统的时域分析高阶系统的阶跃响应高阶系统的阶跃响应高阶系统的阶跃响应高阶系统的阶跃响应控制系统的基本结构如图所示。控制系统的基本结构如图所示。其闭环传递函数为其闭环传递函数为G(s)R(s)C(s)+H(s)43式中式中0 k 1。即系统有。即系统有q 个实极点和个实极点和r 对共轭复数极点。对共轭复数极点。取拉氏变换，并设全部初始条件为零，得到系统单位阶取拉氏变换，并设全部初始条件为零，得到系统单位阶跃响应的时间表达式：跃响应的时间表达式：根据能量的有限性，分子多项式的阶次根据能量的有限性，分子多项式的阶次m不高于分母不高于分母多项式的阶次多项式的阶次n。对上式进行因式分解，可以表示为。对上式进行因式分解，可以表示为44 上式表明，如果系统的所有闭环极点都具有负实部，上式表明，如果系统的所有闭环极点都具有负实部，系统时间响应的各暂态分量都将随时间的增长而趋近于系统时间响应的各暂态分量都将随时间的增长而趋近于零，这时称高阶系统是稳定的。零，这时称高阶系统是稳定的。闭环主导极点闭环主导极点闭环主导极点闭环主导极点 1）高阶系统瞬态响应各分量的衰减快慢由高阶系统瞬态响应各分量的衰减快慢由 pi，k n决定，也即闭环极点负实部的绝对值越大，相应的决定，也即闭环极点负实部的绝对值越大，相应的分量衰减越快。分量衰减越快。2）各分量所对应的系数由）各分量所对应的系数由系统的零极点分布决定。系统的零极点分布决定。当某一极点越靠近零点，而远离其他极点和原点，当某一极点越靠近零点，而远离其他极点和原点，则相应系数越小，该瞬态分量的影响就越小；则相应系数越小，该瞬态分量的影响就越小；式中式中 ；k=arccos k；Ak、Bk是与是与C(s)在对应闭环极点上的留数有关的常数在对应闭环极点上的留数有关的常数。45 当某一极点远离零点，越靠近其他极点和原点，则当某一极点远离零点，越靠近其他极点和原点，则相应系数越大，该瞬态分量的影响就越大；相应系数越大，该瞬态分量的影响就越大；一个零点和一个极点距离非常近，把这一对零极一个零点和一个极点距离非常近，把这一对零极点称为偶极子。点称为偶极子。3）系统的）系统的零极点共同决定了系统瞬态响应曲线的零极点共同决定了系统瞬态响应曲线的形状。形状。根据上述，把根据上述，把系数很小的分量系数很小的分量系数很小的分量系数很小的分量，远离虚轴衰减很快远离虚轴衰减很快远离虚轴衰减很快远离虚轴衰减很快的分量的分量的分量的分量常常忽略，高阶系统就可用低阶系统来近似估计。常常忽略，高阶系统就可用低阶系统来近似估计。4）对系统瞬态响应起主导作用的极点，称为）对系统瞬态响应起主导作用的极点，称为主导主导主导主导极点。极点。极点。极点。应用闭环主导极点的概念，可以把一些高阶系统近似为一阶应用闭环主导极点的概念，可以把一些高阶系统近似为一阶或二阶系统，以实现对高阶系统动态性能的近似评估。或二阶系统，以实现对高阶系统动态性能的近似评估。46 一般情况，高阶系统具有振荡性，所以主导极点常一般情况，高阶系统具有振荡性，所以主导极点常常是一对共轭复数极点。找到了一对共轭复数极点，高常是一对共轭复数极点。找到了一对共轭复数极点，高阶系统的动态性能就可以应用二阶系统的性能指标来近阶系统的动态性能就可以应用二阶系统的性能指标来近似估计。似估计。47试求阶跃响应。试求阶跃响应。解：解：c(t)=1 1.1e t+0.11e 10t 1 1.1e t主导极点是主导极点是 s=1，这时系，这时系统传递函数近似为统传递函数近似为t c(t)01例例3-3 已知闭环传递函数为已知闭环传递函数为4849例例3-4 已知闭环传递函数为已知闭环传递函数为试求阶跃响应。试求阶跃响应。解：解：j 0 1 10 1.25 c(t)=1 0.22e t 0.78e 10t50t c(t)01 0.22 0.78 0.78e 10t 0.22e t （1）零点不影响系统动态响应分量的个数，也不影响系统的稳）零点不影响系统动态响应分量的个数，也不影响系统的稳定性；定性；（2）零点改变了系统动态响应的形状；）零点改变了系统动态响应的形状；（3）过渡过程要快。零点起微分加快作用。）过渡过程要快。零点起微分加快作用。51 零极点分布对系统动态响应的影响零极点分布对系统动态响应的影响:1）极点决定系统固有运动属性。）极点决定系统固有运动属性。2）零点决定运动模态的比重。）零点决定运动模态的比重。3）若闭环零、极点离虚轴较远，则对系统的动态性）若闭环零、极点离虚轴较远，则对系统的动态性能影响不大。反之，则影响较大。能影响不大。反之，则影响较大。4）增加闭环零点，将会提高系统的响应速度。闭环）增加闭环零点，将会提高系统的响应速度。闭环零点越靠近虚轴，这种作用将会越显著。零点越靠近虚轴，这种作用将会越显著。5）增加闭环极点，将会延缓系统的动态响应，也即）增加闭环极点，将会延缓系统的动态响应，也即响应速度变慢。且离虚轴愈近，其作用愈显著。响应速度变慢。且离虚轴愈近，其作用愈显著。52