机械控制工程基础 时域分析(C班)

1、第3章 时域分析一一、时间响应及其组成1、时间响应时间响应 定义：在输入作用下，系统的输出（响应）在时域的表现形式在数学上，就是系统的动力学方程在一定初始条件下的解。时间响应能完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。 第一节概述第一节概述2时域分析的目的时域分析的目的在时间域，研究在一定的输入信号作用下，系统输出随时间变化的情况，以分析和研究系统的控制性能。3 时域分析法时域分析法就是根据系统的微分方程，采用拉氏变法直接解出系统的时间响应，再根据响应的表达式及对应曲线来分析系统的性能。用时域分析法分析系统性能具有直接、准确、易于接受等特点。二二、典型输入信号1、在时间域进行分析

2、时，为了比较不同系统的控制性能，需要规定一些具有典型意义的输入信号建立分析比较的基础。这些信号称为控制系统的典型输入信号。一般，系统可能受到的外一般，系统可能受到的外加作用有控制输入和扰动，加作用有控制输入和扰动，扰动通常是随机的，即使扰动通常是随机的，即使对控制输入，有时其函数对控制输入，有时其函数形式也不可能事先获得。形式也不可能事先获得。2、作用、作用: 在实际中，输入信号很少是典型输入信号，但由于在系统对典型输入信号的时间响应和系统对任意输入信号的时间响应之间存在一定的关系，所以，只要知道系统对典型输入信号的响应，再利用关系式：)(22)(11)()()(siosioXsXsGXsX就

3、能求出系统对任何输入的响应。3、常用的典型输入信号Asint 正弦信号 1(t)，t=0 单位脉冲信号 单位加速度信号 t， t0 单位速度(斜坡)信号 1(t)，t0 单位阶跃信号 复数域表达式 时域表达式 名 称 s121s31s22sA0,212tt（1）能反映系统在工作过程中的大部分实际情况；4、典型输入信号的选择原则如：若实际系统的输入具有突变性质，则可选阶跃信号；若实际系统的输入随时间逐渐变化，则可选速度信号。q （2）形式简单，便于解析分析；q （3）实际中可以实现或近似实现。第二节一阶系统的时间响应1、 一阶系统（惯性环节）一阶系统（惯性环节） 11)(TssG极点（特征根）：

4、-1/T时间常数，微分方程：:)()()(TtxtxdttdxTioo1/TsXi(s)X0(s)()()(tKxtKxdttdxCiooKCTTskCsKsG,11)(如：弹簧如：弹簧- -阻尼器环节阻尼器环节x xi i( (t t) )x xo o( (t t) )弹簧弹簧- -阻尼器组成的环节阻尼器组成的环节K KC C 2、一阶系统的、一阶系统的单位脉冲响应单位脉冲响应1)(sXiTsTsGsXo111)()(0,1)(teTtxTtoxo(t)1/T0t0.368 1T斜率xo(t)T21T 一阶系统单位脉冲响应的特点q 瞬态响应：(1/T )e t /T ；稳态响应：0；q xo

5、(0)=1/T,随时间的推移，xo(t)指数衰减；q 对于实际系统，通常应用具有较小脉冲宽 度（脉冲宽度小于0.1T）和有限幅值的脉 冲代替理想脉冲信号。 201)(Tdttdxtoq 3、一阶系统的、一阶系统的单位阶跃响应单位阶跃响应ssXi1)(TsssTssXsGsXio111111)()()(0,1)(tetxTto0,1)(tetxTto10.6321TA0B斜率=1/T2T3T4T5Txo(t)tTtoetx/1)(63.2%86.5%95%98.2%99.3%99.8%6T 一阶系统单位阶跃响应的特点q 响应分为两部分 瞬态响应：Tte表示系统输出量从初态到终态的变化过程（动态/

6、过渡过程） 稳态响应：1表示t时，系统的输出状态q xo(0) = 0，随时间的推移， xo(t) 指数增大，且无振荡。 xo() = 1，无稳态误差；4、一阶系统的、一阶系统的单位速度响应单位速度响应21)(ssXiTsTsTssTssXsGsXio11111)()()(220,)(tTeTttxTto0txo(t)xi(t)xi(t)=txo(t)=t-T+Te-t/Te()=TT 一阶系统单位速度响应的特点q 瞬态响应：T e t /T ；稳态响应：t T；q 经过足够长的时间(稳态时，如t 4T)，输 出增长速率近似与输入相同，此时输出为： t T，即输出相对于输入滞后时间T； 5 5

7、、不同时间常数下的响应情况、不同时间常数下的响应情况由上图可知，T越大，惯性越大。第三节第三节、二阶系统的时间响应例如图所示机械系统例如图所示机械系统解：解：1)1)明确系统的输入与输出明确系统的输入与输出输入为输入为f(t),f(t),输出为输出为x(t)x(t)2)2)列写微分方程，受力分析列写微分方程，受力分析xmxckxf3)3)整理可得：整理可得：fkxxcxmkcsms1F(s)X(s)G(s)F(s)X(s)sX(s)X(s)s22kcm4)4)传递函数传递函数5)5)单位阶跃响应单位阶跃响应k)css(ms1s1G(s)X(s)231)43()21(s43-)43()21(s2

8、1s-s1)43()21(s1s-s11)s(s1s-s11)ss(s1k)css(ms1X(s)222222222t)23cos(e31-t)23sin(e-1x(t)t21-t21-若m=1,c=1,k=1的曲线t)23cos(e31-t)23sin(e-1x(t)t21-t21- t=0:0.01:20; x=1-exp(-0.5*t).*sin(sqrt(3)/2*t)-1/sqrt(3)*exp(-0.5*t).*cos(sqrt(3)/2*t); plot(t,x);024681012141618200.20.30.40.50.60.70.80.911.11.2Matlab命令Ma

9、tlab命令 num1=0 0 1; den1=1 1 1; sys=tf(num1,den1) ; step(num1,den1);m=1,c=1,k=1时阶跃响应02468101200.20.40.60.811.21.4Step ResponseTime (sec)Amplitude1)(s11)(s1-s11)s(s11)2ss(s1G(s)s1X(s)12ss1G(s)2222若m=1,c=2,k=1-t-tte-e-1x(t) 则运动方程为： t=0:0.01:20; x=1-exp(-t)-t.*exp(-t); plot(t,x);Matlab命令0246810121416182

10、000.10.20.30.40.50.60.70.80.91-t-tte-e-1x(t) Matlab命令 num1=0 0 1; den1=1 2 1; sys=tf(num1,den1) ; step(num1,den1);05101500.10.20.30.40.50.60.70.80.91Step ResponseTime (sec)Amplitudem=1,c=2,k=1时阶跃响应（Matlab计算）4)(s1/31)(s4/3-s14)1)(ss(s44)5ss(s4G(s)s1X(s)45ss4G(s)22若m=1,c=5,k=44t-t -e31e34-1x(t)则运动方程为：

11、 t=0:0.01:20; x=1-4/3*exp(-t)+1/3*exp(-4*t); plot(t,x);Matlab命令4t-t-e31e34-1x(t)01234567891000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Matlab命令 num1=0 0 4; den1=1 5 4; sys=tf(num1,den1) ; step(num1,den1);m=1,c=5,k=4时阶跃响应012345600.10.20.30.40.50.60.70.80.91Step ResponseTime (sec)Amplitude1)(ss-s11)s(s1G(s)s1X(s)1s

12、1G(s)222若m=1,c=0,k=1cos(t)-1x(t) 则运动方程为：cos(t)-1x(t) 051015202530354000.20.40.60.811.21.41.61.82Matlab命令 num1=0 0 1; den1=1 0 1; sys=tf(num1,den1) ; step(num1,den1);m=1,c=0,k=1时阶跃响应051015202530354000.20.40.60.811.21.41.61.82Step ResponseTime (sec)Amplitude二阶系统二阶系统 22222Tk)(nnnssksssG其中，T为时间常数，也称为无阻尼

13、自由振荡 周期， 为阻尼比； 为系统的无阻尼固有频率。mkn) 1s(TksKT21二阶系统的特征方程：0222nnss极点（特征根）：122, 1nns 欠阻尼二阶系统（振荡环节）： 0 1具有两个不相等的负实数极点：122 , 1nns 零阻尼二阶系统： 0具有一对共轭虚极点：njs2, 1 负阻尼二阶系统： 0极点实部大于零，响应发散，系统不稳定。2、二阶系统的、二阶系统的单位脉冲响应单位脉冲响应 0 1：012)(11222teetcttnnn num1=0 0 1; den1=1 3 1; sys=tf(num1,den1) ; t=0:0.01:20; impulse(sys,t)

14、0246810121416182000.050.10.150.20.250.30.35Impulse ResponseTime (sec)Amplitude3、二阶系统的、二阶系统的单位阶跃响应单位阶跃响应 ssR1)()2()()()(222nnnssssRsGsC 欠阻尼（01）状态 0)11 (21)11 (211)()1(22)1(2222teetcttnn，01txo(t)q 特点 单调上升，无振荡， 过渡过程时间长 c () = 1，无稳态 误差。 01110),sin(11)(2ttetcdtn0,)1 (1)(tettctnn0)11 (21)11 (211)()1(22)1(

15、2222teetcttnn，其中，21ndarccos12 arctg 几点结论 q 二阶系统的阻尼比 决定了其振荡特性： 0 时，阶跃响应发散，系统不稳定； 1 时，无振荡、无超调，过渡过程长；01时，有振荡， 愈小，振荡愈严重， 但响应愈快， = 0时，出现等幅振荡。 q 工程中除了一些不允许产生振荡的应用，如指示和记录仪表系统等，通常采用欠阻尼系统，且阻尼比通常选择在0.40.8之间，以保证系统的快速性同时又不至于产生过大的振荡。5、 二阶系统的性能指标二阶系统的性能指标 控制系统的时域性能指标 控制系统的性能指标是评价系统动态品质的定量指标，是定量分析的基础。系统的时域性能指标通常通过

16、系统的单位阶跃响应进行定义。常见的性能指标有：上升时间tr、峰值时间tp、调整时间ts、最大超调量Mp、振荡次数N。 10tMp允许误差=0.05或0.02trtpts0.10.9xo(t)控制系统的时域性能指标q 评价系统快速性的性能指标 上升时间tr响应曲线从零时刻出发首次到达稳态值所需时间。对无超调系统，上升时间一般定义为响应曲线从稳态值的10%上升到90%所需的时间。 峰值时间tp响应曲线从零上升到第一个峰值所需时间。 调整时间ts响应曲线到达并保持在允许误差范围（稳态值的2%或5%）内所需的时间。 最大超调量Mp响应曲线的最大峰值与稳态值之差。通常用百分数表示： q 评价系统平稳性的

17、性能指标 %100)()()(oopopxxtxM若xo(tp) xo()，则响应无超调。 振荡次数N在调整时间ts内系统响应曲线的振荡次数。实测时，可按响应曲线穿越稳态值次数的一半计数。 欠阻尼二阶系统的时域性能指标 上升时间tr1sin11)(2rdtrtetcrn根据上升时间的定义有：欠阻尼二阶系统的阶跃响应为：0),sin(11)(2ttetcdtn2221arccos11nndrarctgt从而：即：0sinrdt, 2, 1, 0,kktrd显然， 一定时，n越大，tr越小；n一定时， 越大，tr 越大。 峰值时间tp，并将t = tp代入可得： 0)(dttdxo令0)cos(1

18、)sin(122pdtdpdtntetepnpn即： tgttgpd21)(, 2, 1, 0,kktpd根据tp的定义解上方程可得： 21ndpt一定，n越大，tp越小；n一定， 越大，tp 越大。 最大超调量 Mp%100%100)()()(21exxtxMoopop显然，Mp仅与阻尼比有关。最大超调量直接说明了系统的阻尼特性。 越大， Mp 越小，系统的平稳性越好，当 = 0.40.8时，可以求得相应的 Mp = 25.4%1.5%。00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10102030405060708090100Mp二阶系统Mp 图 调整时间ts对

19、于欠阻尼二阶系统，其单位阶跃响应的包络线为一对对称于响应稳态分量 1 的指数曲线： 211tnet01xo(t)211tne211tnenT121112111T2T3T4TT2arccos21dt当包络线进入允许误差范围之内时，阶跃响应曲线必然也处于允许误差范围内。因此利用： 1112tnenst21lnln可以求得：由上式求得的ts包通常偏保守。当一定时，n越大，ts越小，系统响应越快。05. 0,302. 0,41lnln2nnnst当00.7时， 振荡次数NN 仅与 有关。与Mp 一样直接说明了系统的阻尼特性。越大，N越小，系统平稳性越好。2122nddT对欠阻尼二阶系统，振荡周期02.

20、 0,1205. 0,15 . 122dsTtN 重要公式小结01110),sin(11)(2ttetcdtn0,)1 (1)(tettctnn0)11 (21)11 (211)()1(22)1(2222teetcttnn，其中，21ndarccos12arctg0),sin(11)(2ttetcdtn21ndpt2221arccos11nndrarctgt%100%100)()()(21exxtxMoopop05.0,302.0,4nnst02. 0,1205. 0,15 . 122dsTtN2122nddT其中，21ndarccos12 arctg例题 1、某数控机床的位置随动系统为单位反

21、馈系统，其开环传递函数为G(s)=9/(s(s+1)。试计算系统的Mp、tp、ts和N。 解：系统的闭环传递函数为9ss991)s(s9G(s)1G(s)(s)261,s3rad1 -n 峰值时间1.062s-1t2np53.8%100%eM2- 1-p最大超调量2%)( 4-12/2tN 5%)( 3-11.5/2tN2%)( 8s4t5%)( 6s3t2ds2dsnsns振荡次数调整时间 例2控制系统框图所示。若要求系统单位阶跃响应超调量Mp=20%，调节时间ts=1.5s,试确定K与 的值K/s(s+1)1+tsK/s(s+1)1+tsk)sk(1sks)(11)s(sk11)s(sk(

22、s)2解：0.1561)-2(19.23,k4.3850.4561.5st0.2M1)-2(,k2nn2nnsp2nn2n，可以求得将系统的特征参数代入，数为可以求得系统的特征参，由性能指标标准形式比较，可得与二阶系统传递函数的例3 图a)所示机械系统，当在质量块M上施加f(t)=8.9N的阶跃力后，M的位移时间响应如图b)。试求系统的质量M、弹性系数K和粘性阻尼系数C的值。 mf(t)KCxo(t)a)00.030.00292t /s13xo(t)/mtpb)解解：根据牛顿定律： )()()()(22tftKxdttdxCdttxdMooo2222211)()()(nnnossKKCsMss

23、FsXsGKMCMKn2,其中，系统的传递函数为：sKCsMssXsGsXio9 . 81)()()(2由于F(s)=Lf(t)=L8.9=8.9/s，因此根据拉氏变换的终值定理：KKCsMsssXxsoso9 . 89 . 8lim)(lim)(200由图b)知 xo() = 0.03m，因此：K=8.9/0.03=297N/m又由图b)知：%7 . 9%10003. 00029. 0%10021eMp解得： = 0.6212npt又由：代入，可得n=1.96rad/sKMCMKn2,根据解得 M = 77.3Kg，C = 181.8Nm/s 例4已知单位反馈系统的开环传递函数为： 求K=2

24、00时，系统单位阶跃响应的动态性能指标。若K 增大到1500或减小到13.5，试分析动态性能指标的变化情况。 )5 .34(5)(ssKsG解解：系统闭环传递函数为： KssKsGsGs55 .345)(1)()(21）K = 200时 10005 .341000)(2sssn=31.6rad/s，=0.545stnr081. 01arccos2)05. 0(174. 03stns%13%10021eMp)05. 0(73. 015 . 12Nstnp12. 0122）K = 1500时 n=86.2rad/s，=0.2，同样可计算得： tr=0.021s，tp=0.037s，Mp=52.7%

25、ts=0.174s，N=2.34可见，增大K，减小，n提高，引起tp减小，Mp增大，而ts无变化 即系统可以视为由两个时间常数不同的一阶系统串联组成，其中 T1=0.481s,T2=0.0308s3）K = 13.5时 n=8.22rad/s，=2.1 ，系统工作于过阻尼状态，传递函数可以改写为： ) 10308. 0)(1481. 0(15 .675 .345 .67)(2sssssG五五、高阶系统的时间响应1、高阶系统的单位阶跃响应、高阶系统的单位阶跃响应 )()()()(11101110mnasasasabsbsbsbsXsXsGnnnnmmmmio考虑系统0011,)()(abKpsz

26、sKnjjmii若在系统极点中包含q个实数极点和r对共轭复数极点可以求得高阶系统的时间响应，其包含有指数函数分量和衰减正弦函数分量。主导极点：距离虚轴很近的极点，对系统时间起主导作用21kkkkjs六六、误差分析和计算1、控制系统的误差、控制系统的误差考虑反馈控制系统H(s)R(s)C(s)B(s)E (s)G(s)偏差信号E(s)即输入R(s)与反馈信号B(s)之差E(s)= R(s)B(s) R(s)H(s) C(s)H(s)R(s)C(s)B(s)E (s)G(s)()(11)()(sHsGsRsE)()()()()()()(sGsEsCsHsCsRsE)()(1)()()(sHsGsG

27、sRsC)()()()(sHsGsEsB误差传递函数闭环传递函数开环传递函数)()(1)()(sHsGsRsE偏差信号误差与偏差 动态误差：误差随时间变化的过程值 稳态误差：系统进入稳态后其实际输出量与希望输出量之间的相差程度实际输出量希望输出量，系统误差定义为：:c(t):(t)cc(t)-(t)c(t)e rrrc(t)*h(t)-r(t)e(t) 系统偏差定义为：H(s)C(s)-R(s)E(s) C(s)-(s)C(s)E rr拉氏变换2、稳态偏差及其计算、稳态偏差及其计算 稳态偏差ess误差是时间的函数e(t)稳态偏差：若误差信号在（t）存在，即e(t) 的稳态分量为稳态误差：)(l

28、imteetss根据拉氏变换的终值定理，有：)(lim)(lim0ssEteestss 稳态偏差的计算)()()(11lim)(lim)(lim00sRsHsGsssEteesstss利用拉氏变换的终值定理，系统稳态误差为： 例题已知单位反馈系统的开环传递函数为： G(s)=1/Ts求其在单位阶跃输入、单位单位速度输入、单位加速度输入下的稳态偏差。解解：该单位反馈系统在输入作用下的误差传递函数为：1)(11)(TsTssGsE在单位阶跃输入下的稳态偏差为：011lim)()(11lim00sTsTsssRsGsessss在单位速度输入下的稳态偏差为：TsTsTsssRsGsessss20011

29、lim)()(11lim在单位加速度输入下的稳态偏差为：30011lim)()(11limsTsTsssRsGsessss 例例: : 一系统的开环传递函数 求求：r(t)=1(t)及t时的稳态误差 解解: :) 104. 0)(15 . 0(20)()(sssHsG)(20) 104. 0)(15 . 0() 104. 0)(15 . 0(lim)()()(11lim00sRssssssRsHsGsessss05. 0211120) 104. 0)(15 . 0() 104. 0)(15 . 0(lim0ssssssesssr(t) = 1(t) 时, R(s)=1/sr(t) = t 时,

30、 R(s)=1/s23、稳态误差系数、稳态误差系数 稳态偏差系数的概念q 稳态位置误差系数pssssKsHsGsRsHsGse11)()(11lim)()()(11lim00单位阶跃输入时系统的稳态偏差(位置误差)称为稳态位置偏差系数。)0()0()()(lim0HGsHsGKsp其中，q 稳态速度误差系数vsisssKsHssGssRsHsGse1)()(1lim)()()(11lim00单位速度输入时系统的稳态偏差称为稳态速度偏差系数。)()(lim0sHssGKsv其中，q 稳态加速度偏差系数assssKsHsGsssRsHsGse1)()(1lim)()()(11lim2200单位加速

31、度输入时系统的稳态偏差(加速度偏差)称为稳态加速度偏差系数。)()(lim20sHsGsKsa其中， 系统类型将系统的开环传递函数写成如下形式： )()() 1() 1)(1() 1() 1)(1()()(002121sHsGsKsTsTsTssssKsHsGvvnvm根据系统开环传递函数中积分环节的多少，当 v = 0, 1, 2, 时，系统分别称为0型、I型、型、系统。 vvsvssstsssKsRssKssRsRsHsGsssEtee)(lim1)(lim)()()(11lim)(lim)(lim10000 不同类型系统的稳态误差系数及稳态误差q 0型系统) 1() 1)(1() 1()

32、 1)(1()()(2121sTsTsTsssKsHsGvnmKsHsGKsp)()(lim0KKepss11110)()(lim0sHssGKsvvssKe10)()(lim20sHsGsKsaassKe1q I型系统) 1() 1)(1() 1() 1)(1()()(2121sTsTsTssssKsHsGvnm)()(lim0sHsGKsp011pssKeKsHssGKsv)()(lim0KKevss110)()(lim20sHsGsKsaassKe1q 型系统) 1() 1)(1() 1() 1)(1()()(21221sTsTsTssssKsHsGvnm)()(lim0sHsGKsp0

33、11pssKe)()(lim0sHssGKsv01vssKeKsHsGsKsa)()(lim20KKeass11系统的稳态误差系数及稳态误差00KII型00KI型00K0型单位加速度输入单位速度输入单位阶跃输入KaKvKp稳态误差稳态误差系数系统类型K11K1K1 不同类型的输入信号作用于同一控制系统，其稳态误差不同；相同的输入信号作用于不同类型的控制系统，其稳态误差也不同。 七扰动引起的稳态偏差和系统总误差七扰动引起的稳态偏差和系统总误差 G1(s)H(s)R(s)C(s)B(s)E(s)G2(s)N(s)+)()()(1)()()(212sHsGsGsGsNsCN扰动作用下的传递函数)()()()(1)(0)()()(212sNsHsGsGsGsCsRsENn)()()(1)()(21sHsGsGsRsER 扰动单独作用时即R(s)=0输入信号单独作用时)()()()(1)()()()(1)()(21221sNsHsGsGsGsHsGsGsRsE总误差 扰动引起的稳态误差 G1(s)H(s)R(s)C(s)B(s)E(s)G2(s)N(s)+)()()(1)()()()(212sHsGsGsHsGsNsCN扰动误差传递函数为：)()()(