一阶系统与二阶系统整理ppt.ppt

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一阶系统与二阶系统整理ppt

结论一:一阶系统对输入信号导数的响应,等于一阶系统对该输入信号响应的导数。 结论二:这个性质是线性定常系统的一个重要特性,适用于任何阶的线性定常系统,而线性时变系统和非线性系统则不具有这个特性。 例1: 例3 ① 阻尼系数、阻尼角与最大超调量的关系 ③ 极点距虚轴的距离与系统的调整时间成反比(0z0.8) 二阶系统的动态性能指标基于以下两个条件:第一,性能指标是根据系统对单位阶跃输入的响应给出的;第二,初始条件为零。 典型二阶系统的瞬态响应—二阶无阻尼、欠阻尼、临界阻尼和过阻尼系统的阻尼系数、特征根、极点分布和单位阶跃响应。 典型二阶系统的性能指标—主要是超调量和调整时间;与系统参数之间的关系;速度反馈校正。 具有零点的二阶系统—单位阶跃响应的紧凑形式;性能指标;比例微分校正。 说明: 调整时间与系统特征根的实部数值成反比。系统特征根距虚轴的距离越远,系统的调整时间越短。 由于阻尼系数z的选取主要是根据对系统超调量的要求来确定的,所以调整时间主要由无阻尼振荡频率wn决定。 若能保持阻尼系数不变而增加无阻尼振荡频率wn值,则可以在不改变超调量的情况下缩短调整时间。 5. 振荡次数N:振荡次数定义为在0≤t≤ts时间内,单位阶跃响应y(t)穿越其稳态值次数的一半。振荡次数的计算公式为: 其中: 为阻尼振荡的周期时间。 通常希望系统的输出响应既有充分的快速性,又有足够的阻尼。因此,为了获得满意的二阶系统瞬态响应特性,阻尼系数应选择在0.4和0.8之间。 工程上常取阻尼系数 作为系统设计的依据,该阻尼系数称为最佳阻尼系数。在这种情况下,典型二阶系统的超调量为: 上升时间tr为: 峰值时间tp为: 调整时间ts为: 当阻尼系数z一定时,无阻尼振荡频率wn越大,上升时间、峰值时间和调整时间越短,响应速度越快。 阻尼系数 是二阶系统的一个重要参数,用它可以间接地判断一个二阶系统的瞬态品质。在 的情况下瞬态特性为单调变化曲线,无超调和振荡,但 长。当 时,输出量作等幅振荡或发散振荡,系统不能稳定工作。 在欠阻尼 情况下工作时,若 过小,则超调量大,振荡次数多,调节时间长,瞬态控制品质差。 注意到 只与 有关,所以一般根据 来选择 。 越大, (当 一定时) 为了限制超调量,并使 较小,一般取0.4~0.8,则超调量在25%~1.5%之间。 设典型二阶系统的单位阶跃响应曲线如图所示,试确定系统的传递函数。 解: 根据题意 [例2]如图所示的二阶系统,开环传递函数包括三个典型环节:比例、积分和一阶惯性环节。图中 K为开环放大系数,T为一阶惯性环节的时间常数,通常称 K和T为系统的实际参数。由实际参数表示的系统闭环传递函数为: 系统的特征参数 z和wn与实际参数K和T之间的关系为: 由上式可以看出瞬态性能指标与系统实际参数之间的关系。讨论如下: 当K增大, T一定时,阻尼系数z值减小,超调量d%上升,调整时间ts基本不变,振荡次数增加。即K越大,二阶系统振荡越严重。 当 K一定, T增大时,阻尼系数z值减小,超调量d%上升,振荡次数增加。T增大又引起无阻尼振荡频率的减小,z,wn的减小均引起调整时间ts的增加,所以增大时将使调整时间ts增加。由此可见,T增大对系统瞬态性能是不利的。 图示系统,要求单位阶跃响应无超调,调节时间不大于1秒,求开环增益K。 R(s) E(s) C(s) - 解: 根据题意,应选择z =1,系统的开环传递函数为: [例4] 有一位置随动系统,其方块图如图所示。其中K=4,T=1。试求: (1) 该系统的无阻尼振荡频率 wn;(2)系统的阻尼系数z;(3)系统超调量d%和和调整时间ts;(4)如果要求z=0.707,在不改变时间常数T的情况下,应怎样改变系统开环放大系数K。 解: 系统的闭环传递函数为: (4)当要求在z=0.707时,wn=1/2z= 0.707,则K=wn2=0.5。可见要满足二阶工程最佳参数的要求(该例中为增加阻尼系数),必须降低开环放大系数 K的值。 (二)过阻尼(包括临界阻尼)二阶系统的瞬态性能指标 : 当二阶系统的阻尼系数 z时,其单位阶跃响应曲线呈现单调上升形式,单位阶跃响应没有振荡,因此系统没有超调量。瞬态性能指标主要考虑上升时间 tr和调整时间ts。 (1)上升时间tr:过阻尼(包括临界阻尼)二阶系统的上升时间定义为由

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