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控制系统的时域性能分析第一部分
3 控制系统的时域性能分析 3 控制系统的时域性能分析 从控制工程的角度看,任何一台运行中的机器、运行中的工艺过程或复杂的生产过程,都可以称为一个运动系统。要深入并定量的了解该系统,必须首先确定系统的数学模型,然后在数学模型的基础上分析研究系统的动态特性。 3 控制系统的时域性能分析 对系统的分析方法通常采用时域分析法、频域分析法和根轨迹法。本章主要介绍简单系统(一阶和二阶)的时域分析方法。所谓时域分析法,就是通过求解控制系统的时间响应来分析系统的稳定性、快速性和准确性。其方法是通过拉氏变换,传递函数的转换关系来求解系统的微分方程,以微分方程解的形式来表达系统的动态性能。在此基础上可以对各类型系统的时间响应特性加以分析。 3 控制系统的时域性能分析 3.1过渡过程的定义和典型输入信号 过渡过程:当输入信号变化规律发生变化时,系统从一个平衡状态(稳态)向新的平衡状态(稳态)过渡,在这个过程中输出量的变化规律称为过渡过程,即瞬态响应。 3 控制系统的时域性能分析 系统的瞬态响应,不仅取决于系统本身的特性,还与外加的输入信号的形式有关。实际问题是控制系统的输入信号常具有随机性质,预先无法知道,而且难以用简单的解析式来表示。 3 控制系统的时域性能分析 因此,在分析和设计控制系统时,总是规定一些特殊的实验信号作为输入,然后比较各种系统对这些实验输入信号的响应,并以此作为对各种控制系统性能进行比较的基础。 3 控制系统的时域性能分析 在时域中,经常采用的典型信号有: 阶跃信号、斜坡信号、加速度信号、脉冲信号和正弦函数信号等。 3 控制系统的时域性能分析 选择那种信号作为输入信号应视系统的具体工作状况而定。如控制系统的输入量是随时间逐渐变化的函数,像机床、温控等,应选择斜坡信号为好;如果控制系统的输入量为冲击量,像导弹发射,应选择脉冲信号为好; 3 控制系统的时域性能分析 如控制系统的输入量是随时间变化的往复运动,像机床振动,应选择正弦信号为好;如控制系统的输入量是突然变化的,像突然断电,应选择阶跃信号为好。一般的,时域性能指标,是以阶跃信号作为输入来定义的。 3 控制系统的时域性能分析 1)阶跃信号: 当R=1时为单位阶跃信号,其拉氏变换为 相当于一个不变的信号在t=0时突然加到系统上。 3 控制系统的时域性能分析 3 控制系统的时域性能分析 2) 斜坡信号: 拉氏变换为 ,相当于一个恒速信 号,R=1时为单位斜坡信号。 3 控制系统的时域性能分析 3 控制系统的时域性能分析 3) 加速度信号 拉氏变换为 相当于一个等加速度信号。 3 控制系统的时域性能分析 3 控制系统的时域性能分析 4) 脉冲信号 脉冲宽度为t0,脉冲面积为a,通常脉冲强度是以其面积a衡量的。当a=1时,称为单位脉冲函数。 3 控制系统的时域性能分析 3 控制系统的时域性能分析 3.2 时域响应的概念及性能指标 定义:控制系统在典型输入信号的作用下,输出量随时间变化的函数关系称为系统的时域响应。 3 控制系统的时域性能分析 描述系统的微分方程的解就是系统时间响应的数学表达式,任一系统的时间响应都是由瞬态响应和稳态响应曲线所组成。瞬态响应直接反映系统的动态性能,稳态响应反映偏离希望输出值的程度,衡量系统的精确程度。 3 控制系统的时域性能分析 瞬态响应的指标 在工程实践中,多以时域的几个特征量来评价控制系统动态性能的好坏。控制系统的动态性能指标通常以系统对单位阶跃信号的瞬态响应形式给出。 实际控制系统的瞬态响应常常表现为阻尼振荡过程,为了评价控制系统对单位阶跃输入的瞬态响应特征,通常采用下列性能指标 3 控制系统的时域性能分析 1)延迟时间 响应曲线从零上升到稳态值的50%所需的时间。 2)上升时间 响应曲线从零首次到达稳态值的时间。有些曲线无超调,则定义上升时间为响应曲线从稳态值的10%上升到稳态值的90%所需的时间。 3 控制系统的时域性能分析 3)峰值时间 响应曲线从零到达峰值的时间,即响应曲线从零上升到第一个峰值点所需的时间。 4)最大超调量 单位阶跃输入时,响应曲线最大峰值与稳态值的差。 3 控制系统的时域性能分析 5)调整时间 响应曲线到达并一直保持允许误差范围内的最短时间。 6)振荡次数 在调整时间内响应曲线振荡的次数。 3 控制系统的时域性能分析 稳态性能指标 稳态误差 :当 时,系统响应的实际值与期望值(即输入量)之差,定义为稳态误差。它反映系统复现输入信号的(稳态)精度。 3 控制系统的时域性能分析
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