《自动控制课件第三章时域分析法.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动控制课件第三章时域分析法.ppt（137页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第三章 时域分析法时域分析法31 时域分析基础32 一、二阶系统分析与计算33 系统稳定性分析34 稳态误差分析计算主要内容返回主目录1 基本要求基本要求1.熟练掌握一、二阶系统的数学模型和阶跃响应的特2.点。熟练计算性能指标和结构参数，特别是一阶系统和典型欠阻尼二阶系统动态性能的计算方法。2.了解一阶系统的脉冲响应和斜坡响应的特点。3.正确理解系统稳定性的概念，能熟练运用稳定性判据判定系统的稳定性并进行有关的参数计算、分析。返回子目录返回子目录24.正确理解稳态误差的概念，明确终值定理的应 用条件。5.熟练掌握计算稳态误差的方法。6.掌握系统的型次和静态误差系数的概念。3控制系统的数学模型是
2、分析、研究和设计控制系统的基础，经典控制论中三种分析（时域、根轨迹、频域）、研究和设计控制系统的方法，都是建立在这个基础上的。43 31 1 时域分析基础时域分析基础 一、时域分析法的特点一、时域分析法的特点根据系统微分方程，通过拉氏变换，直接求出系统的时间响应。依据响应的表达式及时间响应曲线来分析系统控制性能，并找出系统结构、参数与这些性能之间的关系。时域分析法是一种直接方法，而且比较准确，可以提供系统时间响应的全部信息。返回子目录返回子目录5二、典型初始状态，典型外作用二、典型初始状态，典型外作用1.典型初始状态典型初始状态通常规定控制系统的初始状态为通常规定控制系统的初始状态为零零状态。
3、状态。即在外作用加于系统之前，被控量及其各阶导数相即在外作用加于系统之前，被控量及其各阶导数相对于平衡工作点的增量为零，系统处于相对平衡状对于平衡工作点的增量为零，系统处于相对平衡状态。态。62.典型外作用典型外作用单位阶跃函数单位阶跃函数1(1(t t)=0t00t1)t(1)t(f其拉氏变换为：其拉氏变换为：s1dte1)s(F)t(fL0st=-其数学表达式为：其数学表达式为：1tf f(t t)7 单位斜坡函数单位斜坡函数其拉氏变换为：其拉氏变换为：20sts1dtet)s(F)t(fL=-0t0t0t)t(1t)t(f =.=其数学表达式为：其数学表达式为：tf f(t t)8单位脉
4、冲函数单位脉冲函数000)()(=ttttfd d 其数学表达式为其数学表达式为其拉氏变换为其拉氏变换为1)()(=sFtfL+-=1)(dttd d定义：定义：图中1代表了脉冲强度。单位脉冲作用在现实中是不存在的，它是某些物理现象经数学抽象化的结果。0(1)9正弦函数正弦函数其拉氏变换为其拉氏变换为220sin)()(sdtetsFtfLst+=-000sin)(=ttttf 其数学表达式为其数学表达式为f(t)10三、典型时间响应三、典型时间响应q初状态为零的系统，在典型输入作初状态为零的系统，在典型输入作用下的输出，称为典型时间响应。用下的输出，称为典型时间响应。111.单位阶跃响应单位
5、阶跃响应定义：系统在单位阶跃输入r(t)=1(t)作用下的响应，常用h(t)表示。若系统的闭环传函为 ，则h(t)的拉氏变换为故(3-1)0122.单位斜坡响应单位斜坡响应定义：系统在单位斜坡输入r(t)=t1(t)作用下的响应，常用 表示。故则有(3-2)133.单位脉冲响应单位脉冲响应定义：系统在单位脉冲输入 r(t)=(t)作用下的响应，常用k(t)表示。注：关于正弦响应，将在第五章里讨论故则有144.三种响应之间的关系三种响应之间的关系由式(3-3)可将式(3-1)和式(3-2)写为：相应的时域表达式为15四、阶跃响应的性能指标四、阶跃响应的性能指标t)(th)(pth1ptst误差带
6、误差带0161.峰值时间峰值时间tp：指：指h(t)曲线中超过其稳态值而曲线中超过其稳态值而达到第一个峰值所需的时间。达到第一个峰值所需的时间。2.超调量超调量：指：指h(t)中对稳态值的最大超出中对稳态值的最大超出量与稳态值之比。量与稳态值之比。3.调节时间调节时间ts：指响应曲线中，：指响应曲线中，h(t)进入稳态值进入稳态值附近附近 5%h()或或 2%h()误差带，而不再超误差带，而不再超出的最小时间。出的最小时间。4.稳态误差稳态误差ess：指响应的稳态值与期望值之：指响应的稳态值与期望值之差。差。17注意事项：1832 一、二阶系统分析与计算q定义：定义：由一阶微分方程描述的系统称
7、为一阶系统。由一阶微分方程描述的系统称为一阶系统。一、一阶系统的数学模型及单位阶跃响应一、一阶系统的数学模型及单位阶跃响应返回子目录返回子目录19一阶系统数学模型一阶系统数学模型微分方程：微分方程：动态结构图：动态结构图：传递函数：传递函数：Ts1)(sR)(sC20一阶系统单位阶跃响应输入：输入：输出：输出：21单位阶跃响应曲线初始斜率：t22性能指标1.平稳性平稳性：2.快速性快速性ts：3.准确性准确性 ess：非周期、无振荡，非周期、无振荡，0t23举例说明（一阶系统）举例说明（一阶系统）n一阶系统如图所示，一阶系统如图所示，试求：试求：1.当当KH0.1时，求时，求系系统单位阶跃响应
8、的调统单位阶跃响应的调节时间节时间ts，放大倍数放大倍数K，稳态误差稳态误差ess。2.如果要求如果要求ts0.1s，试问系统的反馈系数试问系统的反馈系数KH应调整为何值？应调整为何值？3.讨论讨论KH的大小对系的大小对系统性能的影响及统性能的影响及KH与与ess的关系。的关系。看懂例题看懂例题3-1并回答上述各题并回答上述各题24二、二阶系统的数学模型及单位阶跃响应二、二阶系统的数学模型及单位阶跃响应q定义：定义：由二阶微分方程描述的系统称为二阶由二阶微分方程描述的系统称为二阶系统。系统。25二阶系统数学模型二阶系统数学模型二阶系统的微分方程的一般式为二阶系统的微分方程的一般式为26二阶系统
9、的反馈结构图二阶系统的反馈结构图27二阶系统的传递函数二阶系统的传递函数开环传递函数：开环传递函数：闭环传递函数：闭环传递函数：28二阶系统的特征方程为二阶系统的特征方程为解方程求得特征根：当输入为阶跃信号时，则微分方程解的形式为：式中：为由r(t)和初始条件确定的待定的系数。s1,s2完全取决于完全取决于 ，n两个参数。两个参数。29q此时此时s1,s2为为一对共轭复一对共轭复根，且位于根，且位于复平面的左复平面的左半部。半部。特征根分析 （欠阻尼）30特征根分析 （临界阻尼）q此时此时s1,s2为为一对相等的一对相等的负实根。负实根。s1=s2=-n31特征根分析 （过阻尼）q此时此时s1
10、,s2为两个负为两个负实根，且实根，且位于复平位于复平面的负实面的负实轴上。轴上。32特征根分析 （零阻尼）q此时此时s1,s2为为一对纯虚根，一对纯虚根，位于虚轴上。位于虚轴上。qs1,2=j n33特征根分析 （负阻尼）q此时此时s1,s2为为一对实部为一对实部为正的共轭复正的共轭复根，位于复根，位于复平面的右半平面的右半部。部。34特征根分析 （负阻尼）q此时此时s1,s2为为两个正实根，两个正实根，且位于复平且位于复平面的正实轴面的正实轴上。上。35二阶系统单位阶跃响应1.过阻尼过阻尼 二阶系统的单位阶跃响应二阶系统的单位阶跃响应取C(s)拉氏逆变换得：36过阻尼系统分析l衰减项的幂指
11、数的绝对值一个大，一个小。绝对衰减项的幂指数的绝对值一个大，一个小。绝对值大的离虚轴远，衰减速度快，绝对值小的离虚值大的离虚轴远，衰减速度快，绝对值小的离虚轴近，衰减速度慢轴近，衰减速度慢l衰减项前的系数一个大，一个小衰减项前的系数一个大，一个小l二阶过阻尼系统的动态响应呈非周期性，没有振二阶过阻尼系统的动态响应呈非周期性，没有振荡和超调，但又不同于一阶系统荡和超调，但又不同于一阶系统l离虚轴近的极点所决定的分量对响应产生的影响离虚轴近的极点所决定的分量对响应产生的影响大，离虚轴远的极点所决定的分量对响应产生的大，离虚轴远的极点所决定的分量对响应产生的影响小，有时甚至可以忽略不计。影响小，有时
12、甚至可以忽略不计。37过阻尼系统单位阶跃响应38与一阶系统阶跃响应的比较t tc(t)c(t)二阶过阻尼系统二阶过阻尼系统一阶系统响应一阶系统响应1 1039二阶过阻尼系统阶跃响应指标分析对于过阻尼二阶系统的响应指标，只着重讨论 ，当 时 ，当时 。402.欠阻尼欠阻尼 二阶系统的单位阶跃响应二阶系统的单位阶跃响应41二阶欠阻尼系统的输出二阶欠阻尼系统的输出拉氏逆变换得：拉氏逆变换得：42二阶欠阻尼系统输出分析q二阶欠阻尼系统的单位阶跃响应由稳态分二阶欠阻尼系统的单位阶跃响应由稳态分量和暂态分量组成。稳态分量值等于量和暂态分量组成。稳态分量值等于1，暂，暂态分量为衰减过程，振荡频率为态分量为衰
13、减过程，振荡频率为d。43下图为二阶系统单位阶跃响应的通用曲线。44下面根据上图来分析系统的结构参数 、对阶跃响应的影响。平稳性（平稳性（）结论：结论：越大，越大，d越小，幅值也越小，响应的振越小，幅值也越小，响应的振荡倾向越弱，超调越小，平稳性越好。反之，荡倾向越弱，超调越小，平稳性越好。反之，越越小，小，d 越大，振荡越严重，平稳性越差。越大，振荡越严重，平稳性越差。45当当 0时，为零阻尼响应，具有频率为时，为零阻尼响应，具有频率为 的的不衰减（等幅）振荡。不衰减（等幅）振荡。阻尼比和超调量的关系曲线如下图所示46结论：对于二阶欠阻尼系统而言，结论：对于二阶欠阻尼系统而言，大，大，小，系
14、统响应的平稳性好。小，系统响应的平稳性好。在在 一定的情况下，一定的情况下，越大，振荡频率越大，振荡频率 也越高，响应平稳性也越差。也越高，响应平稳性也越差。47快速性快速性从图中看出，对于5误差带，当 时，调节时间最短，即快速性最好。同时，其超调量5，平稳性也较好，故称 为最佳阻尼比。总结：总结：越大，调节时间 越短；当 一定时，越大，快速性越好。48稳态精度稳态精度从上式可看出，瞬态分量随时间t的增长衰减到零，而稳态分量等于1，因此，上述欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应稳态误差为零。49欠阻尼二阶系统欠阻尼二阶系统单位阶跃响应性能指标单位阶跃响应性能指标1.上升时间上升时间 ：令 ，则所以：5
15、0根据极值定理有：根据极值定理有：该项不可能为零该项不可能为零2.峰值时间：峰值时间：51取n=1得:523.超调量超调量将峰值时间 代入下式得:所以:534.调节时间调节时间写出调节时间的表达式相当困难。在分析设计系统时，经常采用下列近似公式。当阻尼比 时54三、二阶系统举例三、二阶系统举例q设位置随动系统，其结构图如图所示，当给定输入设位置随动系统，其结构图如图所示，当给定输入为单位阶跃时，试计算放大器增益为单位阶跃时，试计算放大器增益KA200，1500，13.5时，输出位置响应特性的性能指标：峰值时时，输出位置响应特性的性能指标：峰值时间间tp，调节时间调节时间ts和超调量和超调量，并
16、分析比较之。，并分析比较之。55例题解析例题解析(1)输入：单位阶跃函数输入：单位阶跃函数系统的闭环传递函数系统的闭环传递函数56例题解析例题解析(2)当当KA 200时时系统的闭环传递函数：系统的闭环传递函数：与标准的二阶系统传递函数对照得：与标准的二阶系统传递函数对照得：57例题解析例题解析(3)当当KA 1500时时系统的闭环传递函数：系统的闭环传递函数：与标准的二阶系统传递函数对照得：与标准的二阶系统传递函数对照得：58例题解析例题解析(4)当当KA 13.5时时系统的闭环传递函数：系统的闭环传递函数：与标准的二阶系统传递函数对照得：与标准的二阶系统传递函数对照得：无无59系统在单位阶
17、跃作用下的响应曲线系统在单位阶跃作用下的响应曲线60四、四、改善二阶系统响应的措施改善二阶系统响应的措施1.误差信号的比例微分控制误差信号的比例微分控制61系统开环传递函数为闭环传递函数为等效阻尼比为62可见，引入了比例微分控制，使系统的等效阻尼可见，引入了比例微分控制，使系统的等效阻尼比加大了，从而抑制了振荡，使超调减弱，可以改比加大了，从而抑制了振荡，使超调减弱，可以改善系统的平稳性。微分作用之所以能改善动态性能，善系统的平稳性。微分作用之所以能改善动态性能，因为它产生一种早期控制（或称为超前控制），能因为它产生一种早期控制（或称为超前控制），能在实际超调量出来之前，就产生一个修正作用。在
18、实际超调量出来之前，就产生一个修正作用。63前面图的相应的等效结构由此知道64和 及 的大致形状如下一方面，增加 项，增大了等效阻尼比 ，使 曲线比较平稳。另一方面，它又使 加上了它的微分信号 ，加速了c(t)的响应速度，但同时削弱了等效阻尼比 的平稳作用。65总结：引入误差信号的比例微分控制，能否真正总结：引入误差信号的比例微分控制，能否真正改善二阶系统的响应特性，还需要适当选择微分时改善二阶系统的响应特性，还需要适当选择微分时间常数间常数 。若。若 大一些，使大一些，使 具有过阻尼的具有过阻尼的形式，而闭环零点的微分作用，将在保证响应特性形式，而闭环零点的微分作用，将在保证响应特性平稳的情
19、况下，显著地提高系统的快速性。平稳的情况下，显著地提高系统的快速性。662.输出量的速度反馈控制输出量的速度反馈控制将输出量的速度信号c(t)采用负反馈形式，反馈到输入端并与误差信号e(t)比较，构成一个内回路，称为速度反馈控制。如下图所示。67闭环传递函数为等效阻尼比为等效阻尼比增大了，振荡倾向和超调量减小，改善了系统的平稳性。683.比例比例-微分控制和速度反馈控制比较微分控制和速度反馈控制比较从实现角度看，比例-微分控制的线路结构比较简单，成本低；而速度反馈控制部件则较昂贵。从抗干扰来看，前者抗干扰能力较后者差。从控制性能看，两者均能改善系统的平稳性，在相同的阻尼比和自然频率下，采用速度
20、反馈不足之处是其会使系统的开环增益下降，但又能使内回路中被包围部件的非线性特性、参数漂移等不利影响大大削弱。69五、五、高阶系统的时域分析高阶系统的时域分析l定义：用高阶微分方程描述的系统称为高阶系统。由于求高阶系统的时间响应很是困难，所以通常总是将多数高阶系统化为一、二阶系统加以分析。通常对于高阶系统来说，离虚轴最近的一个或两个闭环极点在时间响应中起主导作用，而其他离虚轴较远的极点，它们在时间响应中相应的分量衰减较快，只起次要作用，可以忽略。70这时，高阶系统的时域分析就转化为相应的一、二阶系统。这就是所谓的主导极点主导极点的概念，将在第四章中详细介绍。一、二阶系统的极点分布如下：7133
21、系统稳定性分析系统稳定性分析主要内容：主要内容：q线性定常系统稳定的概念线性定常系统稳定的概念q系统稳定的条件和稳定性的判定方法。系统稳定的条件和稳定性的判定方法。返回子目录返回子目录72一、系统稳定的概念一、系统稳定的概念q稳定性是指当扰动作用消失后，系统由初始稳定性是指当扰动作用消失后，系统由初始偏差状态恢复到原平衡状态的能力。偏差状态恢复到原平衡状态的能力。q若系统能恢复到平衡状态，就称该系统是稳若系统能恢复到平衡状态，就称该系统是稳定的，若系统在扰动作用消失后不能恢复平定的，若系统在扰动作用消失后不能恢复平衡状态，且偏差越来越大，则称系统是不稳衡状态，且偏差越来越大，则称系统是不稳定的
22、。定的。73二、稳定性的数学条件二、稳定性的数学条件设系统的线性化增量方程为设系统的线性化增量方程为74对上式进行拉氏变换得对上式进行拉氏变换得其中：其中：D(s)为系统闭环特征式，也称输出端算为系统闭环特征式，也称输出端算子式；子式；M(s)称为输入端算子式。称为输入端算子式。R(s)为输入，为输入，C(s)为输出，为输出，M0(s)是是与系统的初始状态有关与系统的初始状态有关的多项式。的多项式。或简写为或简写为75则有假定：将C(s)等式右边的两项分别展成部分分式，可得76再进行拉氏逆变换，得该部分为稳态分量，该部分为稳态分量，即微分方程的特解，即微分方程的特解，取决于输入作用。取决于输入
23、作用。77该部分为瞬态分量，即微分方程的通解，运动规律取决于 ，由系统的结构参数确定。78系统去掉扰动后的恢复能力，应由瞬态分量系统去掉扰动后的恢复能力，应由瞬态分量决定。此时，系统的输入为零。决定。此时，系统的输入为零。故：稳定性定义可转化为故：稳定性定义可转化为式中：式中：Ai，Ci均为常值，因此，系统的稳定均为常值，因此，系统的稳定性仅取决于特征根性仅取决于特征根si的性质。的性质。79特征根的性质对系统稳定性的影响l当当si为实根时，即为实根时，即si i800 i 0=i t0)(tciiCA+81特征根与系统稳定性的特征根与系统稳定性的关系关系(2)n当当si为共轭复根时，即为共轭
24、复根时，即si，i+1 i ji82共轭复根情况下系统的稳定性共轭复根情况下系统的稳定性83结论：l系统稳定的充分必要条件是：系统稳定的充分必要条件是：系统的特征方程的所有根都具有负实部，系统的特征方程的所有根都具有负实部，或者说都位于或者说都位于s平面的虚轴之左。平面的虚轴之左。注：拉氏变换性质中的终值定理的适用条件：注：拉氏变换性质中的终值定理的适用条件：sE(s)在在s平面的右半平面解析，就是上面稳定条件平面的右半平面解析，就是上面稳定条件的另一种表示，即特征方程的所有根的另一种表示，即特征方程的所有根si位于位于s平面平面的虚轴之左。的虚轴之左。84三、稳定性判据l判据之一：赫尔维茨（
25、判据之一：赫尔维茨（Hurwitz)稳定判据稳定判据系统稳定的充分必要条件是：特征方程的系统稳定的充分必要条件是：特征方程的赫尔维茨行列式赫尔维茨行列式Dk（k1,2,3,，n）全部全部为正。为正。85赫尔维茨判据赫尔维茨判据系统特征方程的一般形式为系统特征方程的一般形式为各阶赫尔维茨行列式为各阶赫尔维茨行列式为（一般规定 ）86举例：举例：系统的特征方程为系统的特征方程为试用赫尔维茨判据判断系统的稳定性。试用赫尔维茨判据判断系统的稳定性。87解解：第一步：由特征方程得到各项系数第一步：由特征方程得到各项系数第二步：计算各阶赫尔维茨行列式第二步：计算各阶赫尔维茨行列式结论：结论：系统不稳定。系
26、统不稳定。88l判据之二：林纳德判据之二：林纳德 奇帕特（奇帕特（Lienard-Chipard)判据判据系统稳定的充分必要条件为：系统稳定的充分必要条件为：系统特征方程的各项系数大于零，即系统特征方程的各项系数大于零，即奇数阶或偶数阶的赫尔维茨行列式大于零。即奇数阶或偶数阶的赫尔维茨行列式大于零。即或或必要条件必要条件89举例：举例：l单位负反馈系统的开环传递函数为单位负反馈系统的开环传递函数为试求开环增益的稳定域。试求开环增益的稳定域。90解：解：第一步：求系统的闭环特征方程第一步：求系统的闭环特征方程第二步：列出特征方程的各项系数。第二步：列出特征方程的各项系数。第三步：系统稳定的充分必
27、要条件。第三步：系统稳定的充分必要条件。91解得：解得：开环增益的稳定域为：开环增益的稳定域为：由此例可见，由此例可见，K越大，系统的稳定性越差。上述判据越大，系统的稳定性越差。上述判据不仅可以判断系统的稳定性，而且还可根据稳定性不仅可以判断系统的稳定性，而且还可根据稳定性的要求确定系统参数的允许范围（即稳定域）。的要求确定系统参数的允许范围（即稳定域）。92l判据之三：劳思判据之三：劳思(Routh)判据判据系统稳定的充分必要条件是：系统稳定的充分必要条件是：劳思表劳思表中第一列中第一列所有元素的计算值均大于零。所有元素的计算值均大于零。93若系统的特征方程为若系统的特征方程为则劳思表中各项
28、系数如下图则劳思表中各项系数如下图94关于劳思判据的几点说明l如果第一列中出现一个小于零的值，系统就如果第一列中出现一个小于零的值，系统就不稳定。不稳定。l第一列中数据符号改变的次数等于系统特征第一列中数据符号改变的次数等于系统特征方程正实部根的数目，即系统中不稳定根的方程正实部根的数目，即系统中不稳定根的个数。个数。95例1设系统特征方程如下：设系统特征方程如下：试用劳思判据判断该系统的稳定性，并确试用劳思判据判断该系统的稳定性，并确定正实部根的数目。定正实部根的数目。96解：解：将特征方程系数列成劳思表将特征方程系数列成劳思表结论：系统不稳定；系统特征方程有两个正实部的根。结论：系统不稳定
29、；系统特征方程有两个正实部的根。97劳思表判据的特殊情况劳思表判据的特殊情况l在劳思表的某一行中，第一列项为零。l在劳思的某一行中，所有元素均为零。在这两种情况下，都要进行一些数学处理，原则是不影响劳思判据的结果。98例例2设系统的特征方程为：设系统的特征方程为：试用劳思判据确定正实部根的个数。试用劳思判据确定正实部根的个数。99解：解：将特征方程系数列成劳思表将特征方程系数列成劳思表由表可见，第二行中的第一列项为零，所以第三行的第一列项出现无穷大。为避免这种情况，可可用因子用因子(s+a)乘以原特征式，其中乘以原特征式，其中a可为任意正数可为任意正数，这里取a=1。100于是得到新的特征方程
30、为：将特征方程系数列成劳思表：结论：第一列有两次符号变化，故方程有两个正实部根。101例例3 3设系统的特征方程为：设系统的特征方程为：试用劳思判据确定正实部根的个数。试用劳思判据确定正实部根的个数。102解：解：将特征方程系数列成劳思表将特征方程系数列成劳思表劳思表中出现全零行，表明特征方程中存在一些大小相等，但位置相反的根。这时，可用全零行上一行的这时，可用全零行上一行的系数构造一个辅助方程，对其求导，用所得方程的系系数构造一个辅助方程，对其求导，用所得方程的系数代替全零行，继续下去直到得到全部劳思表。数代替全零行，继续下去直到得到全部劳思表。103用 行的系数构造系列辅助方程 求导得：用
31、上述方程的系数代替原表中全零行，然后按正常规则计算下去，得到104105表中的第一列各系数中，只有符号的变化，所以该特征方程只有一个正实部根。求解辅助方程，可知产生全零行的根为 。再求出特征方程的其他两个根为 。106四、结构不稳定及改进措施四、结构不稳定及改进措施l某些系统，仅仅靠调整参数仍无法稳定，称结构不稳定系统结构不稳定系统。下图为液位可能控制系统。107消除结构不稳定的措施有两种 改变积分性质。引入比例-微分控制，补上特征方程中的缺项。该系统的闭环特征方程为系数缺项，显然不满足系统稳定的必要条件，且无论怎么调整系统参数，都不能使系统稳定。1081.1.改变积分性质改变积分性质 用反馈
32、 包围积分环节或者包围电动机的传递函数，破坏其积分性质。1092.2.引入比例微分控制引入比例微分控制在原系统的前向通路中引入比例-微分控制。110其闭环特征方程为由稳定的充分必要条件引入比例微分控制后，补上了特征方程中s的一次项系数。只要适当匹配参数，满足上述条件，系统就可以稳定。1113 34 4 稳态误差分析计算稳态误差分析计算一、误差与稳态误差一、误差与稳态误差系统的误差e(t)常定义为：e(t)=期望值实际值误差的定义有两种误差的定义有两种:(1)e(t)=r(t)-c(t)(2)e(t)=r(t)-b(t)返回子目录返回子目录112稳态误差定义：稳定系统误差的终值称为稳态系统。当时
33、间t趋于无穷时，e(t)极限存在，则稳态误差为二、二、稳态误差的计算稳态误差的计算若e(t)的拉普拉斯变换为E(s)，且113在计算系统误差的终值(稳态误差)时，遇到的误差的象函数 一般是s的有理分式函数，这时当且仅当 的极点均在左半面，就可保证存在，则就成立。注：sE E(s)的极点均在左半面的条件中，蕴涵了闭环系统稳定的条件。114对上述系统，若定义e(t)=r(t)-b(t),则E(s)=R(s)-B(s)115称之为系统对输入信号的误差传递函数系统对输入信号的误差传递函数。称 为系统对干扰的误差传递函数系统对干扰的误差传递函数。116例：例：系统结构如下图。当输入信号r(t)=1(t)
34、,干扰n(t)=1(t)时，求系统的总的稳态误差解：解：判别稳定性。由于是一阶系统，所以只要参数 大于零，系统就稳定。求E(s)。117根据结构图可以求出依题意：R(s)=N(s)=1/s,则 应用终值定理得稳态误差118三三 、输入信号作用下的稳态误差与系统结构参数的关系、输入信号作用下的稳态误差与系统结构参数的关系当系统只有输入当系统只有输入r(t)作用时，系统的开环作用时，系统的开环传递函数为传递函数为RECB119将将G(s)H(s)写成典型环节串联形式：写成典型环节串联形式：当sE(s)的极点全部在s平面的左半平面时，可用终值定理求得：上式表明：系统的稳态误差除与输入有关外，只与系上
35、式表明：系统的稳态误差除与输入有关外，只与系统的开环增益统的开环增益K和积分环节的个数有关。和积分环节的个数有关。1201.阶跃信号作用下的稳态误差阶跃信号作用下的稳态误差要消除要消除阶跃信号阶跃信号作用下作用下的稳态误差，开环传递的稳态误差，开环传递函数中至少要有一个积函数中至少要有一个积分环节。分环节。但是，积分环但是，积分环节多会导致系统不稳定。节多会导致系统不稳定。1212.斜坡信号作用下的稳态误差斜坡信号作用下的稳态误差要消除要消除斜坡信号斜坡信号作用下作用下的稳态误差，开环传递的稳态误差，开环传递函数中至少要有两个积函数中至少要有两个积分环节。分环节。1223.等加速信号作用下的稳
36、态误差等加速信号作用下的稳态误差要消除等加速信号作用要消除等加速信号作用下的稳态误差，开环传下的稳态误差，开环传递函数中至少要有三个递函数中至少要有三个积分环节。积分环节。但是，积分但是，积分环节多会导致系统不稳环节多会导致系统不稳定。定。123由以上分析可见，要消除系统在幂函数输入信号作用下的稳态误差，则要求增加积分环节的数目，要减小系统的稳态误差，则要求提高开环增益。系统型别是针对系统的系统型别是针对系统的开环传递开环传递函数中函数中积分环节的个数而言的。积分环节的个数而言的。=的系统称为型系统；的系统称为型系统；的系统称为的系统称为型系统；型系统；的系统称为的系统称为型系统。型系统。12
37、4静态误差系数由当定义静态位置误差系数 Kp 为得125当定义静态速度误差系数 Kv 为当定义静态加速度误差系数 Ka 为126典型输入下的静态误差系数及稳态误差127例：例：系统结构如下图：若输入信号为 ，试求系统的稳态误差。解：解：判别稳定性。系统的闭环特征方程为128 根据系统结构与稳态误差之间的关系，可以直接求 。从结构图看出，该系统为单位反馈且属型系统。因此。129注意事项q系统必须是稳定的，否则计算稳态误差没有意义；系统必须是稳定的，否则计算稳态误差没有意义；q以上结论仅适用于输入信号作用下系统的稳态误以上结论仅适用于输入信号作用下系统的稳态误差，不适用于干扰作用下系统的稳态误差；
38、差，不适用于干扰作用下系统的稳态误差；q上述公式中必须是系统的开环增益，也即开环上述公式中必须是系统的开环增益，也即开环传递函数中，各典型环节的常数项均为时的系传递函数中，各典型环节的常数项均为时的系数；数；q以上规律是根据误差定义以上规律是根据误差定义E(s)=R(s)-B(s)推得的。推得的。130四、四、干扰作用下的稳态误差与系统结构参数的关系干扰作用下的稳态误差与系统结构参数的关系用一待定的 来代替上图中的 ，然后找出消除系统在干扰n(t)作用下的误差时，需具备的条件。131132以上分析表明，是误差信号到干扰作用点之间的传递函数，系统在时间幂函数干扰作用下的稳态误差 与干扰作用点到误差信号之间的积分环节数目和增益大小有关，而与干扰作用点后面的积分环节数目和增益大小无关。133例：例：系统结构图如下，已知干扰n(t)=1(t),试求干扰作用下的稳态误差 。解：解：判断稳定性。系统开环传递函数为134所以闭环特征方程为 求稳态误差 。从图中可以看出，误差信号到干扰作用点之前的传递函数中含有一个积分环节，所以可得出，系统在阶跃干扰作用下的稳态误差 为零。135136本章知识点及联系 误差的定义公式、图表公式、图表劳思判据、赫尔维茨判据一阶系统标准式二阶系统标准式闭环特征式稳定性终值定理判稳等效单位负反馈系统开环传递函数判稳误差系数137