第三章自动控制系统的时域分析型精选PPT.ppt
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1、第三章自动控制系统的时域分析型第1页,本讲稿共62页3.1 稳定性和代数稳定判据稳定性和代数稳定判据 j0稳定区域不稳定区域S平面判别系统稳定性的基本方法:判别系统稳定性的基本方法:(1)劳斯判据劳斯判据 (2)根轨迹法根轨迹法 (3)奈奎斯特判据奈奎斯特判据 (4)李雅普诺夫第二方法李雅普诺夫第二方法 线性系统稳定的充分必要条件:线性系统稳定的充分必要条件:闭环系统特征方程的所有根都闭环系统特征方程的所有根都具有负实部。具有负实部。3.1.1 稳定性概念稳定性概念 系统工作在平衡状态,受到扰动偏离了平衡状态,扰动消系统工作在平衡状态,受到扰动偏离了平衡状态,扰动消失之后,系统又恢复到平衡状态
2、,称系统是稳定的。稳定性只失之后,系统又恢复到平衡状态,称系统是稳定的。稳定性只由结构、参数决定,与初始条件及外作用无关。由结构、参数决定,与初始条件及外作用无关。设初始条件为零时,作用一理想脉冲信号到一线性系统,这相当于给系统加了一扰动信号。若 ,则系统稳定。第2页,本讲稿共62页 线性系统特征方程为:线性系统特征方程为:3.1.2 劳斯判据劳斯判据系统闭环稳定的必要条件系统闭环稳定的必要条件:特征方程各项系数均存在且大于零,即特征方程各项系数均存在且大于零,即 ai0。列劳斯表列劳斯表:第3页,本讲稿共62页 当劳斯表中第一列的所有数都当劳斯表中第一列的所有数都大于零大于零时,系统时,系统
3、稳定稳定;反之,;反之,如果第一列出现如果第一列出现小于零小于零的数时,系统就的数时,系统就不稳定不稳定。第一列各系数符。第一列各系数符号的改变号的改变次数次数,代表特征方程的正实部根的,代表特征方程的正实部根的个数个数。3.4.3 劳斯判据的应用劳斯判据的应用判定系统的稳定性和根的分布情况判定系统的稳定性和根的分布情况例例3.1 设系统特征方程为设系统特征方程为s4+2s3+3s2+4s+5=0;试用劳斯稳定判据试用劳斯稳定判据 判别系统稳定性。判别系统稳定性。系统稳定的充要条件:系统稳定的充要条件:特征方程的全部系数都大于零,劳斯表的第一列元素都大于零特征方程的全部系数都大于零,劳斯表的第
4、一列元素都大于零l注意两种特殊情况的处理:注意两种特殊情况的处理:例例3.2 设系统特征方程为设系统特征方程为s4+s3+3s2+3s+2=0,试用劳斯稳定判据,试用劳斯稳定判据 判断系统的稳定性。判断系统的稳定性。第4页,本讲稿共62页例例3.3 设系统特征方程为设系统特征方程为s5+s4+3s3+3s2+2s+2=0,试用劳斯稳定,试用劳斯稳定 判据判断系统的稳定性。判据判断系统的稳定性。分析系统参数变化对稳定性的影响:分析系统参数变化对稳定性的影响:利用劳斯判据可以确定系统的个别参数变化对稳定性的影利用劳斯判据可以确定系统的个别参数变化对稳定性的影响,以及为使系统稳定,这些参数的取值范围
5、。响,以及为使系统稳定,这些参数的取值范围。例3.4 已知某单位负反馈系统开环传递函数,试确定使系统稳定的k的取值范围及临界放大系数kp。2)当劳斯表中)当劳斯表中出现全零行出现全零行时,用上一行的系数构成一个辅助方时,用上一行的系数构成一个辅助方程,对辅助方程求导,用所得方程的系数代替全零行。说明系统程,对辅助方程求导,用所得方程的系数代替全零行。说明系统有对称于原点的根,系统不稳定或临界稳定。有对称于原点的根,系统不稳定或临界稳定。1)某行的第一列项为0,而其余各项不为0或不全为0。用趋于零的正数代替零元素,然后对新特征方程应用劳斯判据。第5页,本讲稿共62页对结构不稳定系统进行改进措施对
6、结构不稳定系统进行改进措施 确定系统的相对稳定性:以特征方程最靠近虚轴的根和虚轴的距离 来表征系统的相对稳定性(稳定裕度)。j0s平面z平面做法:以s=z-带入原系统的特征方程,对z变量应用劳斯判据。例例3.5 对于例对于例3-4所示系统,若要使系统具有所示系统,若要使系统具有 以上的稳定裕度,试确以上的稳定裕度,试确定定K的取值范围。的取值范围。1.定义:仅仅通过调整参数无法稳定的系统称为结构定义:仅仅通过调整参数无法稳定的系统称为结构 不稳定系统。不稳定系统。C(s)R(s)-第6页,本讲稿共62页2.改进措施:1)改变积分环节的性质-2)引入比例微分环节引入比例微分环节C(s)R(s)-
7、第7页,本讲稿共62页3.2 典型输入信号和阶跃响应性能指标典型输入信号和阶跃响应性能指标3.2.1 典型输入信号典型输入信号系统的时间响应,由系统的时间响应,由过渡过渡过程和过程和稳态稳态过程两部分组成。过程两部分组成。过渡过程:过渡过程:指系统在典型输入信号作用下,系统输出量从初始状态到指系统在典型输入信号作用下,系统输出量从初始状态到最终状态的响应过程。又称动态过程、瞬态过程。最终状态的响应过程。又称动态过程、瞬态过程。稳态过程:稳态过程:指系统在典型输入信号作用下,当时间指系统在典型输入信号作用下,当时间t趋于无穷时,系统输出趋于无穷时,系统输出量的表现形式。量的表现形式。相应地,性能
8、指标分为相应地,性能指标分为动态动态指标和指标和稳态稳态指标。指标。典型输入信号典型输入信号:单位阶跃:单位阶跃、单位斜坡、单位斜坡、单位脉冲、单位脉冲、单位加速度、单位加速度、正弦正弦 典型时间响应典型时间响应:单位阶跃响应:单位阶跃响应、单位斜坡响应、单位斜坡响应、单位脉冲响应、单位脉冲响应、单位、单位加速度响应加速度响应第8页,本讲稿共62页v v动态性能动态性能动态性能动态性能 1.延迟时间延迟时间td:响应:响应曲线第一次达到其终值曲线第一次达到其终值一半所需时间。一半所需时间。2.上升时间上升时间tr:指输出响应:指输出响应 第一次到达稳态值的时间;第一次到达稳态值的时间;3.峰值
9、时间峰值时间tp:响应超过其终值到达第一个峰值所需时间。:响应超过其终值到达第一个峰值所需时间。4.调节时间调节时间ts:响应到达并保持在误差带内所需的最小时间,:响应到达并保持在误差带内所需的最小时间,通常取通常取0.05c(0.05c()或或0.02c(0.02c()为误为误差差带带。5.最大超调量最大超调量%:响应的最大偏离量:响应的最大偏离量h(tp)与终值与终值h()之差之差的百分比,即的百分比,即tv稳态性能:稳态性能:3.2.2 阶跃响应性能指标由稳态误差由稳态误差ess描述。描述。tr0.5 c()c(t)td tp0c()ts稳态误差cmax第9页,本讲稿共62页3.3 一阶
10、系统的时域分析一阶系统的时域分析3.3.1 一阶系统的阶跃响应一阶系统的阶跃响应传递函数为 为了研究的方便令k=1。R(s)C(s)(-)定义定义 控制系统的传递函数的分母阶次为控制系统的传递函数的分母阶次为1时,称为一阶系统。时,称为一阶系统。R(s)C(s)(-)阶跃响应及特点阶跃响应及特点输入输入r(t)=1(t)时时第10页,本讲稿共62页调节时间:调节时间:ts=3T(=0.05)或或 ts=4T(=0.02)c(t)0.6320.8650.950.9820 t/T123413.3.2 一阶系统的性能指标一阶系统的性能指标特点:1)可以用时间常数T去度量系统的输出量的数值;2)瞬态响
11、应曲线初始斜率为1;3)无超调;稳态误差ess=0。第11页,本讲稿共62页3.4 二阶系统的时域分析二阶系统的时域分析闭环标准形式3.4.1 二阶系统的瞬态响应二阶系统的瞬态响应定义:定义:控制系统传递函数分母的阶次为控制系统传递函数分母的阶次为2,称为二阶系统。,称为二阶系统。R(s)C(s)(-)其中:其中:n n 自然频率;自然频率;阻尼比。阻尼比。R(s)C(s)(-)开环标准形式第12页,本讲稿共62页瞬态响应单位阶跃函数作用下,二阶系统的响应拉氏变换1)无阻尼无阻尼无阻尼无阻尼二阶系统二阶系统 (即(即=0 时)时)jjn-jn 0此时系统有两个纯虚根:此时系统有两个纯虚根:-s
12、1,2=j n 瞬态响应:瞬态响应:瞬态响应为一条不衰减的等幅余弦振荡曲线。瞬态响应为一条不衰减的等幅余弦振荡曲线。第13页,本讲稿共62页2)欠阻尼欠阻尼欠阻尼欠阻尼二阶系统二阶系统 (即即01 时)时)j 00123456789101112nt c(t)0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0=00.10.20.30.40.50.60.70.81.02.0第15页,本讲稿共62页3.4.2 二阶系统的动态性能指标二阶系统的动态性能指标单位单位阶跃响应超过稳态值达到第一个峰值所需要的时间。阶跃响应超过稳态值达到第一个峰值所需要的时间。阶跃响应从零第一次升到稳态所需的的时间
13、。阶跃响应从零第一次升到稳态所需的的时间。欠阻尼系统的动态性能指标欠阻尼系统的动态性能指标 上升时间 tr 峰值时间 tp单位阶跃响应 即即 得得 由由 得得 此时此时第16页,本讲稿共62页单位单位阶跃响应中最大超出量与稳态值之比。阶跃响应中最大超出量与稳态值之比。超调量%由由得:得:第17页,本讲稿共62页单位单位阶跃响应进入阶跃响应进入 误差带的最小时间。误差带的最小时间。调节时间 ts 有有 根据定义根据定义 因因 则则 c(t)t01包络线 工程上通常用工程上通常用包络线代替包络线代替 实际曲线来估算。实际曲线来估算。欠阻尼二阶系统的一对包络线如右图:第18页,本讲稿共62页(=2%
14、时)(=5%时)第19页,本讲稿共62页 过阻尼系统的动态性能指标超调量为零,用超调量为零,用ts描描述动态性能。述动态性能。l临界阻尼是非振荡临界阻尼是非振荡响应过程中具有最小响应过程中具有最小调节时间的情况。调节时间的情况。第20页,本讲稿共62页3.4.3 二阶系统的动态性能指标和系统参数的关系二阶系统的动态性能指标和系统参数的关系例3.6 试讨论下图所示系统的动态性能指标同结构参数的关系。R(s)C(s)(-)例3.7 对于上图所示系统,若已知 .试求(1)系统的动态性能指标 .(2)若欲使 ,但保持 不变时,K0应取何值?由惯性环节和积分环节构成的二阶系统由惯性环节和积分环节构成的二
15、阶系统例3.8 讨论图示系统速度负反馈对动态性能的影响;设 ,欲使 ,应如何取值?R(s)C(s)-第21页,本讲稿共62页由双惯性环节构成的二阶系统例例3.8 下图为由两个惯性环节构成的二阶系统,试讨论当下图为由两个惯性环节构成的二阶系统,试讨论当k01=5和和k01=25时系统的动态性能。时系统的动态性能。R(s)C(s)(-)例3.9 图示某单位负反馈二阶系统的单位阶跃响应曲线,已知 ,试确定其开环传递函数。0t(s)0.951.37*0.955c(t)第22页,本讲稿共62页3.4.4 具有零点的二阶系统分析闭环零点对系统的影响闭环零点对系统的影响峰值时间提前、超调增大、峰值时间提前、
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