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第3章 时间响应分析_1
第三章 系统的时间响应分析 主要内容 3.1 时间响应及其组成 3.2 典型输入信号 3.3 一阶系统 3.4 二阶系统 3.5 高阶系统 3.6 系统误差分析与计算 3.1 时间响应的概念 【回顾】:经典控制理论所要解决的几大问题: 分析问题:已知系统(包括被控对象、控制装置)及输入,求输出; 综合问题(设计问题):已知被控对象和要求的输入输出,设计控制器; 这一章要讨论的是分析问题,并且是在时间域里,下一章将学习频率域里的响应分析。 建模 分析 综合 【时间响应】: 描述系统的微分方程的解 响应:在输入作用下,系统输出从震荡到稳定下来的过程。 控制系统在一定的输入作用下,输出也会有一个震荡的过程,这一过程我们称之为瞬态响应,或过渡过程;当过渡过程结束后,输出会达到一个稳定的状态,我们称为“稳态”(稳态响应); 本章所研究的就是“过渡过程”; ——当然,并不是所有的“过渡过程”都是这种形式的,不同类型的系统,会有不同的响应曲线,有的是“反复震荡的”,有的是缓慢上升的,这跟系统的“阶次”及输入信号的类型有关。 系统的阶次:阶次就是指传递函数分母的最高阶次,也就是描述系统的微分方程的阶次。 这里的“n”即是系统的“阶次” 时间响应的组成 m y(t) 完全解为: 将初始条件带入(2)、(3)可解得: 整理: 自由响应(通解) 强迫响应(特解) 零输入响应 零状态响应 更一般的情况 通解(自由响应) 特解(强迫响应) 自由响应 强迫响应 零输入响应 零状态响应 由系统初态引起的自由响应 由输入引起的自由响应 本书所要讨论的是零状态响应! 稳态响应:强迫响应 瞬态响应:暂态响应,过渡过程 ——稳定系统的自由响应 本章所要讨论的是瞬态响应! 3.2 典型输入信号: 阶跃信号 速度(斜坡)信号 加速度(抛物线信号)信号 脉冲信号 正弦信号 随机信号 1. 阶跃信号 R=1 时 ? 单位阶跃信号,常表示为 u(t) = 1( t ) R 为常数 R=1 时 ? 单位斜坡信号 2. 斜坡(速度)信号 3.加速度(抛物线)信号 R=1/2 时 ? 单位加速度信号 4. 脉冲信号 R=1时 ? 单位脉冲函数,记作δ(t), 也称为δ函数 δ函数的重要性质 δ函数的拉氏变换等于1 【证明】: δ函数的重要性质 结论:系统在单位脉冲函数作用下,其响应函数等于传递函数的拉氏逆变换 根据被测定系统的单位脉冲响应,可以获知被测系统的闭环传递函数。 单位正弦信号 5. 正弦信号 几种典型信号之间的关系: 对抛物线信号微分 = 斜坡信号 对斜坡信号微分 = 阶跃信号 对阶跃信号微分 = 脉冲信号 对脉冲信号积分 = 阶跃信号 对阶跃信号积分 = 斜坡信号 对斜坡信号积分 = 抛物线信号 微分关系 积分关系 3.3 一阶系统的时间响应分析 一阶系统:凡其动态过程可用一阶微分方程来表示的控制系统称为一阶系统。 一般形式为: T称为一阶系统的时间常数。 3.3.1 一阶系统的单位阶跃响应 t 0 T 2T 3T 4T 5T … ∞ y(t) 0 0.632 0.865 0.95 0.982 0.993 … 1 0 0.632 T t y(t) 1 86.5% 2T 95% 98.2% 1/T斜率 3T 4T 结论 ① 一阶(惯性)系统总是稳定的,无震荡; ② 当时间t =T时,曲线达到稳态值的63.2%;反之,用试验法测出响应曲线达到0.632高度点所用的时间,就可近似求出惯性环节的时间常数T。 ③ 当时间t =0时,曲线的斜率为1/T,即, 3.3.2 一阶系统的单位脉冲响应 结论: 一阶系统的单位脉冲响应是一单调下降的指数曲线; 定义过渡过程为:衰减到初值2%之前的过程,则可算得相应的时间为4T,记为调整时间:ts。 3.3.3 一阶系统的单位斜坡响应 结论: 一阶系统的斜坡响应存在稳态误差T,显然,时间常数越小,稳态误差越小。 线性定常系统的重要特点 输入 输出 斜坡 阶跃 脉冲 ,
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