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[工学]xpF603第三章 时域分析2
第三章 时域分析法 3.5 线性控制系统的稳定性 自动控制系统的基本性能(要求)之一:稳定性 分析系统动态和稳态指标必须在系统稳定的前提下进行。 稳定是自动控制系统能够工作的首要条件,控制系统的基本问题。 已知一系统的特征方程式为 2 I 型系统 当 时,对三种典型输入,可求出稳态误差分别为 时,稳态位置误差为零 稳态速度误差为一恒值 稳态加速度误差为无穷大 因此,在 3 II 型系统 当 时,对三种典型输入,可求出稳态误差分别为 时,稳态位置误差为零 稳态速度误差为零 稳态加速度误差为一恒值 因此,在 0 0 Ⅱ型 ∞ 0 Ⅰ型 ∞ ∞ 0型 输入 类型 稳态误差系数 系统稳态误差 非单位负反馈控制系统 例题(3.17) 动态误差系数同学自学P84--87 I 型系统不能跟踪加速度信号,因此,稳态误差为无穷大 3.6.4 扰动作用下的稳态误差 负载力矩的变化、放大器的零点漂移、电网电压波动和环境温度的变化等,这些都会引起稳态误差。 扰动不可避免 稳态误差大小反映了系统抗干扰能力的强弱。 扰动稳态误差 控制对象 控制器 输出对扰动的传递函数 扰动产生的输出 扰动作用下的控制系统 时 扰动作用下的误差传递函数为 扰动稳态误差为 当扰动为单位阶跃函数,且 时,则 —— 扰动稳态偏差 —— 扰动稳态误差 在扰动作用点以前的环节 的传递系数 如果在 则由一定扰动引起的稳态误差越小; 中包含有积分环节,则扰动稳态误差为零。 越大, 3.6.5 减小或消除稳态误差的措施 提高系统的开环增益和增加系统的类型是减小和消除系统稳态误差的有效方法。 顺馈控制作用,能实现既减小系统的稳定误差,又能保证系统稳定性不变的目的。 其他条件不变时 影响系统的动态性能 稳定性 1.按输入进行补偿 图3.30 输入补偿的复合控制系统 当 时,系统补偿后的误差为零,即 这种对误差完全补偿的作用称为全补偿。 输入信号误差的完全补偿条件 2.按扰动进行补偿 图3.31 扰动补偿的复合控制系统 取 当 系统补偿后可以完全消除扰动对系统输出的影响的误差为零 和 的形式简单并易于实现 由于 和 一般具有比较复杂的形式,故全补偿条件的物理实现相当困难。 在工程实践中,大多采用满足跟踪精度要求的部分补偿条件,或者在对系统性能起主要影响的频段内实现近似全补偿。 小结 时域分析是:通过直接求解系统在典型输入信号作用下的时域响应来分析系统的性能的。以系统单位阶跃响应的超调量、调节时间和稳态误差等性能指标来评价系统性能的优劣。 2.二阶系统在欠阻尼时的响应虽有振荡,但只要阻尼 取值适当(如 左右),则系统既有响应的快速性,又 有过渡过程的平稳性,因而在控制系统中常把二阶系统设计为欠阻尼。 3.稳定是系统所能正常工作的首要条件。线性定常系统的稳定是系统固有特性,它取决于系统的结构和参数,与外施信号的形式和大小无关。不用求根而能直接判断系统稳定性的方法,称为稳定判据。稳定判据只回答特征方程式的根在s平面上的分布情况,而不能确定根的具体数值。 4.稳态误差是系统控制精度的度量,也是系统的一个重要性能指标。系统的稳态误差既与其结构和参数有关,也与控制信号的形式、大小和作用点有关。 5.系统的稳态精度与动态性能在对系统的类型和开环增益的要求上是相矛盾的。解决这一矛盾的方法,除了在系统中设置校正装置外,还可用前馈补偿的方法来提高系统的稳态精度。 线形系统的稳定性取决于系统的固有特征(结构、参数),与系统的输入信号无关。 有关稳定性的定义和理论较多。 * * * * 本节讲授内容: 稳定性的概念 线性系统稳定的充要条件 代数稳定性判据 3.5.1 稳定性的概念 如果系统设计时不考虑这些因素,设计出来的系统不稳定或稳定裕度小,这样的系统是不成功的(不能工作的),需要重新设计,或调整某些参数或改变系统结构。 影响稳定性的因素 控制系统在实际运行过程中,总会受到外界和内部一些因素的干扰。 外界干扰:负载的波动、能源的波动、环境条件的改变。 内部干扰:系统参数的变化:电器、电子元件的老化。 线性和非线性系统稳定性的定义和类型:输入输出稳定、 李雅普诺夫稳定、渐近稳定、超稳定、大范围渐近稳定、 一致收敛稳定、大范围渐近一致收敛稳定等十多种。 设一线性定常系统原处于某一平衡状态,若它瞬间受到某一扰动作用而偏离了原来的平衡状态,当此扰动撤消后,系统仍能回到原有的平衡状态,则称该系统是稳定的。 反之,系统为不稳定。 基于稳定性研究的问题是扰动作用去除后系统的运动情况,它与系统的输
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