自动控制原理 教学课件 ppt 作者 厉玉鸣 马召坤 王晶 主编第三章时域分析方法.PPT

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第三章???控制系统的时域分析方法 动态过程(过渡过程或瞬态过程): 稳态过程(静态过程): §1 典型试验信号 1.2单位脉冲输入信号 1.3 斜坡输入信号 1.4抛物线(加速度)输入信号 1.5正弦输入信号 取决于系统在正常工作时最常见的输入信号形式 §2 一阶系统的动态响应 描述一阶系统动态特性的微分方程式的标准形式: 2.1单位阶跃响应 由式(3-2-3)求出 : 说明: 研究输出曲线的变化速率: 说明: 总结: 实验方法求取一阶系统的传递函数: 2.2单位斜坡响应 取上式的拉氏反变换, 特点: 2.3单位脉冲响应 特点: 注意: 总结与分析: 习题: 例1 设单位负反馈系统的单位阶跃响应为: 研究: §3 二阶系统的动态响应 标准传递函数: 求解这个二阶系统的特征方程: 当阻尼系数ζ取不同值时,二阶系统特征根的性质 3.2二阶系统的单位阶跃响应 (3-3-3)式可改写成 因此,Y(s)的拉氏反变换为: 特点: 2、ζ= 0时的无阻尼情况 频率ω0和ωd具有鲜明的物理涵义: 3、ζ=1时的临界阻尼情况 4、ζ>1时的过阻尼情况 总结: 5、-1〈ζ〈0 本节总结 §4 控制系统过渡过程的质量指标 4.1以阶跃响应曲线形式表示的质量指标 (2) 最大偏差A和超调量σ (3) 衰减比n (4) 调节时间ts (5) 上升时间tr 总结: 4.2 二阶欠阻尼系统的质量指标 得 方程(3-4-3)的解为: 2、最大偏差A和超调量σ% 超调量: 3、衰减比n 4、调节时间ts 因此求出: 5、上升时间tr 6、余差e(∞) 为什么要计算控制系统的质量指标? 例3-4-1 系统的闭环传递函数为: 3、 5、 问题: 问题1 转换成标准二阶系统形式: 问题2 因此: 问题2′ 因此: 问题3 4.3 控制系统稳态误差分析 1、稳态偏差与系统分类 定义: 在工程上,常根据G(s)H(s)的形式来规定控制系统的“型”。 2、给定稳态偏差 对于不同类型的系统,计算对应的Kp值和稳态偏差: (2)输入为单位斜坡函数 (3)输入为单位抛物线(加速度)函数 小结: 结论: 3、扰动稳态偏差 例3-4-2 解: (2)若调节器里含有一个积分器, §5 高阶系统的动态响应 5.1高阶系统分解为若干个低阶系统的组合 因式分解: (1) (2) Y(s)的拉氏反变换为: 5.2 利用闭环主导极点降阶近似计算 高阶系统零极点分布及过渡过程 从高阶系统的单位脉冲响应曲线可知: 结论: 回到本例 闭环主导极点要满足的两个条件是: §6 控制系统的劳斯稳定判据 推广结论: 6.2 劳斯(E. J. Routh)稳定判据 劳斯行列式: 例3-6-1 例3-6-2 几种特殊情况 例3-6-3 例3-6-4 (2)某行的系数都为零 例3-6-5 例3-6-5 6.3 劳斯稳定判据的应用 例3-6-6 例3-6-7 解: 解:(2) 例3-6-8 根据以上三条, §7 常规控制规律对系统控制质量的影响 1、比例控制规律P 比例作用的特点: 2、比例加积分控制规律PI 积分作用特点: 3、比例加积分加微分规律PID 微分作用的特点: 1、比例作用 稳态特性: 动态特性: 由图可见: 2、微分作用 二阶系统的阻尼系数: 稳态特性: 3、积分作用 稳定性分析: 举例: 动态特性: 总结 §8 控制系统的状态方程分析 8.1 线性定常系统状态方程的求解 注意到: 2、状态转移矩阵φ(t) 状态转移矩阵求解: 3、状态转移矩阵的性质 3、状态转移矩阵的性质 例3-8-1 4、非齐次状态方程的解 将上式由0积分到t, (2) 拉氏变换求解法 可得非齐次状态方程的解为? (3) 控制系统状态方程的动态响应 例 3-8-2 例 3-8-2(2) 例 3-8-3 上式拉氏反变换后得解: 8.2 控制系统状态方程的稳定性判据 例3-8-4 §9 本章小结 §9 本章小结 (2) 闭环传递函数为: 7.2 控制器参数对控制性能的影响 X(s) Y(s) ﹣ + F(s) + + E(s) 受到单位阶跃扰动后,稳态误差可应用终值定理求得: ★ 比例调节系统存在余差,余差与Kc成反比。 该系统的特征方程式: 0 0 10 20 30 40 0.2 0.4 0.6 0.8 Kc增加 控制器比例系数对过渡过程的影响 l?随着Kc 的增大,稳态误差 减小,但始终存在。 l?Kc 增加,ζp值减小,过 渡过程衰减振荡。Kc继续 增加,振荡加剧。 l?当Kc 较小时,ζp值较大, 过渡过程不振荡。 l?无论Kc增加多大, ζp不可 能小于零,因而

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