实验一 典型环节的时域响应
一、实验目的
1、掌握典型环节模拟电路的构成方法，传递函数及输出时域函数的表达式。
2、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。
3、了解各项参数变化对典型环节动态响应的影响。
二、实验仪器设备
Pc 机一台，TD-ACC+教学实验系统一套
三、实验原理及内容 1、比例环节
1）结构框图
图1-1
比例环节的结构框图
2）传递函数
()
()
C s K R s = 3）阶跃响应
10()(0)
=/C t K
t K R R =≥其中
4) 模拟电路
图1-2
比例环节的模拟电路图
2、积分环节
1）结构框图
图1-3
积分环节的结构框图
K
R （s ）
C （s ）
R(s)
C(s)
R0=200
R1=100K
10K
10K
1/Ts
R （s ）
C （s ）
2）传递函数
()1
()s
C s R s T = 3）阶跃响应
01()(0)
=C t t t T R C T
=
≥其中
4) 模拟电路
图1-4
积分的模拟电路图
3、比例积分环节
1）结构框图
图1-5
比例积分环节的结构框图
2）传递函数
3）阶跃响应
001
()+
(0)
=/,1C t K t t K R R T R C T
=≥=其中
4) 模拟电路
R(s)
C(s)
R0=200
C=1u
10K
10K
1/Ts
R （s ）
K
C （s ）
()1
()s
C s K R s T =+
图1-6
比例积分环节的模拟电路图
4、惯性环节
1）结构框图
图1-7
惯性环节的结构框图
2）传递函数
()()s+1
C s K
R s T = 3）阶跃响应
-t/T 01()(1e )
(0)
/=1C t K t K =R R T R C
=-≥其中，
4) 模拟电路
图1-8
惯性环节的模拟电路图
四、实验步骤
1、按图1-2比例环节的模拟电路将线连好。检查无误后开启设备电源。
2、将信号源单元的“ST ”端插针与“S ”端插针用短路块。将信号形式开关设在方波档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT ”端输出的方波幅值小于5V ，周期为10s 左右。
K/（Ts+1）
R （s ）
C （s ）
R(s)
C(s)
R0=200
R1=200k
10K
10K
R(s)
C(s)
R0=200
C=1u
10K
10K
R1=200
3、将方波信号加至比例环节的输入端R(t)，用示波器的“CH1”“CH2”表笔 分别检测模拟电路的输入端R(t)和输出端C(t)端。记录实验波形及结果。
4、用同样的方法分别得出积分环节、比例积分环节、惯性环节对阶跃信号的实际响应曲线。
5、再将各环节试验参数修改后，用同样的步骤方法重测一遍。
五、实验曲线及结论 1、比例环节
阶跃响应为：
10
()(0)
=/C t K
t K R R =≥其中
（1）当R0=200K ，R1=100K 时 图形如下：
图1 比例环节1
理论波形为：
理论计算放大倍数为10=/100/2000.5K R R ==
输入信号幅值为910mv ，输出信号幅值为490mv ，实际放大倍数为
=490/910=0.538K ，在误差允许范围内与理论值相符。
（2）当R0=200K 、R1=200K 时，图形如下：
图2 比例环节2
理论波形为：
理论计算放大倍数为10=/200/2001K R R ==
输入信号幅值为915mv ，输出信号幅值为910mv ，实际放大倍数为=910/915=0.995K ，在误差允许范围内与理论值相符。
结论：对于比例环节的放大系数，其影响因素为R1、R0电阻的比值，其比
值越大，放大系数越大。
2、积分环节
阶跃响应为：
01()(0)=C t t t T R C
T
=
≥其中
（1）R0=200kΩ、C=1uF 时波形如下：
图3 积分环节1
理论波形为：
理论计算时间常数0=2001200T R C k u ms =?=。
实际积分常数为191.5ms 在误差允许范围内与理论值相符。
（2）R0=200kΩ、C=2uF 时波形如下：
图4 积分环节2
理论波形为：
理论计算时间常数0=2002400T R C k u ms =?=。
实际积分常数为378.4ms ，在误差允许范围内与理论值相符。
结论：对于积分环节的时间常数，其影响因素为C 、R0的乘积，其乘积越大，
时间常数越大，放大系数越小。
3、比例积分环节
阶跃响应为：
001
()+
(0)=/,1C t K t t K R R T R C T
=≥=其中 （1）R0=200k 、R1=200k 、C=1u 时波形如下：
图5 比例积分环节1
理论波形为：
理论计算：
10=/200/2001K R R == 0=2001200T R C k u ms =?=。
实际，积分常数为T=204.6ms ，在误差允许范围内与理论值相符。 （2）R0=100k 、R1=200k 、C=2u 时波形如下：
图6 比例积分环节2
理论波形为：
理论计算：
10=/200/1002K R R == 0=1002200T R C k u ms =?=。
实际，积分常数为T=219.3ms ，在误差允许范围内与理论值相符。 结论：对于比例积分环节的时间常数，其影响因素为C 、R0的乘积，其乘积越大，时间常数越大，放大倍数越小；偏移量K 的影响因素为R1、R0电阻的比值，其比值越大，偏移量越大。
4、惯性环节
阶跃响应为：
-t/T 01()(1e )
(0)
/=1C t K t K =R R T R C
=-≥其中，
（1）R0=200k 、R1=200k 、C=1u 时波形如下：
图7 惯性环节1
理论波形为：
理论计算：
10=/200/2001K R R == 0=2001200T R C k u ms =?=。
实际稳态放大倍数=1K ，积分常数为=200.0ms T ，在误差允许范围内与理论值相符。
（2）R0=200k 、R1=200k 、C=2u 时波形如下：
图8 惯性环节2
理论波形为：
理论计算：
10=/200/2001K R R == 0=2002400T R C k u ms =?=。
实际稳态放大倍数=1K ，积分常数为=400ms T ，在误差允许范围内与理论值相符。
结论：对于惯性环节的时间常数，其影响因素为C 、R0的乘积，其乘积越大，时间常数越大，输出信号与输入信号的延迟时间越长；稳态对应的放大倍数K 的影响因素为R1、R0电阻的比值，其比值越大，稳态值与输入信号的幅值比值越大。
六、思考题
1、由运算放大器组成的各种环节的传递函数是在什么条件下推导出来的？ 答：由运算放大器组成的各种环节的传递函数是根据运算放大器的同相输入端和反相输入端的虚短、虚断特性推导出来的。
2、实验电路中串联的后一个运放的作用？若没有则其传递函数与什么差别？ 答：后一个运放的作用是反相器，将输出信号由负经过反相器转为正。若没有该反相器，则运算放大器组成的各种环节所推导的传递函数表达式中出现一个负号。
3、惯性环节在什么条件下可以近似为比例环节？而在什么条件下可以近似为积分环节？
答：惯性环节当电阻电容并联中的电容值很小时，相当于只并联一个电阻，时间常数很小，输出信号与输入信号的延迟很小，可以近似为比例环节。
当电阻电容并联中的电阻很大时，相当于只并联一个电容，时间常数很大，输出信号曲线可以近似为比例环节的阶跃响应曲线。
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
自动控制理论实验报告
课程名称：自动控制理论实验院系：电气学院
班级：0906153
姓名：张恒
学号：1090610806
实验二 典型系统的时域响应和稳定性分析
一、实验目的
1、研究二阶系统的特征参量（ξ、n ω）对过渡过程的影响；
2、研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性；
3、熟悉Routh 判据，用Routh 判据对三阶系统进行稳定性分析。
二、实验设备
Pc 机一台，TD-ACC+教学实验系统一套。
三、实验原理及内容 1、典型二阶系统
1）结构框图
图2-1
典型的二阶系统的结构框图
2）模拟电路图
图2-2
典型二阶系统的模拟电路图
20k
20k
20k
500k
2u
R
100k
1u
10k
10k
R （t ） C （t ）
3）理论分析
系统的开环传递函数为：101
011/()()(1)(1)
k T k G S H S T S T S S T S ==++
系统的开环增益：10/K k T = 4）实验内容
先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻R 的理论值，再将理论之应用于模 拟电路中，观察二阶系统的动态性能及稳定性，与理论值比较。 在此实验中：0111011,0.1,100/,/100/T s T s k R K k T k R ======
系统闭环传递函数为：22221000/()2101000/n n n R
W S S S S S R
ωξωω==++++
其中自然振荡角频率：1010/n R ω= 阻尼比：1
210/R
ξ=
2、典型三阶系统稳定性
1）结构框图
图2-3
典型三阶系统的结构框图
2）模拟电路图
1/T0S
K1/T1S+1
R （s ）
E （s ）
C （s ）
+ —
—
K2/T2S+1
图2-4
典型三阶系统的模拟电路图
3）理论分析
系统的开环传递函数为：500/
()()
(0.11)(0.51)
R G S H S S S S =++ （其中
500/K R =）
系统的特征方程为：1()0GH s +=
321220200s s s K +++= 4）实验内容
由Routh 判据得Routh 行列式：
3310
1201220(205/3)
0200
S S K S K K
S - 系统稳定时，第一列各值都为正数，所以
205/30K ->
200K >
得：120>>K 41.7R >K
系统稳定 20K = 41.7R =K
系统临界稳定 12K > 41.7 系统不稳定 四、实验步骤 1、按图中典型二阶系统的模拟电路图将线接好。检查后开启设备电源。 2、将信号源单元的“ST ”端插针与“S ”端插针用短路块。将信号形式开关设在方波档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT ”端输出的方波幅值为1V ，周期为10s 左右。 3、典型的二阶系统瞬态响应 20k 20k 20k 500k 2u 100k 100k 1u 10k 10k R C R 500k 1u 1）按模拟电路图接线，将步骤1中的方波信号接至输入端。 2）取R=10k ，用示波器观察二阶系统响应曲线C(t)，测量并记录性能指标%p σ、t p 、t s 。 3）分别按R = 20K, 40K , 100K 改变系统开环增益，观察相应的阶跃响应C(t)，测量并记录性能指标%p σ、t p 和t s 以及系统的稳定性。并将测量值和计算值（实验前必需按公式计算出）进行比较。 4、典型三阶系统的稳定性 1）按图中典型三阶系统的模拟电路图将线接好，将步骤1中的方波信号接至输入端。 2）改变R 的值，观察系统响应曲线，使之系统稳定（衰减振荡）、系统临界稳定（等幅振荡）、系统不稳定（发散振荡）。分别记录与之对应的电阻R 值，并将测量值与理论计算值进行比较。 五、实验曲线及结论 1、典型二阶系统： 1）取10R k =，1010/10rad/s n R ω==，1 0.5210/R ξ= =，波形如下所示： 图1 典型二阶环节R=10k 理论计算各性能指标为： 2 /1%10016.3%p e ξπξσ--==，20.3631p d n t s ππ ωωξ= ==-，40.80s s n t ωξ ==， 实验测得%16.7%p σ=，0.3438p t s =，0.6094s s t = 在误差范围内实际测得值与理论值在误差范围内基本相等。 2）取20R k =，1010/52rad/s n R ω==，1 0.707210/R ξ==，波形如下 所示： 图2 典型二阶环节R=20k （1） 图3 典型二阶环节R=20k （2） 理论计算各性能指标为： 2 / 1%100 4.32%p e ξπξσ--==，20.6281p d n t s ππωωξ= ==-，40.80s s n t ωξ ==， 实验测得% 3.8%p σ=，0.6094p t s =，0.6094s s t = 在误差范围内实际测得值与理论值基本相等。 3）取40R k =，1010/5rad/s n R ω==，1 1210/R ξ= =，波形如下所示： 图4 典型二阶环节R=40k 此时处于临界阻尼，无超调。0.6094s s t = 4）取100R k =，1010/10rad/s n R ω==，1 1.58210/R ξ==，波形如下 所示： 图5 典型二阶环节R=100k 广东工业大学实验报告 分数：实验题目典型环节及其阶跃响应分析 一、实验目的 1、掌握控制模拟实验的基本原理和一般办法。 2、掌握控制系统时域性指标的测量方法。 二、实验原理 1.模拟实验的基本原理： 控制系统模拟实验采用复合网络法来来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可以进一步分析参数对系统性能的影响。 三、实验仪器 1、EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2、计算机一台 四、实验内容 1、比例环节 比例环节的模拟电路及其传递函数如下 当R2=200K时，其输出波形如下图： 由上图可得，实际K=2449/1029=2.37 理论值K=2 误差：y=|k`- k|/ k *100% =|2.37-2|/2*100% =18.5% 当R2=400K时，其输出波形如下图： 由上图可得，实际K=4389/1029=4.27 理论值K=4 误差：y=|k`- k|/ k *100% =|4.27-4|/4*100% =6.75% 数据分析：从图中可以看出，比例环节最大的特点就是时间响应快，一旦有输入信号，输出立即响应。且实际K存在一定误差，分析电路可知，误差是由R1、R2的实际值存在偏差而导致的，同时和放大器的结构参数也有关系。 2、惯性环节 惯性环节的模拟电路及其传递函数如下 G(S)=-K/TS+1 K=R2/R1 T=R2C 当C=1uF 时，其输出波形如下图： 由上图可得，实际T=0.076s 理论值T=0.1s 误差：η1=|T`- T|/ T *100% =|0.076-0.1|/0.1*100% =24% 当C=2uF 时，其输出波形如下图： 武汉工程大学实验报告 专业班号 组别01 教师 姓名同组者（个人） 2222)(n n n s s s G ωζωω++= （1）分别绘出)/(2s rad n =ω，ζ分别取0,,,和时的单位阶跃响应曲线，分析参数ζ对系统的影响，并计算ζ=时的时域性能指标ss s p r p e t t t ,,,,σ。 （2）绘制出当ζ=, n ω分别取1,2,4,6时单位阶跃响应曲线，分析参数n ω对系统的影响。 （3）系统的特征方程式为010532234=++++s s s s ，试用二种判稳方式判别该系统的稳定性。 （4）单位负反馈系统的开环模型为 )256)(4)(2()(2++++= s s s s K s G 试分别用劳斯稳定判据和赫尔维茨稳定判据判断系统的稳定性，并求出使得闭环系统稳定的K 值范围。 三、 实验结果及分析 1.可以用两种方法绘制系统的阶跃响应曲线。 （1）用函数step( )绘制 MATLAB 语言程序： >> num=[ 0 0 1 3 7]; >> den=[1 4 6 4 1 ]; >>step(num,den); >> grid; >>xlabel('t/s');ylabel('c(t)');title('step response'); MATLAB运算结果: (2)用函数impulse( )绘制 MATLAB语言程序： >> num=[0 0 0 1 3 7]； >> den=[1 4 6 4 1 0]； >> impulse(num,den)； >> grid； >> xlabel('t/s');ylabel('c(t)');title('step response')；MATLAB运算结果: 武汉工程大学 实验报告 专业 班号 组别 指导教师 姓名 学号 实验名称 线性系统时域响应分析 一、实验目的 1．熟练掌握step( )函数和impulse( )函数的使用方法，研究线性系统在单位阶跃、单位脉冲及单位斜坡函数作用下的响应。 2．通过响应曲线观测特征参量ζ和n ω对二阶系统性能的影响。 3．熟练掌握系统的稳定性的判断方法。 二、实验内容 1．观察函数step( )和impulse( )的调用格式，假设系统的传递函数模型为 1 4647 3)(2 342++++++=s s s s s s s G 可以用几种方法绘制出系统的阶跃响应曲线试分别绘制。 2．对典型二阶系统 2 22 2)(n n n s s s G ωζωω++= 1）分别绘出)/(2s rad n =ω，ζ分别取0,,,和时的单位阶跃响应曲线，分析参数ζ对系统的影响，并计算ζ=时的时域性能指标ss s p r p e t t t ,,,,σ。 2）绘制出当ζ=, n ω分别取1,2,4,6时单位阶跃响应曲线，分析参数n ω对系统的影响。 3．系统的特征方程式为010532234=++++s s s s ，试用两种判稳方式判别该系统的稳定性。 4．单位负反馈系统的开环模型为 ) 256)(4)(2()(2++++= s s s s K s G 试用劳斯稳定判据判断系统的稳定性，并求出使得闭环系统稳定的K 值范围。 三、实验结果及分析 1．观察函数step( )和impulse( )的调用格式，假设系统的传递函数模型为 14647 3)(2342++++++=s s s s s s s G 可以用几种方法绘制出系统的阶跃响应曲线试分别绘制。 方法一：用step( )函数绘制系统阶跃响应曲线。 程序如下： num=[0 0 1 3 7]; den=[1 4 6 4 1]; t=0::10; step(num,den) grid xlabel('t/s'),ylabel('c(t)') title('Unit-step Response of G(s)=s^2+3s+7/(s^4+4s^3+6s^2+4s+1)') Unit-step Response of G(s)=s 2+3s+7/(s 4+4s 3+6s 2+4s+1) t/s (sec) c (t ) 方法二：用impulse( )函数绘制系统阶跃响应曲线。 程序如下： num=[0 0 0 1 3 7 ]; den=[1 4 6 4 1 0]; t=0::10; impulse(num,den) grid xlabel('t/s'),ylabel('c(t)') title('Unit-impulse Response of G(s)/s=s^2+3s+7/(s^5+4s^4+6s^3+4s^2+s)') 电子科技大学中山学院学生实验报告系别：机电工程学院专业：课程名称：自动控制原理实验 一、目的要求 1．研究二阶系统的特征参量 (ξ、ωn) 对过渡过程的影响。 2．研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。 3．熟悉 Routh 判据，用 Routh 判据对三阶系统进行稳定性分析。 二、实验设备 PC机一台，TD—ACC教学实验系统一套 三、实验原理及内容 1．典型的二阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：如图所示。 图 (2) 对应的模拟电路图：如图所示。 图 电子科技大学中山学院学生实验报告 系别：机电工程学院专业：课程名称：自动控制原理实验班级：姓名：学号：组别： 实验名称：实验时间： 学生成绩：教师签名：批改时间： (3) 理论分析 系统开环传递函数为： ；开环增益： (4) 实验内容 先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻 R 的理论值，再将理论值应用于模拟电路中， 观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。在此实验中(图， 系统闭环传递函数为： 其中自然振荡角频率： 2．典型的三阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：如图所示。 电子科技大学中山学院学生实验报告 系别：机电工程学院专业：课程名称：自动控制原理实验班级：姓名：学号：组别： 实验名称：实验时间： 学生成绩：教师签名：批改时间： 电子科技大学中山学院学生实验报告 系别：机电工程学院专业：课程名称：自动控制原理实验 电子科技大学中山学院学生实验报告 系别：机电工程学院专业：课程名称：自动控制原理实验 电子科技大学中山学院学生实验报告 系别：机电工程学院专业：课程名称：自动控制原理实验 自动控制原理实验 典型环节及其阶跃相应 .1 实验目的 1. 学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。 2. 学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。 3. 学习用Multisim 、MATLAB 仿真软件对实验内容中的电路进行仿真。 .2 实验原理 典型环节的概念对系统建模、分析和研究很有用，但应强调典型环节的数学模型是对各种物理系统元、部件的机理和特性高度理想化以后的结果，重要的是，在一定条件下， 典型模型的确定能在一定程度上忠实地描述那些元、部件物理过程的本质特征。 1.模拟典型环节是将运算放大器视为满足以下条件的理想放大器： (1) 输入阻抗为∞。流入运算放大器的电流为零，同时输出阻抗为零； (2) 电压增益为∞： (3) 通频带为∞： (4) 输入与输出之间呈线性特性： 2.实际模拟典型环节： (1) 实际运算放大器输出幅值受其电源限制是非线性的，实际运算放大器是有惯性的。 (2) 对比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节和振荡环节，只要控制了输入量的大小或是输入量施加的时间的长短(对于积分或比例积分环节)，不使其输出工作在工作期间内达到饱和值，则非线性因素对上述环节特性的影响可以避免．但对模拟比例微分环节和微分环节的影响则无法避免，其模拟输出只能达到有限的最高饱和值。 (3) 实际运放有惯性，它对所有模拟惯性环节的暂态响应都有影响，但情况又有较大的不同。 3.各典型环节的模拟电路及传递函数 （1） 比例环节的模拟电路如图.1所示，及传递函数为： 1 2)(R R S G -= .1 比例环节的模拟电路 2. 惯性环节的模拟电路如图.2所示，及传递函数为： 其中1 2R R K = T=R 2 C 图.2 惯性环节的模拟电路 3. 积分环节的模拟电路如图.3所示，其传递函数为： 1 11R /1/)(21212212+-=+-=+-=-=TS K CS R R R CS R CS R Z Z S G 实验报告 实验名称典型系统的时域响应和稳定性分析系信息院专业班 姓名学号授课老师预定时间实验时间实验台号 一、目的要求 1．研究二阶系统的特征参量(ξ、ωn) 对过渡过程的影响。 2．研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。 3．熟悉Routh 判据，用Routh 判据对三阶系统进行稳定性分析。 二、原理简述 1．典型的二阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：如图所示。 (2) 理论分析 系统开环传递函数为： 开环增益 2．典型的三阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：如图所示。 (2) 理论分析 系统开环传递函数为： 系统的特征方程为: 三、仪器设备 PC 机一台，TD-ACC+(或TD-ACS)教学实验系统一套。 四、线路示图 1．典型的二阶系统稳定性分析 2．典型的三阶系统稳定性分析 五、内容步骤 1．典型的二阶系统稳定性分析 实验内容： 先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻R 的理论值，再将理论值应用于模拟电路中，观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。 系统闭环传递函数为： 其中自然振荡角频率： 阻尼比： 2．典型的三阶系统稳定性分析 实验内容 实验前由Routh 判断得Routh 行列式为： 为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有 实验步骤： 1．将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。由于每个运放单元均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V，周期为10s 左右。 2. 典型二阶系统瞬态性能指标的测试 (1) 按模拟电路图1.2-2 接线，将1 中的方波信号接至输入端，取R = 10K。 (2) 用示波器观察系统响应曲线C(t)，测量并记录超调MP、峰值时间tp 和调节时间tS。 (3) 分别按R = 50K；160K；200K；改变系统开环增益，观察响应曲线C(t)，测量并记录性能指标MP、tp 和tS，及系统的稳定性。并将测量值和计算值进行比较(实验前必须按公式计算出)。将实验结果填入表1.2-1 中。表1.2-2 中已填入了一组参考测量值，供参照。3．典型三阶系统的性能 (1) 按图1.2-4 接线，将1 中的方波信号接至输入端，取R = 30K。 (2) 观察系统的响应曲线，并记录波形。 (3) 减小开环增益(R = 41.7K；100K)，观察响应曲线，并将实验结果填入表1.2-3 中。表1.2-4 中已填入了一组参考测量值，供参照。 六、数据处理 典型的二阶系统稳定性分析波形 自动控制原理实验 典型环节及其阶跃相应 .1 实验目的 1. 学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。 2. 学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。 3. 学习用Multisim、MATLAB仿真软件对实验容中的电路进行仿真。 .2 实验原理 典型环节的概念对系统建模、分析和研究很有用，但应强调典型环节的数学模型是对各种物理系统元、部件的机理和特性高度理想化以后的结果，重要的是，在一定条件下，典型模型的确定能在一定程度上忠实地描述那些元、部件物理过程的本质特征。 1.模拟典型环节是将运算放大器视为满足以下条件的理想放大器： (1) 输入阻抗为∞。流入运算放大器的电流为零，同时输出阻抗为零； (2) 电压增益为∞： (3) 通频带为∞： (4) 输入与输出之间呈线性特性： 2.实际模拟典型环节： (1) 实际运算放大器输出幅值受其电源限制是非线性的，实际运算放大器是有惯性的。 (2) 对比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节和振荡环节，只要控制了输入量的大小或是输入量施加的时间的长短(对于积分或比例积分环节)，不使其输出工作在工作期间达到饱和值，则非线性因素对上述环节特性的影响可以避免．但对模拟比例微分环节和微 分环节的影响则无法避免，其模拟输出只能达到有限的最高饱和值。 (3) 实际运放有惯性，它对所有模拟惯性环节的暂态响应都有影响，但情况又有较大的不同。 3.各典型环节的模拟电路及传递函数 （1） 比例环节的模拟电路如图.1所示，及传递函数为： 1 2)(R R S G -= .1 比例环节的模拟电路 2. 惯性环节的模拟电路如图.2所示，及传递函数为： 其中1 2R R K = T=R 2C 1 11R /1/)(21212212+-=+-=+-=-=TS K CS R R R CS R CS R Z Z S G 实验报告 实验名称 线性系统时域响应分析 一、 实验目的 1．熟练掌握step( )函数和impulse( )函数的使用方法，研究线性系统在单位阶跃、单位脉冲及单位斜坡函数作用下的响应。 2．通过响应曲线观测特征参量ζ和n ω对二阶系统性能的影响。 3．熟练掌握系统的稳定性的判断方法。 二、 实验内容 1．观察函数step( )和impulse( )的调用格式，假设系统的传递函数模型为 1 4647 3)(2 342++++++=s s s s s s s G 可以用几种方法绘制出系统的阶跃响应曲线？试分别绘制。 2．对典型二阶系统 2 22 2)(n n n s s s G ωζωω++= 1）分别绘出)/(2s rad n =ω，ζ分别取0,0.25,0.5,1.0和2.0时的单位阶跃响应曲线，分析参数ζ对系统的影响，并计算ζ=0.25时的时域性能指标 ss s p r p e t t t ,,,,σ。 2）绘制出当ζ=0.25, n ω分别取1,2,4,6时单位阶跃响应曲线，分析参数n ω对系统的影响。 3．系统的特征方程式为010532234=++++s s s s ，试用两种判稳方式判别该系统的稳定性。 4．单位负反馈系统的开环模型为 ) 256)(4)(2()(2 ++++= s s s s K s G 试用劳斯稳定判据判断系统的稳定性，并求出使得闭环系统稳定的K 值范围。 三、 实验结果及分析 1.观察函数step( )和impulse( )的调用格式，假设系统的传递函数模型为 1 4647 3)(2342++++++=s s s s s s s G 可以用几种方法绘制出系统的阶跃响应曲线？试分别绘制。 方法一： num=[1 3 7]; den=[1 4 6 4 1]; step(num,den) grid xlabel('t/s'),ylabel('c(t)') title('Unit-step Respinse of G(s)=(s^2+3s+7)/(s^4+4s^3+6s^2+4s+1)') 方法二： num=[1 3 7]; den=[1 4 6 4 1 0]; impulse(num,den) grid xlabel('t/s'),ylabel('c(t)') title('Unit-impulse Respinse of G(s)/s=(s^2+3s+7)/(s^5+4s^4+6s^3+4s^2+s)') 实验二 典型二阶系统的时域响应与性能分析 一、实验目的 1、研究二阶系统的特征参量（ζ, ωn ）对过渡过程的影响。 2、研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。 二、实验设备 PC 机一台，TD-ACS 教学实验系统一套。 三、实验原理 典型二阶系统开环传递函数为：) 1()1()(101101 += += s T s T K s T s T K s G ；其中，开环放大系数01K K = 。系统方块图与模拟电路如图2-1与图2-2所示。 图2-1典型二阶系统方块图 图2-2模拟电路图 先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电电阻R 的理论值，再将理论值应用于模拟电路 中，观察二阶系统的动态性能及稳定性。 设R T K K s T T s T 200,2.0,10 1 10== ===， 系统闭环传递函数为： 2 222 221)()(n n n s s T K s T s T K K s Ts K s R s C ωζωω++=+ +=++= 其中，自然振荡频率：R T K n 10 10 == ω 阻尼比：4 102521R T K T n = = = ωζ 典型二阶系统的瞬态性能指标： 超调量：2 1%ζζπ δ--=e 峰值时间：2 1ζ ωπ-= n p t 峰值时间的输出值：2 11)(ζζπ -=+=e t C p 调节时间： 1）欠阻尼10<<ζ，???????=?=?≈5324 ，，t n n s ζωζω 2）临界阻尼1=ζ，???????=?=?≈575.4284 .5，，t n n s ωω 3）过阻尼1>ζ，? ??=?=?≈532 411，p ，p t s ，1p -与2p -为二阶系统两个互异的 负实根12 2,1-±-=-ζ ωζωn n p ，21p p ->>-，过阻尼系统可由距离虚轴较近的极点 1p -的一阶系统来近似表示。 大学学生实验报告 开课学院及实验室：实验中心 2013 年 11 月4日 学 院 机电 年级、专业、班 学号 实验课程名称 成绩 实验项目名称 典型环节及其阶跃响应 指导 教师 一、实验目的 二、实验原理(实验相关基础知识、理论) 三、实验过程原始记录(程序界面、代码、设计调试过程描述等) 四、实验结果及总结 一、实验目的 1．学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。 2．学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。 二、实验原理及电路图 (一) 用实验箱构成下述典型环节的模拟电路，并测量其阶跃响应。 1．比例环节的模拟电路及其传递函数如图2-1。 图2－1 G(S)= －R 2 /R 1 2．惯性环节的模拟电路及其传递函数如图2-2。 图2－2 G(S)=－K/(TS+1) K=R 2 /R 1 , T=R 2 C 3．积分环节的模拟电路及其传递函数如图2-3。 图2－3 G(S)=－1/TS T=RC 4．微分环节的模拟电路及其传递函数如图2-4。 图2－4 G(S)=－RCS 5．比例+微分环节的模拟电路及其传递函数如图2-5。 图2－5 G(S)=－K(TS+1) K=R 2 /R 1 ,T=R 2 C 6．比例+积分环节的模拟电路及其传递函数如图2-6。 图2－6 G(S)=K(1+1/TS) K=R 2 /R 1 , T=R 2 C 实验截图 1.比例环节 2.惯性环节 3.积分环节 4.微分环节 5.比例+微分环节 实验二--典型系统的时域响应分析实验仿真报告答案 实验二典型系统的时域响应分析 1. 实验目的 1) 通过用MATLAB 及SIMULINK 对控制系统的时域分析有感性认识。 2) 明确对于一阶系统，单位阶跃信号、单位斜坡信号以及单位脉冲信号的响应曲线图。 3) 对于二阶系统阶跃信号的响应曲线图以及不同阻尼比、不同自然角频率取值范围的二阶系统曲线比较图。 4) 利用MATLAB 软件来绘制高阶控制系统的零极点分布图，判断此系统是否有主导极点，能否用低阶系统来近似，并将高阶系统与低阶系统的阶跃响应特性进行比较 5）编制简单的M文件程序。 2. 实验仪器 PC计算机一台，MATLAB软件1套 3. 实验内容 1）一阶系统的响应 （1) 一阶系统的单位阶跃响应 在SIMULINK 环境下搭建图1的模型，进行仿 真，得出仿真曲线图。 理论分析：C（s）=1/[s(0.8s+1)]由拉氏反变换得h(t)=1-e^(-t/0.8) (t>=0) 由此得知，图形是一条单调上升的指数曲线，与理论分析相符。 （2) 一阶系统的单位斜坡响应 在SIMULINK环境下搭建图2的模型，将示波器横轴终值修改为12进行仿真，得出仿真曲线图。 理论分析：C（s）=1/[s^2(4s+1)]可求的一阶系统的单位斜坡响应为c(t)=(t-4)+4e^(-t/4) e(t)=r(t)-c(t)=4-4e^(-t/4) 当t=0时，e(t)=0,当趋于无穷时，误差趋于常值4. 3）一阶系统的单位脉冲响应 在medit 环境下，编译一个.m 文件，利用impulse（）函数可以得出仿真曲线图。此处注意分析在SIMULINK 环境中可否得到该曲线图。 典型环节及其阶跃响应 一、实验目的 1. 掌握控制系统模拟实验的基本原理和一般方法。 2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。 3. 加深典型环节的概念在系统建模、分析、研究中作用的认识。 4. 加深对模拟电路——传递函数——响应曲线的联系和理解。 二、实验仪器 1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 三、实验原理 1．模拟实验的基本原理 根据数学模型的相似原理，我们应用电子元件模拟工程系统中的典型环节，然后加入典型测试信号，测试环节的输出响应。反之，从实测的输出响应也可以求得未知环节的传递函数及其各个参数。 模拟典型环节传递函数的方法有两种：第一种方法，利用模拟装置中的运算部件，采用逐项积分法，进行适当的组合，构成典型环节传递函数模拟结构图；第二种方法将运算放大器与不同的输入网络、反馈网络组合，构成传递函数模拟线路图，这种方法可以称为复合网络法。本节介绍第二种方法。 采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络构成相应的模拟系统。将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。 图1-1 模拟实验基本测量原理 模拟系统以运算放大器为核心元件，由不同的R-C输入网络和反馈网络组成的各种 典型环节，如图1-2所示。图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是由R、C构成。 基于图中A点的电位为虚地，略去流入运放的电流，则由图1-2得： 1 21 0)(Z Z u u s G - =-= 由上式可求得由下列模拟电路组成典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。 2．一阶系统时域性能指标s r d t t t ,,的测量方法： 利用软件上的游标测量响应曲线上的值，带入公式算出一阶系统时域性能指标。 d t ：响应曲线第一次到达其终值∞ y 一半所需的时间。 r t ：响应曲线从终值∞y %10上升到终值∞ y % 90所需的时间。 s t ：响应曲线从0到达终值∞y 95%所需的时间。 3.实验线路与原理（注：输入加在反相端，输出信号与输入信号的相位相反） 1．比例环节 K R R Z Z s G -=- =- =1 21 2)( 比例环节的模拟电路及其响应曲线如图1-3。 K ——放大系数。K 是比例环节的特征量，它表示阶跃输入后，输出与输 入的比例关系，可以从响应曲线上求出。改变1R 或2R 的电阻值便可以改变比例 图1-2 运放的反馈连接 t K -1 图1-3 比例环节的模拟电路及其响应曲线 自动控制原理课程实验报告 实验题目： 典型系统的时域响应和稳定性分析 1 实验目的 1．研究二阶系统的特征参量 (ξ、ωn) 对过渡过程的影响。 2．研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。 3．熟悉 Routh 判据，用 Routh 判据对三阶系统进行稳定性分析 2 实验设备 PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套。 3 基本原理、内容、结果及分析： 3.1 基本原理 1．典型的二阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：如图1.2-1 所示。 (2) 理论分析 系统开环传递函数为： 开环增益 2．典型的三阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：如图1.2-3 所示。 系统开环传递函数为： 系统的特征方程为: 3.2内容 1．典型的二阶系统稳定性分析 2．典型的三阶系统稳定性分析 3.3步骤 1．典型的二阶系统稳定性分析 实验内容： 先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻 R 的理论值，再将理论值应用于模拟电路中， 观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。在此实验中(图 1.2-2)， 其中自然振荡角频率： 阻尼比： 2．典型的三阶系统稳定性分析 实验内容 实验前由Routh 判断得Routh 行列式为： 为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有 实验步骤 1． 将信号源单元的“ST ”端插针与“S ”端插针用“短路块”短接。由于每个运放单元均设置了锁 零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得 “OUT ”端输出的方波幅值为1V ，周期为10s 左右。 2. 典型二阶系统瞬态性能指标的测试 (1) 按模拟电路图1.2-2 接线，将1 中的方波信号接至输入端，取R = 10K 。 (2) 用示波器观察系统响应曲线C(t)，测量并记录超调MP 、峰值时间tp 和调节时间tS 。 (3) 分别按R = 50K ；160K ；200K ；改变系统开环增益，观察响应曲线C(t)，测量并记录性能指标MP 、 tp 和tS ，及系统的稳定性。并将测量值和计算值进行比较 (实验前必须按公式计算出)。将实验结果 填入表1.2-1 中。表1.2-2 中已填入了一组参考测量值，供参照。 3．典型三阶系统的性能 实验一、典型环节及其阶跃响应 一、实验目的 1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。 2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。 二、实验设备 1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 三、实验原理 1．模拟实验的基本原理： 控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。 2．时域性能指标的测量方法： 超调量ó %： 1)启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 2)检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击按 钮，出 现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表 示通信 正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续 进行实验。 3)连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1 输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。 4)在实验项目的下拉列表中选择实验一[典型环节及其阶跃响应] 。 5)鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框 中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结 果。 6)用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调 量： %100%max ?-=∞ ∞Y Y Y σ T P 与T S ： 利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态值所需的时间值，便可得到T P 与T S 。 四、实验内容 构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应： 1. 比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。 G （S ）= -R2/R1 2. 惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。 G （S ）= - K/TS+1 K=R2/R1，T=R2C 3. 积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。 G （S ）=1/TS T=RC 4. 微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。 G （S ）= - RCS 5.例+微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5（未标明的C=0.01uf ）。 G （S ）= -K （TS+1） K=R2/R1，T=R2C 第三章 线性系统的时域分析与校正习题及答案 3-1 已知系统脉冲响应t 25.1e 0125.0)t (k -=，试求系统闭环传递函数)s (Φ。 解 [])25.1s /(0125.0)t (k L )s (+==Φ 3-2 设某高阶系统可用下列一阶微分方程)t (r )t (r )t (c )t (c T +τ=+? ? 近似描述，其中，1)T (0<τ-<。试求系统的动态性能指标s r d t ,t ,t 。 解 设单位阶跃输入s s R 1)(= 当初始条件为0时有： 1 Ts 1 s )s (R )s (C ++τ= 1Ts T s 1s 11Ts 1s )s (C +τ--=?++τ= ∴ T /t e T T 1)t (h )t (c -τ--== T )0(h τ=，1)(h =∞，20T T )]0(h )(h [05.0τ -=-∞=? 1) 当 d t t = 时 2T T e T T 1)]0(h )(h [5.0)0(h )t (h t /t d τ += τ--=-∞+=- T /t d e 2 1 -= ; 693T .0t d = 2) 求r t （即)t (c 从1.0)(h ∞到9.0)(h ∞所需时间) 当T /t 2e T T 1)0(h )]0(h )(h [9.0)t (h -τ-- =+-∞=; 当T /t 1e T T 1)0(h )]0(h )(h [1.0)t (h -τ--=+-∞=; )T 1(.0T ln T t 2τ+τ-=， τ +τ -=)T 9(.0T ln T t 1 则 2T .29ln T t t t 12r ==-= 3) 求 s t T /t s s e T T 1)0(h )]0(h )(h [95.0)t (h -τ-- =+-∞= 3T 05.ln0T t s ==∴ 3-3 一阶系统结构如图所示。要求系统闭环增益2k =Φ，调节时间4.0t s ≤s ，试确定参数21k ,k 的值。 解 由结构图写出闭环系统传递函数 1k k s k 1k k s k s k k 1s k )s (212211211 +=+=+ =Φ 系别：机电工程学院专业：课程名称：自动控制原理实验班级：姓名：学号：组别： 实验名称：典型系统的时域响应和稳定性分析实验时间： 学生成绩：教师签名：批改时间： 一、目的要求 1．研究二阶系统的特征参量 (ξ、ωn) 对过渡过程的影响。 2．研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。 3．熟悉 Routh 判据，用 Routh 判据对三阶系统进行稳定性分析。 二、实验设备 PC机一台，TD—ACC教学实验系统一套 三、实验原理及内容 1．典型的二阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：如图 1.2-1 所示。 图1.2-2 (2) 对应的模拟电路图：如图 1.2-2 所示。 图1.2-2 系别：机电工程学院专业：课程名称：自动控制原理实验班级：姓名：学号：组别： 实验名称：实验时间： 学生成绩：教师签名：批改时间： (3) 理论分析 系统开环传递函数为： ；开环增益： (4) 实验内容 先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻 R 的理论值，再将理论值应用于模拟电路中， 观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。在此实验中(图 1.2-2)， 系统闭环传递函数为： 其中自然振荡角频率： 2．典型的三阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：如图 1.2-3 所示。 系别：机电工程学院专业：课程名称：自动控制原理实验班级：姓名：学号：组别： 实验名称：实验时间： 学生成绩：教师签名：批改时间： 图 1.2-3 (2)模拟电路图：如图1.2-4 所示。 图 1.2-4 (3)理论分析： 系统的特征方程为: (4)实验内容： 实验前由Routh 判断得Routh 行列式为： 实验一: 典型环节与及其阶跃响应 一、实验目的 1、掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。 2、掌握控制系统时域性能指标的测量方法。 二、实验仪器 1、EL-AT-III 型自动控制系统实验箱一台 2、计算机一台 三、实验原理 控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输 入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起 来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测 量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数， 还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。 四、实验内容 构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应 1、比例环节的模拟电路及其传递函数 G（S）= ?R2/R1 2、惯性环节的模拟电路及其传递函数 G（S）= ?K/TS+1 K=R2/R1 T=R2C 3、积分环节的模拟电路及传递函数 G（S）=1/TS T=RC 4、微分环节的模拟电路及传递函数 G（S）= ?RCS 5、比例+微分环节的模拟电路及传递函数 G（S）= ?K（TS+1） K=R2/R1 T=R1C 五、实验结果及分析 （注：图中黄色为输入曲线、紫色为输出曲线）1、比例环节 （1）模拟电路图： （2）响应曲线： 2、惯性环节 （1）模拟电路图： （2）响应曲线： （3）传递函数计算： 实验值：X1=1029ms=1.029s=4T T=0.257s K=Y2/1000=2.017 G(S)=-2.017/(0.257S+1) 理论值：G（S）=-2/(0.2S+1) 结论：实验值与理论值相近。 3、积分环节 （1）模拟电路图： 实验二典型系统的时域响应分析 1. 实验目的 1) 通过用MATLAB 及SIMULINK 对控制系统的时域分析有感性认识。 2) 明确对于一阶系统，单位阶跃信号、单位斜坡信号以及单位脉冲信号的响应曲线图。 3) 对于二阶系统阶跃信号的响应曲线图以及不同阻尼比、不同自然角频率取值范围的二阶系统曲线比较图。 4) 利用MATLAB 软件来绘制高阶控制系统的零极点分布图，判断此系统是否有主导极点，能否用低阶系统来近似，并将高阶系统与低阶系统的阶跃响应特性进行比较5）编制简单的M文件程序。 2. 实验仪器 PC计算机一台，MATLAB软件1套 3. 实验内容 1）一阶系统的响应 （1) 一阶系统的单位阶跃响应 在SIMULINK 环境下搭建图1的模型，进行仿真，得出仿真曲线图。 理论分析：C（s）=1/[s(0.8s+1)]由拉氏反变换得h(t)=1-e^(-t/0.8) (t>=0) 由此得知，图形是一条单调上升的指数曲线，与理论分析相符。 （2) 一阶系统的单位斜坡响应 在SIMULINK环境下搭建图2的模型，将示波器横轴终值修改为12进行仿真，得出仿真曲线图。 理论分析：C（s）=1/[s^2(4s+1)]可求的一阶系统的单位斜坡响应为c(t)=(t-4)+4e^(-t/4) e(t)=r(t)-c(t)=4-4e^(-t/4) 当t=0时，e(t)=0,当趋于无穷时，误差趋于常值4. 3）一阶系统的单位脉冲响应 在medit 环境下，编译一个.m 文件，利用impulse（）函数可以得出仿真曲线图。此处注意分析在SIMULINK 环境中可否得到该曲线图。 第三章线性系统的时域分析法 线性系统的时域分析法 本章主要内容： 时域分析的提法（概念，时域性能指标） 一阶系统的分析（稳定性分析稳态分析动态分析） 二阶系统的分析（稳定性分析稳态分析动态分析） 控制系统的一般分析（稳定性分析稳态分析动态分析） 3.1 时域分析的提法 3.1.1 时域分析的基本思想 时域分析法是控制系统常用的一种分析方法。该方法直观，容易理解。 3.1.2 时域分析问题的提法 时域分析问题是指在时间域内对系统的性能进行分析，是通过系统在典型信号作用下的时域响应，来建立系统的结构、参数与系统的性能的定量关系。 稳定稳定性能 系统的分析包括三个方面：稳态稳态性能 动态动态性能 线性控制系统稳定性的定义：若线性控制系统在初始扰动的影响下，其过渡过程随着时间的推移逐渐衰减并趋向于零，则称该系统为渐近稳定，简称稳定。反之，若在初始扰动的影响下，系统的过渡过程随时间的推移而发散，则称该系统为不稳定。 在时域分析法中，控制系统的稳态性能是指：时间t趋于无穷大时，系统输出的状态，称为系统的的稳态响应。 反映系统动态过程的性能称为系统的动态性能。描述系统动态性能的指标称为动态指标。 3.1.3 系统的时域响应 ?系统的数学模型是微分方程描述时 ?系统的数学模型是传递函数描 ?当系统的数学模型是别的形式是，可转化为上面两种形式求解。上面的两种形式是时域分析中常用的形式。 3.1.4性能指标的时域描述（性能指标，性能指标的定量化） 3.1. 4.1 稳定性描述 控制系统的稳定性，是控制系统能正常工作的必要条件 控制系统在实际工况中，总会受到内部和外界一部分因素的扰动。例如负载或能源的波动、系统参数的的变化、环境条件的改变等。对于不稳定的系统，当其受到这些扰动，即使这些扰动很弱，持续时间很短，照样会使系统中的各物理量偏离其原来的平衡点，并随时间的增加而发散，以至在扰动消失后，系统也不会再恢复到原来的工作点，显然不稳定系统是无法工作的。 为了使控制系统受到扰动后仍能稳定工作，需要分析并找出保证系统稳定工作的条件。（这本身是系统分析的一个重要稳态） 例子：摆的平衡点（稳定的平衡点、不稳定的平衡点、稳定区域） 单摆和小球运动的这种稳定概念，可以推广于控制系统。假如系统具有一个平衡的稳定工作状态，如果系统受到有界扰动偏离了原平衡状态，无论扰动引起的偏差有多大，当扰动消除后，看系统是否能回到原来的平衡状态，若能，则认为系统是稳定的，否则系统是不稳定的。 在分析线性系统稳定性时，我们关心的是系统运动的稳定性，即系统方程在不受任何外界输入下，方程的解在时的渐近行为。或者系统在某一给定输入下，按一种方式运动，不受干扰的影响，既便有些偏离运动状态，当干扰消除后，终能回到原运动状态。在数学上，这种性质表现为系统微分方程的齐次解，其通解称为微分方程的一个运动。 平衡点的稳定与运动状态的稳定严格的的说是有区别的，但可以证明，在线性系统中，它们是等价的。 线性系统稳定性的定义，常采用俄国学者李亚普诺夫在1892年给的定义。线性控制系统稳定性的定义： 若线性控制系统在初始扰动的影响下，其过渡过程随着时间的推移逐渐 衰减并趋向于零，则称该系统为渐近稳定，简称稳定。反之，若在初始扰动 的影响下，系统的过渡过程随时间的推移而发散，则称该系统为不稳定。 第3章 线性系统的时域分析 学习要点 1控制系统时域响应的基本概念，典型输入信号及意义； 2控制系统稳定性的概念、代数稳定判据及应用； 3控制系统的时域指标，一阶二阶系统的阶跃响应特性与时域指标计算； 4高阶系统时域分析中主导极点和主导极点法； 5 控制系统稳态误差概念、计算方法与误差系数，减小稳态误差的方法。 思考与习题祥解 题 思考与总结下述问题。 （1）画出二阶系统特征根在复平面上分布的几种情况，归纳ξ值对二阶系统特征根的影响规律。 【 （2）总结ξ和n ω对二阶系统阶跃响应特性的影响规律。 （3）总结增加一个零点对二阶系统阶跃响应特性的影响规律。 （4）分析增加一个极点可能对二阶系统阶跃响应特性有何影响 （5）系统误差与哪些因素有关试归纳减小或消除系统稳态误差的措施与方法。 （6）为减小或消除系统扰动误差，可采取在系统开环传递函数中增加积分环节的措施。请问，该积分环节应在系统结构图中如何配置，抗扰效果是否与扰动点相关 答：（1）二阶系统特征根在复平面上分布情况如图所示。 图 二阶系统特征根在复平面上的分布 当0ξ=，二阶系统特征根是一对共轭纯虚根，如图中情况①。 当01ξ<<，二阶系统特征根是一对具有负实部的共轭复数根，变化轨迹是 以n ω为半径的圆弧，如图中情况②。 @ 当1ξ=，二阶系统特征根是一对相同的负实根，如图中情况③。 当1ξ>，二阶系统特征根是一对不等的负实根，如图中情况④。 （2）ξ和n ω是二阶系统的两个特征参量。 ξ是系统阻尼比，描述了系统的平稳性。 当0ξ=，二阶系统特征根是一对共轭纯虚根，二阶系统阶跃响应为等幅振荡特性，系统临界稳定。 当01ξ<<，二阶系统特征根是一对具有负实部的共轭复数根，二阶系统阶跃响应为衰减振荡特性，系统稳定。ξ越小，二阶系统振荡性越强，平稳性越差； ξ越大，二阶系统振荡性越弱，平稳性越好。因此，二阶系统的时域性能指标超 调量由ξ值唯一确定，即001_ 100%2 ?=-π ξξ σe 。在工程设计中，对于恒值控制系 统，一般取 ξ＝～；对于随动控制系统ξ＝～。 n ω是系统无阻尼自然振荡频率，反映系统的快速性。当ξ一定，二阶系统的 时域性能指标调节时间与n ω值成反比，即34 s n t ξω≈。 （3）二阶系统增加一个零点后，增加了系统的振荡性，将使系统阶跃响应的超调量增大，上升时间和峰值时间减小。 所增加的零点越靠近虚轴，则上述影响就越大；反之，若零点距离虚轴越远，则其影响越小。 （4）二阶系统增加一个极点后，减弱了系统的振荡性，将使系统阶跃响应的超调量减小，上升时间和峰值时间减小； 所增加的极点越靠近虚轴，则上述影响就越大；反之，若极点距离虚轴越远，则其影响越小。 & （5）系统误差与系统的误差度（开环传递函数所含纯积分环节的个数或系统型别）、开环放大系数，以及作用于系统的外部输入信号有关。如果是扰动误差还与扰动作用点有关。 因此，减小或消除系统稳态误差的措施与方法有：增大开环放大系数，增加系统开环传递函数中的积分环节，引入按给定或按扰动补偿的复合控制结构。 无论采用何种措施与方法减小或消除系统稳态误差，都要注意系统须满足稳定的条件。 （6）采取在系统开环传递函数中增加积分环节的措施来减小或消除系统扰动误差时，所增加的积分环节须加在扰动作用点之前。若所增加的积分环节加在扰动作用点之后，则该积分环节无改善抗扰效果作用。这一点可以通过误差表达式分析得到。 题系统特征方程如下，试判断其稳定性。 （a ）0203.002.023=+++s s s ； （b ）014844122345=+++++s s s s s ； （c ）025266.225.11.0234=++++s s s s ！ 解：（a ）稳定； （b ）稳定； （c ）不稳定。自动控制实验一典型环节及其阶跃响应分析
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第三章 时域响应
第3章线性系统的时域分析习题答案
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