【自动控制】3-4 高阶系统的时域分析
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目录1系统稳定性分析 (1)2高阶系统的时域响应 (2)2.1系统单位阶跃响应曲线 (2)2.2系统单位斜坡响应曲线 (4)2.3系统单位加速度响应曲线 (5)2.4动态性能指标计算 (6)2.4.1动态性能指标计算 (6)2.4.2动态性能指标计算 (6)2.5 稳态性能指标计算 (9)3根轨迹图绘制 (10)3.1根轨迹数据计算 (10)3.2用MATLAB绘制根轨迹图 (11)4心得体会 (12)参考文献 (13)本科生课程设计成绩评定表高阶系统的时域分析1 系统稳定性分析给定参数系统稳定性分析: 对于开环传递函数))(95()()(2a s s s s b s K s G p ++++=在给定条件K=15,a=2,b=4时用劳斯判据判断系统的稳定性,经过化简可得系统的特征方程为:D(s)=S 4+7S 3+19S 2+33S+60=0其劳斯表为S 41 19 60 S 3 7 33 0 S2 14.3 60 S 1 3.6 0 S 0 60从表中可以看出,第一列系数符号全部为正,故系统是稳定的。
2高阶系统的时域响应K=15,a=2,b=4时,系统的开环传递函数为:G p=15(s+4)s(s2+5s+9)(s+2)=15s+60s4+7s3+19s2+18s系统为Ⅰ型系统,可以跟踪单位阶跃信号、单位斜坡信号,不能跟踪单位加速度信号。
系统响应为C(s)=15s+60s4+7s3+19s2+33s+60R(s)2.1系统单位阶跃响应曲线当输入为单位阶跃函数信号时,R(s)=1S,系统响应为C(s)=15s+60s4+7s3+19s2+33s+60·1S运用MATLAB程序作图如图2-1,程序为:num=[15 60];den=[1 7 19 33 60];G=tf(num,den);step(G);grid on;xlabel('t');ylabel('c(t)');title('单位阶跃响应')图2-1 系统阶跃响应由图中数据可得:上升时间为t=1.02sr峰值时间=1.73stp调节时间=33.1sts超调量σ%=78%稳态误差为=0ess当输入为单位斜坡函数信号时,R(s)=1s2,系统响应为C(s)=15s+60s4+7s3+19s2+33s+60·1s2运用MATLAB程序作图如图2-2,程序为:num=[15 60];den=[1 7 19 33 60];G=tf(num,den);t=0:0.01:10;u=t;lsim(G,u,t);grid on; xlabel('t');ylabel('c(t)');title('单位斜坡响应')图2-2 单位斜坡响应当输入为单位加速度函数信号时,R(s)=1s3,系统响应为C(s)=15s+60s4+7s3+19s2+33s+60·1s3运用MATLAB程序作图如图2-3,程序为:num=[15 60];den=[1 7 19 33 60];G=tf(num,den);t=0:0.01:10;u=(0.5*t.^2);lsim(G,u,t)grid on;xlabel('t');ylabel('c(t)');title('单位加速度响应')图2-3 单位加速度响应2.4动态性能指标计算2.4.1主导极点法控制系统的暂态性能指标通常是零初始条件下,通过系统的阶跃响应的特征定义的,系统的暂态性能指标实际上就是刻画阶跃响应曲线特征的一些量。
第3章线性系统的时域分析法3.1复习笔记本章考点:二阶欠阻尼系统动态性能指标,系统稳定性分析(劳斯判据、赫尔维茨判据),稳态误差计算。
一、系统时间响应的性能指标1.典型输入信号控制系统中常用的一些基本输入信号如表3-1-1所示。
表3-1-1控制系统典型输入信号2.动态性能与稳态性能(1)动态性能指标t r——上升时间,h(t)从终值10%上升到终值90%所用的时间,有时也取t=0第一次上升到终值的时间(对有振荡的系统);t p——峰值时间,响应超过中值到达第一个峰值的时间;t s——调节时间,进入误差带且不超出误差带的最短时间;σ%——超调量,()()%100%()p c t c c σ-∞=⨯∞(2)稳态性能稳态误差e ss 是系统控制精度或抗扰动能力的一种度量,是指t→∞时,输出量与期望输出的偏差。
二、一阶系统的时域分析1.一阶系统的数学模型一阶系统的传递函数为:()1()1C s R s Ts +=2.一阶系统的时间响应一阶系统对典型输入信号的时间响应如表3-1-2所示。
表3-1-2一阶系统对典型输入信号的时间响应由表可知,线性定常系统的一个重要特性: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;或者,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,而积分常数由零输出初始条件确定。
三、二阶系统的时域分析1.二阶系统的数学模型二阶系统的传递函数的标准形式为:222()()()2n n n C s s R s s s ωζωωΦ++==其中,ωn 称为自然频率;ζ称为阻尼比。
2.欠阻尼二阶系统(重点)(1)当0<ζ<1时,为欠阻尼二阶系统,此时有一对共轭复根:21,2j 1n n s ζωωζ=-±-(2)单位阶跃响应()()d 211e sin 01n t c t t t ζωωβζ-=-+≥-式中,21arctanζβζ-=,或者β=arccosζ,21dn ωωζ=-各性能指标如下:t r =(π-β)/ωd2ππ1p d n t ωωζ==-2π1%e100%ζζσ--=⨯3.5(0.05)s nt ζω=∆=4.4(0.02)s nt ζω=∆=3.临界阻尼二阶系统(1)当ζ=1时,为临界阻尼二阶系统,此时s 1=s 2=-ωn 。