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[理学]控制工程基础课件第三章
第三章 控制系统的时域分析 时域分析在控制理论中的地位和作用 §3-1. 时间响应及系统性能指标 时间响应的概念 典型实验输入信号 瞬态响应指标 一. 时间响应的概念 时间响应:指系统在外部作用(输入)激励 下,其输出量随着时间变化的函数关系。 瞬态响应 :系统在某一输入信号作用下,输出量从初始状态到稳定状态的响应过程,也称为过渡过程。 稳态响应:时间趋于无穷大时系统的输出,稳态也称为静态。 一. 时间响应的概念 一. 时间响应的概念 二.典型实验输入信号 选取实验信号的原则 具有典型性,能够反映系统工作的大部分实际情况。 形式应尽可能简单,便于分析处理。 能使系统在最不利的情况下工作。 二.典型实验输入信号 二.典型实验输入信号 二.典型实验输入信号 三. 瞬态响应指标 单位阶跃输入瞬态响应时的性能指标 延迟时间td:第一次达到稳态值一半所需的时间。 上升时间tr:第一次达到稳态所需的时间(有振荡时) 或从稳态的10%上升到稳态值的90%所需的时间(无振 荡时)。 峰值时间tp:超过稳态值达到第一个峰值所需的时间 最大超调量Mp或σ%:响应曲线超出稳态值的最大偏差 与稳态值之比。即 调整时间ts:第一次达到并保持在允许误差范围(一般 为稳态值的Δ=5%或Δ=2%)内所需的时间。 三. 瞬态响应指标 振荡次数N:在调节时间以内,响应曲线穿越其稳态 值次数的一半。 tr,tp和ts表示控制系统反映输入信号的快速性,而σ% 和N反映系统动态过程的平稳性。其中ts和σ%是最 重要的两个动态性能的指标。 §2. 一阶系统的时间响应 一阶系统的数学模型 一阶系统的单位阶跃响应 一阶系统的单位斜坡响应 一阶系统的单位脉冲响应 线性定常系统的重要特征 一、一阶系统的数学模型 一. 一阶系统的数学模型 二. 一阶系统的单位阶跃响应 指数上升。t=0时斜率为 T:时间常数,具有时间量纲,T越小,系统的响应越快。 t=T时,c(T)=0.632,故T为系统时间响应达到稳态值的 63.2%所需要的时间。 允许误差范围为±5%时,t=3T。而允许误差范围为±2% 时,t=4T。 二. 一阶系统的单位阶跃响应 三. 一阶系统的单位斜坡响应 速度误差: 稳态速度误差: 三. 一阶系统的单位斜坡响应 四. 一阶系统的单位脉冲响应 五. 线性定常系统的重要特征 线性定常系统,对输入信号积分(导数)的响应就等于系统对输入信号响应的积分(导数) 积分常数由零输出初始条件确定。 一阶系统时域分析 3.2 一阶系统的时域分析 3.2 一阶系统的时域分析 一阶系统的结构图如图所示,若kt=0.1,试求系统的调节时间ts,如果要求ts 0.1秒。试求反馈系数应取多大? 3.2 一阶系统的时域分析 §3.3 二阶系统的时间响应 二阶系统的数学模型 二阶系统的单位阶跃响应 二阶系统的瞬态响应指标 一. 二阶系统的数学模型 一. 二阶系统的数学模型 二. 二阶系统的单位阶跃响应 二. 二阶系统的单位阶跃响应 二. 二阶系统的单位阶跃响应 ξ=1,重根时,临界阻尼。 输出无超调,无振荡。 二. 二阶系统的单位阶跃响应 ξ1,两个不等的负实根,过阻尼。 二. 二阶系统的单位阶跃响应 0ξ1,一对共轭复根,欠阻尼情况。 二. 二阶系统的单位阶跃响应 衰减振荡,振荡频率为阻尼自然频率ωd,振幅为指数衰减,由系统参数ωn、ζ决定。 随着ζ的减小,调整时间ts变短,但振荡变严重,一般阻尼比=0.4~0.8 。 二. 二阶系统的单位阶跃响应 三. 二阶系统的瞬态响应指标 1、对于欠阻尼系统, 0?1 当输入信号为单位阶跃 (r(t)=1)时,系统的输 出响应为: 三. 二阶系统的瞬态响应指标 欠阻尼状态时的瞬态响应指标 上升时间tr 三. 二阶系统的瞬态响应指标 峰值时间tp 三. 二阶系统的瞬态响应指标 最大超调量Mp 三. 二阶系统的瞬态响应指标 三. 二阶系统的瞬态响应指标 调整时间ts 三. 二阶系统的瞬态响应指标 三. 二阶系统的瞬态响应指标 结论 二阶系统的瞬态指标由ζ和ωn共同决定。 设计系统时,?通常由要求的最大超调量所决定,增大无阻尼自然频率ωn,可提高系统的快速响应性能,而不会改变超调量。 增大阻尼比,可减小最大超调量,减弱系统的振荡性能,使系统的相对稳定性增加,但会使系统的快速性变差,当允许误差范围为0.02--0.05时调整时间在ζ=0.7左右时最小。 wn一定时,减少阻尼比将
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