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1、证明：上讲回顾第1页/共48页2.4.5.3 信号流图特征式，它是信号流图所表示的方组的系数矩阵的行列式。在同一个信号流图中不论求图中任何一对节点之间的增益，其分母总是 ，变化的只是其分子。式中 系统总增益（总传递函数）前向通路数 第k条前向通路总增益：所有不同回路增益乘积之和；所有任意两个互不接触回路增益乘积之和；所有任意m个不接触回路增益乘积之和。为不与第k条前向通路相接触的那一部分信号流图的 值，称为第k条前向通路特征式的余因子。上讲回顾第2页/共48页控制系统的分析方法控制系统的分析方法分析控制系统第一步 建立模型第二步 分析控制性能，分析方法包括时域分析法频域分析法根轨迹法(自学)第
2、3页/共48页第三章 线性系统的时域分析法第4页/共48页第三章第三章 线性系统的时域分析法线性系统的时域分析法3.1 3.1 引言引言分析控制系统的第一步是建立模型，数学模型一旦建立，第二步 分析控制性能，分析有多种方法，主要有时域分析法，频域分析法，根轨迹法等。每种方法，各有千秋。均有他们的适用范围和对象。本章先讨论时域法。实际上，控制系统的输入信号常常是不知的，而是随机的。很难用解析的方法表示。只有在一些特殊的情况下是预先知道的，可以用解析的方法或者曲线表示。例如，切削机床的自动控制的例子。在分析和设计控制系统时，对各种控制系统性能得有评判、比较的依据。这个依据也许可以通过对这些系统加上
3、各种输入信号，比较它们对特定的输入信号的响应来建立。许多设计准则就建立在这些信号的基础上，或者建立在系统对初始条件变化（无任何试验信号）的基础上，因为系统对典型试验信号的响应特性，与系统对实际输入信号的响应特性之间，存在着一定的关系；所以采用试验信号来评价系统性能是合理的。第5页/共48页时间响应分析 在建立系统的数学模型（包括微分方程与传递函数）之后，就可以采用不同的方法，通过系统的数学模型来分析系统的特性。时间响应分析是重要的方法之一。本章内容1.1.概括地讨论系统的时间响应及其组成。因为这是正确进行时间响应分析的基础；所谓系统的时间响应及其组成就是指描述系统的微分方程的解与其组成，它们完
4、全反映系统本身的固有特性与系统在输入作用下的动态历程；第6页/共48页 2.2.典型的输入信号;及一阶、二阶系统的典型时间响应。典型输入信号便于进行时间响应分析；任何高阶系统均可化为零阶、一阶、二阶系统等的组合；任何输入产生的时间响应均可由典型输入信号产生的典型时间响应而求得；第7页/共48页3.1.1 时间响应及其组成转ppt第8页/共48页3.1.2 典型试验(输入)信号 Typical test signals(1)实际系统的输入信号不可知性(2)典型试验信号的响应与系统的实际响应，存在某种关系(3)电压试验信号是时间的简单函数，便于分析。确定性信号和非确定性信号:确定性信号：变量和自变
5、量之间的关系能够用一确定性函数描述。非确定性信号则反之，变量与自变量之间的关系是随机的，只服从某些统计规律。分析和设计系统:采用典型输入信号，比较其时间响应。任意输入信号的时间响应:利用系统对典型输入信号的响应，由关系式 或 （*表卷积），就能求出。第9页/共48页（单位）阶跃函数（Step function）室温调节系统和水位调节系统（单位）斜坡函数（Ramp function）速度（单位）加速度函数（Acceleration function）抛物线 （单位）脉冲函数（Impulse function）正弦函数（Simusoidal function）Asinut，当输入作用具有周期性变化
6、时。通常运用阶跃函数作为典型输入作用信号，这样可在一个统一的基础上对各种控制系统的特性进行比较和研究。本章讨论系统对非周期信号（Step、Ramp、对正弦试验信号相应，将在第五章频域分析法，第六章校正方法中讨论）常用输入信号：正常工作输入信号；外加测试信号;单位脉冲函数、单位阶跃函数、单位斜坡函数、单位抛物线函数、正弦函数和某些随机函数。突然受到恒定输入作用或突然的扰动。如果控制系统的输入量是随时间逐步变化的函数，则斜坡时间函数是比较合适的。第10页/共48页单位阶跃函数:其导数为零，对控制系统只给出了位置，故称位置输入信号；单位斜坡函数:其导数为常数，一般称为恒速输入信号或速度输入信号；单位
7、抛物线函数:其二次导数为常数，称为加速度输入信号。下面主要分析一阶与二阶系统对单位脉冲与单下面主要分析一阶与二阶系统对单位脉冲与单位阶跃函数的时间响应位阶跃函数的时间响应第11页/共48页3.1.3 动态过程和稳态过程 瞬时响应和稳态响应 Transient Response&Steady_state Response在典型输入信号作用下，任何一个控制系统的时间响应。1 瞬态响应 指系统从初始状态到最终状态的响应过程。由于实际控制系统具有惯性、摩擦、阻尼等原因。2 稳态响应 是指当t趋近于无穷大时，系统的输出状态，表征系统输入量最终复现输入量的程度。3.1.3 绝对稳定性，相对稳定性和稳态误差
8、Absolute Stability,Relative Stability,Steady_state Error在设计控制系统时，我们能够根据元件的性能，估算出系统的动态特性。控制系统动态特性中，最重要的是绝对稳定性，即系统是稳定的，还是不稳定的。如果控制系统没有受到任何扰动，或输入信号的作用，系统的输出量保持在某一状态上，控制系统便处于平衡状态。如果线性定常控制系统受到扰动量的作用后，输出量最终又返回到它的平衡状态，那么，这种系统是稳定的。如果线性定常控制系统受到扰动量作用后，输出量显现为持续的振荡过程或输出量无限制的偏离其平衡状态，那么系统便是不稳定的。第12页/共48页第13页/共48页
9、系统不稳定产生的后果实际上，物理系统输出量只能增加到一定的范围，此后或者受到机械止动装置的限制，或者使系统遭到破坏，也可能当输出量超过一定数值后，系统变成非线性的，而使线性微分方程不再适用。非线性系统的稳定性在第七章。第14页/共48页稳态误差稳态误差：如果在稳态时，：如果在稳态时，系统的输出量与输入量不系统的输出量与输入量不能完全吻合，就认为系统能完全吻合，就认为系统有稳态误差。这个误差表有稳态误差。这个误差表示系统的准确度。示系统的准确度。稳态特性：稳态特性：稳态误差是系稳态误差是系统控制精度或抗扰动能力统控制精度或抗扰动能力的一种度量。的一种度量。相对稳定性相对稳定性：因为物理控制系：因
10、为物理控制系统包含有一些贮能元件，所以统包含有一些贮能元件，所以当输入量作用于系统时，系统当输入量作用于系统时，系统的输出量不能立即跟随输入量的输出量不能立即跟随输入量的变化，而是在系统达到稳态的变化，而是在系统达到稳态之前，表现为瞬态响应过程。之前，表现为瞬态响应过程。对于实际控制系统，在达到稳对于实际控制系统，在达到稳态以前，它的瞬态响应，常常态以前，它的瞬态响应，常常表现为表现为阻尼振荡过程阻尼振荡过程。称称动态过程。动态过程。第15页/共48页在分析控制系统时，我们既要研在分析控制系统时，我们既要研究系统的瞬态响应，如达到新的究系统的瞬态响应，如达到新的稳定状态所需的时间，同时也要稳定
11、状态所需的时间，同时也要研究系统的稳态特性，以确定对研究系统的稳态特性，以确定对输入信号跟踪的误差大小。输入信号跟踪的误差大小。动态性能指标：在许多实际情况中，控制系统在许多实际情况中，控制系统所需要的性能指标，常以时域量所需要的性能指标，常以时域量值的形式给出。通常，控制系统值的形式给出。通常，控制系统的性能指标，系统在初使条件为的性能指标，系统在初使条件为零（静止状态，输出量和输入量零（静止状态，输出量和输入量的各阶导数为的各阶导数为0 0），对（单位），对（单位）阶跃输入信号的瞬态响应。阶跃输入信号的瞬态响应。实际控制系统的瞬态响应，在实际控制系统的瞬态响应，在达到稳态以前，常常表现为阻
12、尼达到稳态以前，常常表现为阻尼振荡过程，为了说明控制系统对振荡过程，为了说明控制系统对单位阶跃输入信号的瞬态响应特单位阶跃输入信号的瞬态响应特性，通常采用下列一些性能指标。性，通常采用下列一些性能指标。第16页/共48页动态性能指标延迟时间 ：（Delay Time）响应曲线第一次达到稳态值的一半所需的时间。上升时间（Rise Time）响应曲线从稳态值的10%上升到90%，所需的时间。上升时间越短，响应速度越快 峰值时间 （Peak Time）：响应曲线达到过调量的第一个峰值所需要的时间。第17页/共48页动态性能指标调节时间 ：（Settling Time）响应曲线达到并永远保持在一个允许
13、误差范围内，所需的最短时间。用稳态值的百分数（通常取5%或2%）作，超调量（Maximum Overshoot）：指响应的最大偏离量h(tp)于终值之差的百分比，即 或评价系统的响应速度；同时反映响应速度和阻尼程度的综合性指标。评价系统的阻尼程度。第18页/共48页3.2 一阶系统的时域分析用一阶微分方程描述的控制系统称为一阶系统。图3-3（a）所示的RC电路，其微分方程为 其中C(t)为电路输出电压，r(t)为电路输入电压，T=RC为时间常数。当初使条件为零时，其传递函数为 这种系统实际上是一个非周期性的惯性环节。下面分别就不同的典型输入信号，分析该系统的时域响应。第19页/共48页3.2.
14、1 一阶系统的单位脉冲响应Unit-impulse response of first-order systems当输入信号为理想单位脉冲函数 时，Xi(s)Xi(s)1 1，输出量的拉氏变换与系统的传递函数相同，即 这时相同的输出称为脉冲响应记作w(t):w(t):第20页/共48页 只有瞬态项，而B B（t t）为零。由式（3.3.13.3.1）可得表3.3.13.3.1 t 0 T 2T 4T 0 0第21页/共48页 一阶系统的单位脉冲响应函数是一个单调下降的指数曲线。过渡过程：将指数曲衰减到初值的2%2%之前的过程定义为过渡过程，相应的时间为4T4T。称此时间为过渡过程时间或调整时间
15、，记为 。系统的时间常数T T愈小,愈短,系统的惯性愈小，反应的快速性能愈好。脉冲响应形式类似与零输入响应。实际脉冲信号实际脉冲信号:具有一定的脉冲宽度和有限的幅度的来具有一定的脉冲宽度和有限的幅度的来代替理想的脉冲信号代替理想的脉冲信号,脉冲宽度与系统的时间常数脉冲宽度与系统的时间常数T T T T 相相比足够小，一般为比足够小，一般为:第22页/共48页输入信号为单位阶跃函数时，即响应函数的LaplaceLaplace变换式为：其时间响应函数 记为 为：由式（3.3.23.3.2）和式（3.1.123.1.12）可知，中 是瞬态项，1 1是稳态项B B（t t）（3.3.23.3.2）3.
16、2.2 单位阶跃响应Unit-Step Response of First-order System 第23页/共48页注*：R(s)的极点形成系统响应的稳态分量。传递函数的极点是产生系统响应的瞬态分量。这一个结论不仅适用于一阶线性定常系统，而且也适用于高阶线性定常系统。响应曲线在时的斜率为，如果系统输出响应的速度恒为，则只要tT时，输出c(t)就能达到其终值。由于c(t)的终值为1，因而系统阶跃输入时的稳态误差为零。动态性能指标：第24页/共48页 t 0 0 T 0.632 2T 0.865 4T 0.982 1 0由式（3.3.23.3.2）可得表3.3.23.3.2和图3.3.23.3
17、.2 第25页/共48页 如图3.3.23.3.2所示，式（3.3.23.3.2）表示的一阶系统的单位阶跃响应是一条单调上升指数曲线，稳态值为 。曲线有两个重要的特征点。A A点：其对应的时间t=Tt=T时，系统的响应 达到了稳态值的63.2%63.2%；零点：其对应的t=0t=0时，的切线斜率（响应速度）等于1 1/T/T。指数曲线的斜率，即速率 是随时间t t的增大而单调减小的，当t t为 时，其响应速度为零；当 时，响应已达到稳态值的98%98%以上，过渡过程时间 时间常数T T 反映了固有特性，其值愈小，系统的惯性就愈小，系统的响应也就愈快。第26页/共48页实验方法求一阶系统的传递函
18、数 ：1.1.输入单位阶跃信号，并测出它的响应曲线，及稳态值 ；2.2.从响应曲线上找出0.632 0.632 （即特征点A A）所对应的时间t t,或t=0t=0点的切线斜率 3.3.参考式（3.3.13.3.1）求出 ，或者，由单位阶跃响应 ，根据关系 ；求得 ；4 4由 求得 。第27页/共48页3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应Unit-ramp Response of first-order Systems当 对上式求拉氏反变换，得：因为所以一阶系统跟踪单位斜坡信号的稳态误差为上式表明：一阶系统能跟踪斜坡输入信号。稳态时，输入和输出信号的变化率完全相同 由于系统存在惯性，从 0上升到
19、1时，对应的输出信号在数值上要滞后于输入信号一个常量T，这就是稳态误差产生的原因。减少时间常数T不仅可以加快瞬态响应的速度，还可减少系统跟踪斜坡信号的稳态误差。第28页/共48页3.2.4 一阶系统的单位加速度响应 上式表明，跟踪误差随时间推移而增大，直至无限大。因此，一阶系统不能实现对加速度输入函数的跟踪。第29页/共48页表3-1一阶系统对典型输入信号的响应输入信号时域输入信号频域输出响应传递函数11(t)t微分微分等价关系：系统对输入信号导数的响应，就等于系统对该输入信号响应的导数；系统对输入信号积分的响应，就等于系统对该输入信号响应的积分；积分常数由零初始条件确定。第30页/共48页3
20、.3 二阶系统的时域分析Transient-Response Analysis and Steady-State Error Analysis of Second-order Systems二阶系统：凡以二阶系统微分方程作为运动方程的控制系统。3.3.1 二阶系统的数学模型随动系统A Servo System（位置控制系统）如图3-6所示。第31页/共48页该系统的任务：控制机械负载的位置。使其与参考位置相协调。工作原理：用一对电位计作系统的误差测量装置，它们可以将输入和输出位置信号，转换为与位置成正比的电信号。输入电位计电刷臂的角位置，由控制输入信号确定，角位置就是系统的参考输入量，而电刷臂
21、上的电位与电刷臂的角位置成正比，输出电位计电刷臂的角位置，由输出轴的位置确定。第32页/共48页电位差就是误差信号。桥式电位器的传递函数该信号被增益常数为的放大器放大，（应具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗）放大器的输出电压作用到直流电动机的电枢电路上。电动机激磁绕组上加有固定电压。如果出现误差信号，电动机就产生力矩以转动输出负载，并使误差信号减少到零。第33页/共48页(3)当激磁电流固定时，电动机产生的力矩（电磁转距）为：（3-10）电动机的转矩系数为电枢电流对于电枢电路（3-11）电动机电枢绕组的电感和电阻。电动机的反电势常数，电动机的轴的角位移。电动机的力矩平衡方程为：（3-12）J:
22、为电动机负载和齿轮传动装置，折合到电动机轴上的组合转动惯量。f:为电动机负载和齿轮传动装置，折合到电动机轴上的粘性摩擦系数。（3-13）第34页/共48页开环传递函数（即前向通路传递函数）因为反馈回路传递函数为1（3-14）如果略去电枢电感（3-15）增益阻尼系数，由于电动机反电势 的存在，增大了系统的粘性摩擦。开环增益机电时间常数不考虑负载力矩，随动系统的开环传递函数简化为：（3-16）第35页/共48页不考虑负载力矩，随动系统的开环传递函数简化为：（3-16）相应的闭环传递函数（3-17）为了使研究的结果具有普遍意义，可将式（3-17）表示为如下标准形式（3-18）自然频率（或无阻尼振荡频
23、率）阻尼比（相对阻尼系数）第36页/共48页二阶系统的标准形式，相应的方块图如图3-8所示（3-18）自然频率（或无阻尼振荡频率）阻尼比（相对阻尼系数）二阶系统的动态特性，可以用和加以描述,二阶系统的特征方程：（3-19）（3-20）由此得两个特征根为由此得两个特征根为:由式（由式（3-203-20）可见，随着阻尼比）可见，随着阻尼比 取值的不同，二阶系统的特征根也不同。取值的不同，二阶系统的特征根也不同。第37页/共48页（1 1）当 时，特征根为共轭复数 一对位于复数ss平面的左半平面内的共轭复数极点，系统为欠阻尼系统。（2 2）当 时，两特征根为共轭纯虚根，即 系统为无阻尼系统。（3 3
24、）当 时，特征方程有两个相等的负实根，即 系统为临界阻尼系统。（4 4）当 时，特征方程有两个不等的负实根 系统为过阻尼系统。第38页/共48页 过阻尼二阶系统:传递函数可分解为两个一阶惯性环节相加或相乘,因此可视为两个一阶环节的并联，也可视为两个一阶环节的串联。临界阻尼的二阶系统：传递函数可分解为两个相同的一阶惯性环节相乘,但考虑负载效应,是不能等价为两个相同的一阶惯性环节串、并联。特殊情况下，有可能等价为两个不同的一阶惯性环节串联。第39页/共48页一 二阶系统的单位脉冲响应输入信号是理想的单位脉冲函数 时，系统的输出 称为单位脉冲响应函数，特别记为 。对于二阶系统，因为 而 所以 同样有
25、：记 ，称 为二阶系统的有阻尼固有频率。3.4.33.4.3第40页/共48页 （1 1）当 ，欠阻尼系统时，由式（3.4.33.4.3）可得 （2 2）当 ，系统为无阻尼系统时，由式（3.4.33.4.3）可得 （3 3）当 ，系统为临界阻尼系统时，由式（3.4.33.4.3）可得 3.4.43.4.43.4.53.4.53.4.63.4.6第41页/共48页（4）当 1，系统为过阻尼系统时，由式（3.4.3）可得由式（3.4.7）可知，过阻尼系统可视为两个并联的一阶系统的单位脉冲响应函数的叠加。当 取不同值时，二阶欠阻尼系统的单位脉冲响应如图3.4.2所示。3.4.73.4.7第42页/共
26、48页 第43页/共48页欠阻尼系统的单位脉冲响应曲线:减幅的正弦振荡曲线。愈小，衰减愈慢，振荡频率 愈大。故欠阻尼系统又称为二阶振荡系统，其幅值衰减的快慢取决于 称为时间衰减函数，记为)。对于欠阻尼系统，单位脉冲响应的最大值可由式（3.4.4）求得。令 ，可解得 将此值代入式（3.4.4），得第44页/共48页二阶系统的标准形式，相应的方块图如图3-8所示（3-18）自然频率（或无阻尼振荡频率）阻尼比（相对阻尼系数）二阶系统的动态特性，可以用和加以描述,二阶系统的特征方程：（3-19）（3-20）3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应 Unit-Step Response of Second-Order Systems阻尼比是实际阻尼系数F与临界阻尼系数的比值 临界阻尼系数，时，阻尼系数第45页/共48页两个正实部的特征根 发散，闭环极点为共扼复根，位于右半S平面，欠阻尼系统，为两个相等的根，虚轴上，瞬态响应变为等幅振荡，两个不相等的根(1)欠阻尼()二阶系统的单位阶跃响应令衰减系数 阻尼振荡频率，由式（3-18）得（3-18）第46页/共48页对上式取拉氏反变换，得单位阶跃响应为（3-21）稳态分量 瞬态分量第47页/共48页感谢您的观看！第48页/共48页