一阶系统与二阶系统

3.1典型输入作用和时域性能指标3.1.0时域分析3.1.1典型输入作用及其拉氏变换3.1.2瞬态过程和稳态过程3.1.3瞬态过程的性能指标3.1.4稳态过程的性能指标时域分析是指控制系统在一定的输入信号作用下，根据输出量的时域表达式，分析系统的稳定性、瞬态性能和稳态性能。时域分析是一种在时间域中对系统进行分析的方法，具有直观和准确的优点。由于系统的输出量的时域表达式是时间的函数，所以系统的输出量的时域表达式又称为系统的时间响应。系统输出量的时域表示可由微分方程得到，也可由传递函数得到。在初值为零时，可利用传递函数进行研究，用传递函数间接的评价系统的性能指标。控制系统的性能指标，可以通过在输入信号作用下系统的瞬态和稳态过程来评价。系统的瞬态和稳态过程不仅取决于系统本身的特性，还与外加输入信号的形式有关。3.1.0时域分析这表明，在外作用加入系统之前系统是相对静止的，被控制量及其各阶导数相对于平衡工作点的增量为零。典型初始状态:规定控制系统的初始状态均为零状态，即在时0t0)0()0()0(...yyy在分析和设计控制系统时，需要确定一个对各种控制系统的性能进行比较的基础，这个基础就是预先规定一些具有特殊形式的测试信号作为系统的输入信号，然后比较各种系统对这些输入信号的响应。选取测试信号时必须考虑的原则：•选取的输入信号的典型形式应反映系统工作时的大部分实际情况。•选取外加输入信号的形式应尽可能简单，易于在实验室获得，以便于数学分析和实验研究。•应选取那些能使系统工作在最不利情况下的输入信号作为典型的测试信号。在控制工程中采用下列五种信号作为典型输入信号3.1.1典型输入作用及其拉氏变换脉冲函数：阶跃函数：tA)(tx0,0,0)(tAttxA阶跃幅度，A=1称为单位阶跃函数，记为1（t）。其拉氏变换后的像函数为：sAtxL)]([斜坡函数（速度阶跃函数）：0,0,0)(tBtttxB=1时称为单位斜坡函数。t)(txBttx)(其拉氏变换后的像函数为：2)]([sBtxL1)(000)(dttttt1)]([tL[提示]：上述几种典型输入信号的关系如下：]21[][)](1[)(23322AtdtdAtdtdtAdtdtA抛物线函数（加速度阶跃函数）：0,210,0)(2tCtttxC=1时称为单位抛物线函数。t)(tx221)(Cttx其拉氏变换后的像函数为：3)]([sCtxL正弦函数：，式中，A为振幅，为频率。tASintx)(其拉氏变换后的像函数为：22[sin]nnALAts分析系统特性究竟采用何种典型输入信号，取决于实际系统在正常工作情况下最常见的输入信号形式。当系统的输入具有突变性质时，可选择阶跃函数为典型输入信号；当系统的输入是随时间增长变化时，可选择斜坡函数为典型输入信号。讨论系统的时域性能指标时，通常选择单位阶跃信号作为典型输入信号。典型响应：⒈单位脉冲函数响应：1)()(sGsY⒉单位阶跃函数响应：ssGsY1)()(⒊单位斜坡函数响应：21)()(ssGsY⒋单位抛物线函数响应：31)()(ssGsY[提示]：上述几种典型响应有如下关系：单位脉冲函数响应单位阶跃函数响应单位斜坡函数响应单位抛物线函数响应积分积分积分微分微分微分在典型输入信号的作用下，任何一个控制系统的时间响应都由瞬态响应和稳态响应两部分组成。1．瞬态响应：又称为瞬态过程或过渡过程。是指系统在典型输入信号的作用下，系统的输出量从初始状态到最终状态的响应过程。由于实际的控制系统存在惯性、阻尼及其它一些因素，系统的输出量不可能完全复现输入量的变化，瞬态过程曲线形态可表现为衰减振荡、等幅振荡和发散等形式。瞬态过程包含了输出响应的各种运动特性，这些特性称为系统的瞬态性能。一个可以实际运行的控制系统，瞬态过程必须是衰减的。即系统必须是稳定的。3.1.2瞬态响应和稳态响应2．稳态响应：又称为稳态过程。是指系统在典型输入信号的作用下，当时间趋近于无穷大时，系统的输出响应状态。稳态过程反映了系统输出量最终复现输入量的程度，包含了输出响应的稳态性能。从理论上说，只有当时间趋于无穷大时，才进入稳态过程，但这在工程应用中是无法实现的。因此在工程上只讨论典型输入信号加入后一段时间里的瞬态过程，在这段时间里，反映了系统主要的瞬态性能指标。而在这段时间之后，认为进入了稳态过程。控制系统在典型输入信号的作用下的性能指标，由瞬态性能指标和稳态性能指标两部分组成。由于稳定是控制系统能够正常运行的首要条件，因此只有当瞬态过程收敛（衰减）时，研究系统的瞬态和稳态性能才有意义。在工程应用上，通常使用单位阶跃信号作为测试信号，来计算系统时间域的瞬态和稳态性能。3.1.3瞬态过程的性能指标描述稳定的系统在单位阶跃信号作用下，瞬态过程随时间t的变化状况的性能指标，称为瞬态性能指标，或称为动态性能指标。为了便于分析和比较，假定系统在单位阶跃输入信号作用前处于静止状态，而且输出量及其各阶导数均等于零。t稳定控制系统的单位阶跃响应曲线有衰减振荡和单调上升两种类型。0maxy)(y2)(yytdtrtptst%y25或t)(ty)(ytst0()%y(25)或（一）衰减振荡：具有衰减振荡的瞬态过程如图所示：⒈延迟时间：dt输出响应第一次达到稳态值的50%所需的时间。0ty)(y⒉上升时间：rt输出响应第一次达到稳态值y(∞)所需的时间。(或指由稳态值的10%上升到稳态值的90%所需的时间)。rt3.1.3瞬态过程的性能指标（衰减振荡）⒋最大超调量(简称超调量)：%%100)()(%maxyyy式中：—输出响应的最大值；maxy)(lim)(tyyt—稳态值；输出响应超过稳态值达到第一个峰值ymax所需要的时间。⒊峰值时间：pt0ty)(yptmaxy瞬态过程中输出响应的最大值超过稳态值的百分数。⒌调节时间或过渡过程时间：st当和之间的误差达到规定的范围之内［一般取的±5%或±2%，称允许误差范围，用D表示］且以后不再超出此范围的最小时间。即当，有：)(ty)(y)(ystt)52(%)(|)()(|或yyty)(02.0)(05.0yy或st⒍振荡次数N：srpttt,,在上述几种性能指标中，表示瞬态过程进行的快慢，是快速性指标；而反映瞬态过程的振荡程度，是振荡性指标。其中和是两种最常用的性能指标。N%,%st)(y在调节时间内，y(t)偏离的振荡次数。或在0tts时间内，单位阶跃响应穿越其稳态值次数的一半，定义为振荡次数。0trtptstymaxy)(y2)(y)(05.0y)(02.0y或td（二）单调变化的响应单调变化响应曲线如图所示：这种响应没有超调量，只用调整时间ts表示瞬态过程的快速性，调整时间的定义同上所述。有时也采用上升时间tr这一指标。上升时间的定义应修改为由稳态值的10%上升到90%所需的时间。y)(y2)(yttstd)(05.0y)(02.0y或tr3.1.3瞬态过程的性能指标（单调变化）当响应时间tts时，系统的输出响应进入稳态过程。稳态过程的性能指标主要是稳态误差。当时间趋于无穷大时，若系统的输出量不等于输入量，则系统存在稳态误差，稳态误差是控制系统精度或抗干扰能力的一种度量。)(lim)(lim0ssEteestss稳态过程的性能指标式中：e(t)=给定输入值-实际输出值（单位反馈）；E(s)是系统的误差。3.1.4稳态过程的性能指标系统应该是稳定的；系统达到稳态时，应满足给定的稳态误差的要求；系统在瞬态过程中应有好的快速性。简称为：稳、准、快3.1.5对一个控制系统的要求3.2一阶系统的瞬态响应3.2.1一阶系统的数学模型3.2.2一阶系统的单位脉冲响应3.2.3一阶系统的单位阶跃响应3.2.4一阶系统的单位斜坡响应3.2.5一阶系统的单位加速度响应3.2.6一阶系统的瞬态性能指标其闭环传递函数为：11111)()()(TssRsYsKssKsK式中，，称为时间常数，开环放大系数越大，时间常数越小。KT1由一阶微分方程描述的系统称为一阶系统。其传递函数是s的一次有理分式。一阶系统的微分方程为：)(sY-sK)(sE)(sR典型的一阶系统的结构图如图所示。)()()(trtydttdyT3.2.1一阶系统的数学模型当一阶系统的输入信号为单位脉冲信号r(t)=d(t)，其拉氏变换为R(s)=1，则系统的输出为:TsTTsTssRsY/1/1111)()(上式的拉氏反变换称为一阶系统的单位脉冲响应：01)(teTtyTt，21曲线1时间常数为T曲线2时间常数为2TT1/2Ty(t)0t一阶系统的单位脉冲响应曲线：一阶系统的单位脉冲响应曲线为单调下降的指数曲线，时间常数T越大，响应曲线下降越慢，表明系统受到脉冲输入信号后，恢复到初始状态的时间越长。单位脉冲响应的终值均为零。3.2.2一阶系统的单位脉冲响应显然一阶系统的单位阶跃响应是一条由零开始按指数规律单调上升并最终趋于1的曲线。ssR1)(,111)(sTssYTteTssLsTsLty1]111[]111[)(1111)()()(TssRsYs当时12曲线1时间常数为T曲线2时间常数为2T01y(t)t一阶系统的单位阶跃响应曲线：3.2.3一阶系统的单位阶跃响应单位阶跃响应曲线是单调上升的指数曲线，为非周期响应；时间常数T反映了系统的惯性，时间常数T越大，表示系统的惯性越大，响应速度越慢，系统跟踪单位阶跃信号越慢，单位阶跃响应曲线上升越平缓。反之，惯性越小，响应速度越快，系统跟踪单位阶跃信号越快，单位阶跃响应曲线上升越陡峭。由于一阶系统具有这个特点，工程上常称一阶系统为惯性环节或非周期环节。12曲线1时间常数为T曲线2时间常数为2T01y(t)t3.2.3一阶系统的单位阶跃响应--特点单位阶跃响应曲线的斜率为：1()tTyteT0,1)(tetyTt显然在t=0处的斜率为1/T，并且随时间的增加斜率变小。下表表示了单位阶跃响应曲线上各点的值、斜率与时间常数T之间的关系。0TT2T30632.0865.0950.00.1T/1T/368.0T/135.0T/050.00.0…斜率…输出量…时间t…斜率…输出量…时间t根据这一特点，可用实验的方法测定一阶系统的时间常数，或测定系统是否属于一阶系统。一阶系统跟踪单位阶跃信号时，输出量和输入量之间的位置误差随时间减小，最后趋于零。输出量和输入量之间的位置误差：Ttetytte)()(1)(稳态位置误差：0lim)(limTtttete当一阶系统的输入信号为单位斜坡信号r(t)=t，其拉氏变换为R(s)=1/s2，则系统的输出为:TsTsTssTsTssRsY/111111)()(22上式的拉氏反变换称为一阶系统的单位斜坡响应：()(1),0tTyttTet一阶系统的单位斜坡响应曲线：曲线1表示输入单位斜坡信号r(t)=t，曲线2和曲线3分别表示系统时间常数等于T和2T时的单位斜坡响应曲线。y(t)0ty(t)=t1233.2.4一阶系统的单位斜坡响应y(t)0ty(t)=t123一阶系统在跟踪单位斜坡信号时，总是存在位置误差，并且位置误差的大小随时间而增大，最后趋于常值T。位置误差的大小与系统的时间常数T也有关，T越大，位置误差越大，跟踪精度越低。反之，位置误差越小，跟踪精度越高。3.2.4一阶系统的单位斜坡响应—特点系统的输入量和输出量之间的位置误差为：)1()()()(TteTtytrte系统的稳态位置误差为：TeTteTttt)1(lim)(lim单位斜坡响应曲线的斜率为：()1tTyte