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2实验二二阶系统阶跃响应

实验二 二阶系统阶跃响应 实验目的 1. 研究二阶系统的特征参数,阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn对系统动态性能的影响,定量分析ζ和ωn与最大超调量σp和调节时间ts之间的关系。 2. 进一步学习实验系统的使用。 3. 学会根据系统的阶跃响应曲线确定传递函数。 4. 学习用MATLAB仿真软件对实验内容中的电路进行仿真。 实验原理 典型二阶闭环系统的单位阶跃响应分为四种情况: 1)欠阻尼二阶系统 如图1所示,由稳态和瞬态两部分组成:稳态部分等于1,瞬态部分是振荡衰减的过程,振荡角频率为阻尼振荡角频率,其值由阻尼比ζ和自然振荡角频率ωn决定。 (1)性能指标: 调节时间tS: 单位阶跃响应C t 进人±5% 有时也取±2% 误差带,并且不再超出该误差带的最小时间。 超调量σ% ;单位阶跃响应中最大超出量与稳态值之比。 峰值时间tP :单位阶跃响应C t 超过稳态值达到第一个峰值所需要的时间。 结构参数ξ:直接影响单位阶跃响应性能。 (2)平稳性:阻尼比ξ越小,平稳性越差 (3)快速性:ξ过小时因振荡强烈,衰减缓慢,调节时间tS长,ξ过大时,系统响应迟钝,调节时间tS 也长,快速性差。ξ=0.7调节时间最短,快速性最好。ξ=0.7时超调量σ% 5%,平稳性也好,故称ξ=0.7为最佳阻尼比。 2)临界阻尼二阶系统(即ξ=1) 系统有两个相同的负实根,临界阻尼二阶系统单位阶跃响应是无超调的,无振荡单调上升的,不存在稳态误差。 3)无阻尼二阶系统(ξ=0时) 此时系统有两个纯虚根。 4)过阻尼二阶系统(ξ 1)时 此时系统有两个不相等的负实根,过阻尼二阶系统的单位阶跃响应无振荡无超调无稳态误差,上升速度由小加大有一拐点。 实验内容 1. 搭建模拟电路典型二系统的环传递函数: 其中ζ 和ωn 对系统的动态品质有决定的影响。 典型二阶系统的模拟电路,并测量其阶跃响应: 二阶系统模拟电路图其结构图为: 系统闭环传递函数为: 式中T RC,K R2/R1。 比较上面二式,可得:ωn 1/T 1/RC ζ K/2 R2/2R1?。 画出系统响应曲线,再由ts和Mp计算出传递函数,并与由模拟电路计算的传递函数相比较。 (1)当RR 100KΩ,C 1uF,ωn 10rad/s时: ① R2 40KΩ,ζ 0.2,响应曲线: ζ 1。系统的闭环根为两个共轭复根,系统处于稳定状态,其单位阶跃响应是衰减振荡的曲线,又称阻尼振荡曲线。其振荡频率为ωd ,称为阻尼振荡频率。 ② R2 100KΩ,ζ 0.5,响应曲线: ζ 1。系统的闭环根为两个共轭复根,系统处于稳定状态,其单位阶跃响应是衰减振荡的曲线,又称阻尼振荡曲线。其振荡频率为ωd ,称为阻尼振荡频率。 〖总结〗由①②两个实验数据和仿真图形可知:对不同的ζ,振荡的振幅和频率都是不同的。ζ 越小,振荡的最大振幅愈大,振荡的频率ωd也愈大,即超调量和振荡次数愈大,调整时间愈长。当ζ 0.707时,系统达到最佳状态,此时称为最佳二阶系统。 ③ R2 200KΩ,ζ 1,响应曲线: ζ 1。系统的闭环根为两个相等的实数根,系统处于稳定状态,其单位阶跃响应为单调上升曲线,系统无超调。 ④ R2 240KΩ,ζ 1.2,响应 〖分析〗系统处于过阻尼状态,ζ 1。系统的闭环根为两个不相等的实数根,系统处于稳定状态,其单位阶跃响应也为单调上升曲线,不过其上升的速率较临界阻尼更慢,系统无超调。 ⑤ R2 0KΩ,ζ 0,响应曲线: 〖分析〗:系统处于无阻尼或零阻尼状态,ζ 0。系统的闭环根为两个共轭虚根,系统处于临界稳定状态(属于不稳定),其单位阶跃响应为等幅振荡曲线,又称自由振荡曲线,其振荡频率为ωn ,且ωn 1/(RC)。 (2)当R 100KΩ,C 0.1uF,ωn 100rad/s时: ① R2 40KΩ,ζ 0.2,响应曲线: ζ 的情况下。可见ωn 越大,上升时间和稳定时间越。稳定性越。 ② R2 100KΩ,ζ 0.5,响应曲线: ③ R2 0KΩ,ζ 0,响应曲线: 【总结】:典型二阶系统在不同阻尼比(无阻尼自然频率相同)情况下,它们的阶跃响应输出特性的差异是很大的。若阻尼比过小,则系统的振荡加剧,超调量大幅增加;若阻尼比过大,则系统的响应过慢,又大大增加了调整时间。一般情况下,系统工作在欠阻尼状态下。但是ζ 过小,则超调量大,振荡次数多,调节时间长,暂态特性品质差。为了限制超调量,并使调节时间较短,阻尼比一般在0.4~0.8之间,此时阶跃响应的超调量将在25%~1.5%之间。在相同阻尼比ζ 的情况下。可见ωn 越大,上升时间和稳定时间越。稳定性越。 1.画出二阶系统阶跃响应的SIMULINK仿真模型。 2. 记录二阶系统的特征参数,阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn对系统动态性能的影响,并分析参数

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