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1、1,第3章 时域分析法,31 时域分析基础,32 一、二阶系统分析与计算,33 系统稳定性分析,34 稳态误差分析计算,2,特征方程的两个根(闭环极点),课程回顾(1),3-2-2二阶系统的数学模型及单位阶跃响应,3, 1时,(过阻尼) S1 ,S2 为一对不等的负实数根。, = 1时,(临界阻尼) S1 ,S2 为一对相等的负实数根。,响应与一阶系统相似,没有超调,但调节速度慢;,响应是没有超调,具有没有超调中最快的响应速度;,课程回顾(2),4, 当=0时,(无阻尼,零阻尼) S1 ,S2 为一对幅值相等的虚根。,响应曲线是等幅振荡;,课程回顾(3), 01时,(欠阻尼) S1 ,S2 为
2、一对具有负实部的共轭复根。,虽然响应有超调,但上升速度较快,调节时间也较短。合理选择的取值,使系统具有满意的响应快速性和平稳性。,5,课程小结(4),工程上有时把阻尼比=0.707称为最佳阻尼比。实际设计中,一般取 = 0.40.8的欠阻尼状态下。此时,系统在具有适度振荡特性的情况下,能有较短的过渡过程时间。,小结: ) 二阶系统正常工作的基本条件是 0 ;而0系统不稳定; ) 当 1时,其阶跃响应曲线是单调上升的(即非周期性的);)当01时,其阶跃响应曲线是振荡衰减的(即具周期性)。, 当0时,(负阻尼) S1 ,S2 为一对不等的负实数根。,响应是发散的,系统不能正常工作;,6,欠阻尼二阶
3、系统单位阶跃响应性能指标,1.上升时间 :令 ,则,所以:,由上式可见,如欲减小tr,当一定时,需增大n,反之,若n一定时,则需减小。,7,2.峰值时间:,根据极值定理有:,按定义取n=1得:,8,3.超调量:,将峰值时间 代入下式,得:,所以:,9,4.调节时间,写出调节时间的表达式相当困难。在分析设计系统十,经常采用下列近似公式。,当阻尼比 时,10,除了一些不允许产生振荡的系统外,通常希望二阶系统工作在=0.40.8的欠阻尼状态下。此时,系统在具有适度振荡特性的情况下,能有较短的过渡过程时间,因此有关性能指标的定义和定量关系的推导,主要是针对二阶系统的欠阻尼工作状态进行的。 要使二阶系统
4、具有满意的动态性能,必须选取合适的阻尼比和无阻尼自振荡率。通常可根据系统对超调量的限制要求选定 ,然后在根据其它要求来确定 n 。,实际设计中,一般取 = 0.4 0.8。其中以 = 0.707时为最佳阻尼。,11,欠阻尼二阶系统动态性能分析与计算,n,-n,0 1时:,(0 0.8),12,三、二阶系统举例,例3-3设位置随动系统,其结构图如图所示,当给定输入为单位阶跃时,试计算放大器增益KA200,1500,13.5时,输出位置响应特性的性能指标:峰值时间tp,调节时间ts和超调量,并分析比较之。,13,例题解析(1),输入:单位阶跃,系统的闭环传递函数:,14,例题解析(2),当KA 2
5、00时,系统的闭环传递函数:,与标准的二阶系统传递函数对照得:,15,例题解析(3),当KA 1500时,系统的闭环传递函数:,与标准的二阶系统传递函数对照得:,16,例题解析(4),当KA 13.5时,系统的闭环传递函数:,与标准的二阶系统传递函数对照得:,无,无,17,0.2,0.54,2.1,18,系统在单位阶跃作用下的响应曲线,19,开环增益K对系统性能的影响,开环传函:开环增益:闭环传函:,特征参数:,欠阻尼动态指标:,20,变化特征多项式系数变化特征根变化 变化性能变化 开环增益变化对性能的改善是有限的,指标对 的要求往往是矛盾的只能采取折中方案,兼顾不同的要求。,“快”与“准”两
6、项指标相矛盾,开环增益,21,22,23,例3,解:由图中给出的阶跃响应性能指标,先确定二阶系统参数,再求传递函数。,0,t(s),0.95,tp,c(t),5,24,例4系统如图示 时的响应为求,解:依题可知,25,26,27,四 改善二阶系统响应的措施,1) 改善的目的:获得满意的动态性能与稳态性能,更好的控制效果。,2) 改善的办法: 采用比例微分控制:引入零点,即在前向通路中串入一个PD控制环节; 采用测速反馈控制。,28,1.误差信号的比例微分控制,29,系统开环传函为:,闭环传函为:,等效阻尼比:,30,可见,引入了比例微分控制,使系统的等效阻尼比加大了,从而抑制了振荡,使超调减弱
7、,可以改善系统的平稳性。微分作用之所以能改善动态性能,因为它产生一种早期控制(或称为超前控制),能在实际超调量出来之前,就产生一个修正作用。,31,前面图的相应的等效结构,由此知道:,32,和 及 的大致形状如下,一方面,增加 项,增大了等效阻尼比 ,使 曲线比较平稳。另一方面,它又使 加上了它的微分信号 ,加速了c(t)的响应速度,但同时削弱了等效阻尼比 的平稳作用。,33,总结:引入误差信号的比例微分控制,能否真正改善二阶系统的响应特性,还需要适当选择微分时间常数 。若 大一些,使 具有过阻尼的形式,而闭环零点的微分作用,将在保证响应特性平稳的情况下,显著地提高系统的快速性。,特点: (1
8、) 引入比例微分控制,使系统阻尼比增加,从而抑制振荡,使超调减弱,改善系统平稳性; (2) 零点的出现,将会加快系统响应速度,使上升时间缩短,峰值提前,又削弱了“阻尼”作用。因此适当选择微分时间常数,使系统具有过阻尼,则响应将在不出现超调的条件下,显著提高快速性。 (3) 不影响系统误差,自然频率不变。,闭环系统具有零点,可以使上升时间提前.阻尼增大,超调减小。,34,2.输出量的速度反馈控制,将输出量的速度信号c(t)采用负反馈形式,反馈到输入端并与误差信号e(t)比较,构成一个内回路,称为速度反馈控制。如下图示。,35,闭环传函为:,等效阻尼比:,等效阻尼比增大了,振荡倾向和超调量减小,改
9、善了系统的平稳性。,36,例3-1 设控制系统 如图3-16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。,37,将上式与标准式相比较得解得 ,计算上升时间,解 系统(a)的闭环传递函数为,38,峰值时间 超调量调节时间 系统(b)的闭环传递函数为,(秒),39,将上式与标准式相比较得将 , 代入,解得由 和 可求得 通过上述计算可知,采用速度反馈后,可以明显地改善系统的动态性能。,(秒),(秒),(秒),40,3.比例微分控制和速度反馈控制比较,从实现角度看,比例微分控制的线路结构比较简单,成本低
10、;而速度反馈控制部件则较昂贵。从抗干扰来看,前者抗干扰能力较后者差。从控制性能看,两者均能改善系统的平稳性,在相同的阻尼比和自然频率下,采用速度反馈不足之处是其会使系统的开环增益下降,但又能使内回路中被包围部件的非线性特性、参数漂移等不利影响大大削弱。,41,附表: PD控制与测速反馈控制两种方案比较,前页,后页,42,五 高阶系统的时域分析,定义:用高阶微分方程描述的系统称为高阶系统。,由于求高阶系统的时间响应很是困难,所以通常总是将多数高阶系统化为一、二阶系统加以分析。通常对于高阶系统来说,离虚轴最近的一个或两个闭环极点在时间响应中起主导作用,而其他离虚轴较远的极点,他们在时间响应中相应的分量衰减较快,只起次要作用,可以忽略。,43,这时,高阶系统的时域分析就转化为相应的一、二阶系统。这就是所谓的主导极点的概念,将在第四章中详细介绍。,一、二阶系统的极点分布如下:,44,课程作业:第三章(2),3-5,6,7,8,11,